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高灵敏度相机

高灵敏度相机是指成像器件能探测到光子数小于500个,对微弱光进行成像。高灵敏度相机可以分为进行单光子探测的ICCD,在10个光子数下有优势的EMCCD,在高分辨率高速度且高灵敏下的SCMOS,为降低热噪声提高灵敏度的制冷型CCD。

1、原理

目标物体在相机的芯片上形成的每个信号都反映了投射在相机像素上的光线量。在光线较暗的情况下,该信号非常弱。高灵敏度相机内的电子元件可增强较弱的信号,使其能够有效地数字化并传输[2]。

(1)EM增益——高灵敏度

EMCCD技术,有时也被称作“片上增益”技术,是一种全新的微弱光信号增强探测技术。它与普通的科学级CCD探测器的主要区别在于其读出寄存器后又接续有一串“增益寄存器”(见图1),它的电极结构不同于转移寄存器,信号电荷在这里得到增益。

  图1 EMCCD 结构原理图

EMCCD也可采用背照式结构,把高达90%的量子效率与电荷倍增向结合,提高灵敏度,从而提供高帧速率情况下最好的低照度响应。温度对片上倍增增益的影响明显。温度越低,由依次电子产生的二次电子越多,则片上倍增增益越高。研究表明把探测器制冷到-30摄氏度或更低时,片上增益可以超过1000倍。EMCCD良好的性能取决于CCD温度的最佳选择以及温度随环境波动的控制。

(2)ICCD成像技术

ICCD是新一代增强型相机,灵敏度非常高,可进行单光子探测,适用于UV、VS、NIR等多种波段。具有纳秒级门控和相关控制模块为微光及时间分辨提供可靠的性能保证。

ICCD主要由像增强器和CCD耦合而成,包括像增强器,CCD和中继耦合组件等几部分;如图1所示

  图1. ICCD基本结构示意图

  图2. ICCD耦合及MCP结构图

入射光经过物镜打到像增强器的光阴极上,由于光电效应转换成电子图像,电子图像耦合到微通道板,在微通道板的每个光纤通道内电子不断撞击,产生约100倍的电子,放大的电子从微通道板射出撞击荧光屏,重新激发出光子图像,再经过中继器投射在CCD上成像。如图2所示:像增强器与CCD的耦合及微通道板的结构示意图。

对于ICCD 而言,其像增强器门控装置所能产生超短的曝光时间才是其在具体应用中的最大特点,也是sCMOS, EMCCD,制冷CCD 等其他高灵敏度相机所不能比拟,不能取代的。但是ICCD是通过光电阴极实现光电转换的,因此峰值量子效率不超过50%,并且由于微通道板和荧光屏的存在,而降低了空间分辨率。

2、选型

要获得高品质、低噪声的视频图像(即使在光线不佳的条件下),高灵敏度相机必不可少[2]。

需要明确拍摄物体,需要多大的分辨率,需要达到多少精度,帧频是多少,所用软件的性能等等。例如如果是生命科学试验中需要显微观察的生物样品可能具有活性和移动等特点,所以EMCCD作为一种弱光探测器,配合共焦显微镜系统使用效果更好。

应用介绍链接:http://www.lustervision.com/gaolingmin/