emccd自身存在的噪聲來源-中國顯微圖像網(wǎng)

EMCCD根本原理介紹衡量一個(gè)CCD器件性能的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)的質(zhì)量輸出信號(hào)的速度

如何提高圖像質(zhì)量最重要的參數(shù)：提高信噪比〔SNR〕提高有效信號(hào)減少系統(tǒng)躁聲如何提高有效信號(hào)減少光子入射路徑上的損失增加芯片對(duì)光子的接收效率增加芯片對(duì)光子的接收時(shí)間如何提高有效信號(hào)抗反射玻璃真空密封環(huán)境背照式芯片結(jié)構(gòu)，提高接收效率100%面積感光的芯片長時(shí)間積分處理如何減少系統(tǒng)噪聲系統(tǒng)噪聲Sd暗電流溫度相關(guān)S0光子入射噪聲結(jié)構(gòu)相關(guān)CIC時(shí)鐘噪聲結(jié)構(gòu)相關(guān)Na讀出噪聲速度相關(guān)如何減少系統(tǒng)噪聲Sd暗電流S0光子入射噪聲CIC時(shí)鐘噪聲Na讀出噪聲制冷最優(yōu)化入射路徑改造電路結(jié)構(gòu)降低讀出速度理論上拍攝靜止的弱光物體使用長時(shí)間積分

可以得到滿意的結(jié)果原因是長時(shí)間積分模式可以

延長光子接收時(shí)間

同時(shí)

數(shù)據(jù)輸出速度很慢有時(shí)，某些條件會(huì)受到限制比方，高速運(yùn)動(dòng)拍攝；同時(shí)弱光條件似乎圖像質(zhì)量與輸出速度無法兩全既要增加信號(hào)強(qiáng)度，又要保證SNR很好，一般就需要長時(shí)間積分模式但不允許高速度拍攝我們?nèi)绾谓鉀Q這些問題只能改變CCD芯片構(gòu)造從電荷形成、轉(zhuǎn)移的內(nèi)部過程入手改造的思路是什么在信號(hào)讀出之前，有規(guī)那么地產(chǎn)生新電子從而提高有效信號(hào)值即無中生有改造的物理原理能量碰撞電離效應(yīng)電子原子空穴新增電子能量〔強(qiáng)電場(chǎng)〕碰撞電離效應(yīng)信號(hào)電子半導(dǎo)體材料原子倍增后的信號(hào)電子普通CCD芯片的構(gòu)造multiplicationregisterRf2HV改造后的芯片結(jié)構(gòu)EMCCD的工作原理對(duì)累加積存器施加高電壓使得電子通過時(shí)產(chǎn)生碰撞電離效應(yīng)，從而產(chǎn)生新電子通過屢次累加，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電子的倍增EMCCD的增益如何控制我們能否控制每一個(gè)單元的累加積存器的碰撞電離數(shù)量？即EM倍數(shù)？不能，而且這一倍數(shù)是隨機(jī)的，1.01~1.015那么，我們?nèi)绾伪ＷC最終的增益值？理論上，每次都不一樣；概率上，可以固定在一個(gè)范圍EMCCD的增益如何控制我們能否控制每一個(gè)單元的累加積存器的碰撞電離發(fā)生？通常，我們只控制所有EM存放器的電壓〔40V~60V〕我們只控制所有EM存放器發(fā)生碰撞電離的概率也即，從概率上，我們可以控制EM增益的數(shù)量。從而控制最終增益。EMCCD自身存在的噪聲來源躁聲因數(shù)F對(duì)于EMCCDF=1.41…由于EMCCD的放大機(jī)理源自概率對(duì)于一個(gè)增益為xN的過程，并非所有電子都被放大N倍，只是這個(gè)過程滿足一個(gè)放大倍率為N的概率分布對(duì)于EMCCD的系統(tǒng)躁聲SnxSn=SdxFxF+S0xFxF+NaxNaxGxG其中Sn為系統(tǒng)躁聲Sd為熱躁聲〔暗電流〕S0為光子入射躁聲Na為讀出躁聲F為躁聲因數(shù)G為EM增益值EMCCD的優(yōu)勢(shì)何在能夠在高速拍攝的條件下，使微弱的有效信號(hào)得到放大從而提高最終圖像的信躁比是否EM增益越高越好EM增加，SNR可以提高EM增加，輸出速度不受限制從CCD性能來說EM似乎越高越好那么還有一個(gè)參考值DR動(dòng)態(tài)范圍當(dāng)EM存放器的電壓被調(diào)高，>60V時(shí)EMgain可增高但DR卻會(huì)降低所以，通常EMGain不高于X1000如何提高EMCCD的性能根據(jù)EMCCD的使用環(huán)境，入射光子肯定很少，讀出速度也不會(huì)很慢。所以，充分確保輸入光子的效率盡量降低系統(tǒng)內(nèi)不可防止的本底噪聲noisefloor如何提高EMCCD的性能具體，抗反射玻璃真空密封環(huán)境背照式芯片結(jié)構(gòu)，提高接收效率100%面積感光的芯片使用熱電制冷降低暗電流盡量不使用高增益，保證DREMCCD的應(yīng)用低光照動(dòng)態(tài)應(yīng)用通常為科學(xué)級(jí)產(chǎn)品單分子探測(cè)生物細(xì)胞熒光顯微離子信號(hào)探測(cè)弱光探測(cè)單分子探測(cè)

工程名稱：分子馬達(dá)一個(gè)蛋白質(zhì)分子通過自由擴(kuò)散方式轉(zhuǎn)移過1米長的神經(jīng)元，需要1年時(shí)間。而采用分子發(fā)動(dòng)機(jī)，只需要1周。分子發(fā)動(dòng)機(jī)，通過化學(xué)聚能方式推動(dòng)分子移動(dòng)釋放的能力極低，在高端示波器上也無法捕捉信號(hào)微管技術(shù)直徑25nm移動(dòng)步長8nmEMCCD探測(cè)到分子在微管上的移動(dòng)軌跡天文觀測(cè)天文觀測(cè)成像可大致上分為兩個(gè)方面1)長時(shí)間靜態(tài)成像，可以通過長時(shí)間曝光模式來拍攝非常弱水平的發(fā)光物體2)實(shí)時(shí)的光度測(cè)定，可供積分的時(shí)間大多是ms量級(jí)，最多是幾秒那么，高清晰但是掃描速度慢的相機(jī)，就只能用于第一種情況而第二種應(yīng)用，那么需要EMCCD產(chǎn)品來完成拉曼光譜分析

光照射到物質(zhì)上發(fā)生彈性散射和非彈性散射.彈性散射的散射光是與激發(fā)光波長相同的成分.非彈性散射的散射光有比激發(fā)光波長長的和短的成分,統(tǒng)稱為拉曼效應(yīng)。

對(duì)同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長無關(guān),只和樣品的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)；由拉曼光譜的特性，通過對(duì)物質(zhì)拉曼光譜的分析可以知道物質(zhì)的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)情況,從而可以鑒別物質(zhì),分析物質(zhì)的性質(zhì).下面舉幾個(gè)例子：鑒別天然雞血石和仿造雞血石區(qū)分毒品和某些白色粉末監(jiān)測(cè)化學(xué)物質(zhì)的各成分指標(biāo)拉曼光譜的分析方向有：定性分析：不同的物質(zhì)具有不同的特征光譜，因此可以通過光譜進(jìn)行定性分析。結(jié)構(gòu)分析：對(duì)光譜譜帶的分析,又是進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的根底。定量分析：根據(jù)物質(zhì)對(duì)光譜的吸光度的特點(diǎn),可以對(duì)物質(zhì)的量有很好的分析能力。EM增益模式下信號(hào)質(zhì)量無損失拍攝速度大大提高量子通道原子光纖磁性引導(dǎo)可控制原子的運(yùn)動(dòng)方向雙線引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)線直徑280umEMCCD鏡下效果圖芯片級(jí)產(chǎn)品的廠家英國e2v美國TI日本濱松HamamatsuTheL3C65于2000年研發(fā)成功E2vEMCCD相機(jī)產(chǎn)品e2vEMCCD芯片L3

型號(hào)參數(shù)CCD60BackIlluminatedCCD60BackIlluminatedpeltiercooledCCD60FrontIlluminatedCCD60FrontIlluminatedpeltiercooled芯片尺寸（mm）3.072x3.072100％填充因子3.072x3.072100％填充因子3.072x3.072100％填充因子3.072x3.072100％填充因子像素尺寸（um）24x2424x2424x2424x24分辨率128(H)x128(V)128(H)x128(V)128(H)x128(V)128(H)x128(V)轉(zhuǎn)移方式幀轉(zhuǎn)移幀轉(zhuǎn)移幀轉(zhuǎn)移幀轉(zhuǎn)移量子效率最高93%最高93%最高47%最高47%防溢出可選防溢出溝道可選防溢出溝道可選防溢出溝道可選防溢出溝道制冷無半導(dǎo)體制冷無半導(dǎo)體制冷

型號(hào)參數(shù)CCD65SeriesCeramicPackCCD65SeriesPeltierPackCCD97BackIlluminatedCCD97BackIlluminatedpeltiercooled芯片尺寸（mm）11.52x8.64100％填充因子11.52x8.64100％填充因子8.192x8.192100％填充因子8.192x8.192100％填充因子像素尺寸（um）20x3020x35.520x3020x35.516x16

16x16

分辨率576(H)x288(V)576(H)x244(V)576(H)x288(V)576(H)x244(V)512(H)x512(V)512(H)x512(V)轉(zhuǎn)移方式幀轉(zhuǎn)移幀轉(zhuǎn)移幀轉(zhuǎn)移幀轉(zhuǎn)移量子效率最高48%最高48%最高93%最高93%防溢出可選防溢出溝槽可選防溢出溝槽可選防溢出溝槽可選防溢出溝槽制冷無制冷半導(dǎo)體制冷無制冷半導(dǎo)體制冷

型號(hào)參數(shù)CCD97FrontIlluminatedCCD97FrontIlluminatedpeltiercooledCCD201-20BackIlluminatedCCD201-20FrontIlluminated芯片尺寸（mm）8.192x8.192100％填充因子8.192x8.192100％填充因子13.3x13.3100％填充因子13.3x13.3100％填充因子像素尺寸（um）16x16

16x16

13x1313x13分辨率512(H)x512(V)512(H)x512(V)1024(H)x1024(V)1024(H)x1024(V)轉(zhuǎn)移方式幀轉(zhuǎn)移幀轉(zhuǎn)移幀轉(zhuǎn)移幀轉(zhuǎn)移量子效率最高46.5%最高46.5%最高93%最高46.5%防溢出可選防溢出溝槽可選防溢出溝槽可選防溢出溝槽可選防溢出溝槽制冷無制冷半導(dǎo)體制冷無制冷無制冷TIEMCCD芯片Impactron型號(hào)TC246CYM-B0TC246RGB-B0TC247SPD-B0TC253SPD-30CCD低噪聲、極寬的光譜靈敏度、電子倍增隔行轉(zhuǎn)移

CCD低噪聲、極寬的光譜靈敏度、電子倍增隔行轉(zhuǎn)移

CCD低噪聲、極寬的光譜靈敏度、電子倍增隔行轉(zhuǎn)移

CCD低噪聲、極寬的光譜靈敏度、電子倍增幀轉(zhuǎn)移

CCD制式彩色彩色

黑白黑白芯片尺寸1/2英寸1/2英寸1/2英寸1/3英寸像素尺寸10.0x10.010.0x10.010.0x10.07.4×7.4分辨率658x496658x496658x496656×496讀出速度60幀/s30幀/s30幀/s電子曝光1/60s到1/2000s1/60s到1/2000s1/60s到1/2000s1/30s到1/5000s防溢出設(shè)計(jì)防溢出溝槽防溢出溝槽防溢出溝槽防溢出溝槽QE最高52％最高52％最高52％最高40％制冷嵌入半導(dǎo)體制冷嵌入半導(dǎo)體制冷嵌入半導(dǎo)體制冷無制冷型號(hào)TC253SPD-B0TC285SPD-30TC285SPD-B0TX285SPD-31CCD低噪聲、極寬的光譜靈敏度、電子倍增幀轉(zhuǎn)移

CCD低噪聲、極寬的光譜靈敏度、電子倍增幀轉(zhuǎn)移

CCD低噪聲、極寬的光譜靈敏度、電子倍增幀轉(zhuǎn)移

CCD低噪聲、極寬的光譜靈敏度、電子倍增幀轉(zhuǎn)移

CCD（可定制真空窗）制式黑白黑白黑白黑白芯片尺寸1/3英寸2/3英寸2/3英寸2/3英寸像素尺寸7.4×7.48.0x8.08.0x8.08.0x8.0分辯率656×4961004x10021004x10021004x1002讀出速度30幀/s30幀/s30幀/s電子曝光1/30s到1/5000s1/30s到1/5000s1/30s到1/5000s防溢出設(shè)計(jì)防溢出溝槽設(shè)計(jì)防溢出溝槽設(shè)計(jì)防溢出溝槽設(shè)計(jì)防溢出溝槽設(shè)計(jì)QE最高40％最高40％最高40％最高40％制冷嵌入半導(dǎo)體制冷無制冷嵌入半導(dǎo)體制冷無制冷相機(jī)級(jí)產(chǎn)品廠家美國PI美國Andor日本濱松制冷環(huán)節(jié)讀出噪聲以及時(shí)鐘噪聲真空封裝技術(shù)產(chǎn)品及圖像質(zhì)量的穩(wěn)定性PI產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)PIEMCCD產(chǎn)品系列ModelImagingArrayPixelSizeWavelengthPeakQEProEM512B512*512B/IFT16*16μm200-1050nm95%ProEM1024B1024*1024B/IFT13*13μm200-1050nm95%