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对EMCCD技术的浅谈

--对EMCCD技术的浅谈

供稿:凌云光技术集团有限责任公司 2009/7/10 13:53:00

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  • 关键词: EMCCD技术 片上电子增益寄存器 芯片信噪比
  • 摘要:2000年E2V与Andor公司联合推出世界上第一款EMCCD相机。相对于普通CCD相机,其最大的特点在于芯片上增加了一个片上电子增益寄存器。在高电场环境下电子经过上千次撞击,使电荷倍增千倍,极大地提高了芯片信噪比。

 

  2000年E2V与Andor公司联合推出世界上第一款EMCCD相机。相对于普通CCD相机,其最大的特点在于芯片上增加了一个片上电子增益寄存器。在高电场环境下电子经过上千次撞击,使电荷倍增千倍,极大地提高了芯片信噪比。由于其出色的性能参数,她一经问世就成为科学成像领域的宠儿。

 

EMCCD芯片结构图

 

  虽然目前全世界有数十家相机厂商能够提供EMCCD相机,例如:
  

  PI,ANDOR,QIMAGING,PHOTOMETRICS,HAMAMASTU,PHOTONIC,PCO,APOGEE,HITACHI KOKUSAI等品牌,但是EMCCD芯片核心技术却一直牢牢地掌握在E2V与TI两家公司手中,两家公司的产品特性各有千秋,E2V在噪声控制做到精益求精,而TI在处理速度上却更胜一筹。
 

  尽管EMCCD相机性能卓越,但为了更好地体现其在科学成像领域的价值,制冷技术及背照减薄技术也相继被引入到EMCCD相机中,制冷的目的就是为了降低相机的工作温度,从而降低相机的噪声,提高信噪比,这对于需要在暗环境下进行长时间曝光采集具有极其重要的意义。而背照减薄技术是通过化学工艺,将整个硅片减薄到15um左右,从而保证整个深度具有高电场。同时将光线从CCD背面照入,使电极对光子没有阻挡作用,这样极大地提高量子效率,比普通前照式CCD相机则相对提高了灵敏度。

 

  鉴于EMCCD相机的功能特性以及运用的领域,人们很容易将其与ICCD相机做一个比较。在老化问题上,ICCD相机在强光环境下曝光极容易老化,甚至损坏,而EMCCD则免疫。在运行可靠性上,EMCCD芯片是由惰性气体保护封装的,大大提高了芯片的可靠性,而ICCD的感光部分则是裸露在光纤锥子下。尽管EMCCD在上述方面具有很大的优势,但是ICCD相机具有不可替代的超高速优势,在超高速曝光可以达到ns级,而EMCCD则望尘莫及。所以尽管EMCCD相机在慢慢蚕食以前ICCD的市场份额,但是在超高速曝光方面,ICCD的地位还是没有办法撼动。

 

  此外,EMCCD相机的性能如此出色,是不是就可以取代普通的CCD相机呢?答案是否定的,首先价格就是一个巨大的挑战,其次EMCCD并不是适合在所有的光环境下成像。从上图中,我们可以清晰地看到,只有在1~100个光子环境下,EMCCD才具有最好的信噪比,而当随着光子数不断增加,普通CCD相机却具有最好的信噪比。所以从另外一个侧面再一次说明了EMCCD在低照度的科学成像领域的巨大优势。

 

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