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EMCCD技術介紹

2000E2VAndor公司聯合推出世界上第一款EMCCD相機。相對于普通CCD相機,其最大的特點在于芯片上增加了一個片上電子增益寄存器。在高電場環境下電子經過上千次撞擊,使電荷倍增千倍,極大地提高了芯片信噪比。由于其出色的性能參數,她一經問世就成為科學成像領域的寵兒。
 \EMCCD芯片結構圖

    雖然目前全世界有數十家相機廠商能夠提供EMCCD相機,例如:PI,ANDOR,QIMAGING,PHOTOMETRICS,HAMAMASTU,PHOTONIC,PCO,APOGEE,HITACHI KOKUSAI等品牌,但是EMCCD芯片核心技術卻一直牢牢地掌握在E2VTI兩家公司手中,兩家公司的產品特性各有千秋,E2V在噪聲控制做到精益求精,而TI在處理速度上卻更勝一籌。
 
    盡管EMCCD相機性能卓越,但為了更好地體現其在科學成像領域的價值,制冷技術及背照減薄技術也相繼被引入到EMCCD相機中,制冷的目的就是為了降低相機的工作溫度,從而降低相機的噪聲,提高信噪比,這對于需要在暗環境下進行長時間曝光采集具有極其重要的意義。而背照減薄技術是通過化學工藝,將整個硅片減薄到15um左右,從而保證整個深度具有高電場。同時將光線從CCD背面照入,使電極對光子沒有阻擋作用,這樣極大地提高量子效率,比普通前照式CCD相機則相對提高了靈敏度。
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    鑒于EMCCD相機的功能特性以及運用的領域,人們很容易將其與ICCD相機做一個比較。在老化問題上,ICCD相機在強光環境下曝光極容易老化,甚至損壞,而EMCCD則免疫。在運行可靠性上,EMCCD芯片是由惰性氣體保護封裝的,大大提高了芯片的可靠性,而ICCD的感光部分則是裸露在光纖錐子下。盡管EMCCD在上述方面具有很大的優勢,但是ICCD相機具有不可替代的超高速優勢,在超高速曝光可以達到ns級,而EMCCD則望塵莫及。所以盡管EMCCD相機在慢慢蠶食以前ICCD的市場份額,但是在超高速曝光方面,ICCD的地位還是沒有辦法撼動。
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此外,EMCCD相機的性能如此出色,是不是就可以取代普通的CCD相機呢?答案是否定的,首先價格就是一個巨大的挑戰,其次EMCCD并不是適合在所有的光環境下成像。從上圖中,我們可以清晰地看到,只有在1100個光子環境下,EMCCD才具有最好的信噪比,而當隨著光子數不斷增加,普通CCD相機卻具有最好的信噪比。所以從另外一個側面再一次說明了EMCCD在低照度的科學成像領域的巨大優勢。  
 
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