EMCCD感測器：CCD在低光照條件下的繼任者

電子倍增CCD感測器是CCD感測器的改良型，使其能夠在更低的光照強度下工作。它們通常用於檢測數百個光電子的訊號，甚至低至單一光子計數等級。

本文解釋了什麼是 EMCCD 感測器，它們的工作原理，它們的優點和缺點，以及為什麼它們被認為是低光成像 CCD 技術的下一個發展階段。

什麼是EMCCD感測器？

電子倍增電荷耦合元件 (EMCCD) 感測器是一種特殊的 CCD 感測器，它在讀取訊號之前會放大微弱訊號，在低光源環境下實現極高的靈敏度。

EMCCD最初是為天文學和高級顯微鏡等領域開發的，它可以探測單個光子，而傳統的CCD感測器很難做到這一點。這種偵測單一光子的能力使得EMCCD在需要在極低光照條件下精確成像的領域至關重要。

EMCCD感測器的工作原理是什麼？

在讀取之前，EMCCD感測器的工作原理與CCD感測器相同。然而，在ADC測量之前，檢測到的電荷會透過一種稱為碰撞放大的過程在「電子倍增暫存器」中進行倍增。在數百個步驟中，來自像素的電荷在高壓下沿著一系列被遮蔽的像素移動。每個步驟中的每個電子都有機會攜帶額外的電子。因此，訊號呈指數級倍增。

經過良好校準的EMCCD的最終結果是能夠選擇精確的平均倍數，通常在低光照條件下約為300到400。這使得檢測到的訊號倍數遠高於相機的讀出噪聲，從而有效地降低了相機的讀出噪聲。然而，這種倍數過程的隨機性意味著每個像素的倍數都不同，這會引入額外的雜訊因素，降低EMCCD的訊號雜訊比（SNR）。

以下是EMCCD感測器的工作原理詳解。在步驟6之前，其工作原理與CCD感測器基本相同。

在曝光結束時，EMCCD感測器首先快速地將收集到的電荷轉移到與感光陣列尺寸相同的像素掩模陣列（幀轉移）。然後，電荷逐行被移入讀出暫存器。讀出暫存器中的電荷逐列被傳遞到乘法暫存器。在該寄存器的每個階段（實際EMCCD相機中最多可達1000個階段），每個電子都有很小的機率釋放一個額外的電子，從而使訊號呈指數級放大。最後，讀出放大後的訊號。

1. 費用清算：開始採集時，整個感測器上的電荷同時被清除（全局快門）。
2. 電荷積累：暴露過程中會累積電荷。
3. 電荷儲存曝光後，收集到的電荷會被轉移到感測器的一個遮蔽區域，在那裡它們可以等待讀取，而不會對新偵測到的光子進行計數。這就是「幀轉移」過程。
4. 下一幀曝光偵測到的電荷儲存在掩蔽像素中，活動像素可以開始曝光下一幀（重疊模式）。
5. 讀出過程：逐行地，將完成幀的每一行的電荷移入「讀出暫存器」。
6. 每次一列，將每個像素的電荷傳送到讀出節點。
7. 電子倍增接下來，像素中的所有電子電荷進入電子乘法寄存器，並逐步前進，每一步都以指數方式增加數量。
8. 讀出將乘法後的訊號送入 ADC 讀取，然後重複此過程，直到讀出整個幀。

EMCCD感測器的優缺點

EMCCD感測器的優點

優勢	描述
光子計數	能夠以超低讀出雜訊（<0.2e⁻）檢測單一光電子，實現單光子靈敏度。
超低光照靈敏度	比傳統 CCD 好得多，有時在極低光照水平下甚至超過高階 sCMOS 相機。
低暗電流	深度冷卻可降低熱噪聲，從而在長時間曝光期間獲得更清晰的影像。
「半全球」快門	幀轉移可實現近乎全域的曝光，電荷轉移速度非常快（~1 微秒）。

●光子計數當電子倍增足夠高時，讀取雜訊幾乎可以消除（<0.2e-）。這一點，再加上高增益值和近乎完美的量子效率，意味著可以區分單一光電子。
● 超低光照靈敏度與CCD相比，EMCCD的低照度表現顯著更佳。在某些應用中，即使在極低的照度下，EMCCD也能提供比高階sCMOS更好的偵測能力和對比。
●低暗電流與 CCD 一樣，EMCCD 通常採用深度冷卻，能夠提供非常低的暗電流值。
● 「半全球化」快門：開始和結束曝光的幀傳輸過程並不是真正同時發生的，但通常需要大約 1 微秒的時間。

EMCCD感測器的缺點

缺點	描述
限速	最大幀速率（100萬像素時約為30幀/秒）比現代CMOS替代方案慢得多。
放大噪音	電子倍增的隨機性會引入過多的噪聲，降低信噪比。
時鐘感應電荷 (CIC)	快速充電運動可能會引入被放大的錯誤訊號。
降低的動態範圍	高增益會降低感測器在飽和之前能夠處理的最大訊號量。
大像素尺寸	常見的像素尺寸（13–16 μm）可能與許多光學系統的要求不符。
高強度冷卻需求	穩定的深度冷卻是實現穩定倍增和低噪音的必要條件。
校準需求	電磁增益會隨時間推移而降低（乘法衰減），需要定期校準。
短時曝光不穩定性	極短時間的曝光會導致不可預測的訊號放大和雜訊。
高昂的成本	複雜的製造流程和深度冷卻使得這些感測器比sCMOS感測器更昂貴。
有限的壽命	電子倍增暫存器會磨損，通常壽命為 5-10 年。
出口挑戰	由於可能用於軍事用途，因此受到嚴格監管。

● 限速快速 EMCCD 在 1 MP 時可提供約 30 fps 的幀率，與 CCD 類似，但比 CMOS 相機慢幾個數量級。
● 噪音引入與具有相同量子效率的低雜訊sCMOS相機相比，隨機電子倍增導致的「額外雜訊因子」會使EMCCD的雜訊顯著升高，具體數值取決於訊號強度。高階sCMOS相機的信噪比通常在3e-左右的訊號強度下表現更佳，訊號強度越高，信噪比優勢越明顯。
●時鐘感應電荷 (CIC)如果不加以嚴格控制，電荷在感測器上的移動會將額外的電子引入像素。這種雜訊隨後會被電子倍增寄存器放大。更高的電荷移動速度（時脈頻率）會帶來更高的幀速率，但也會導致更多的CIC（電荷幹擾）。
● 動態範圍降低：為了克服 EMCCD 讀出噪聲，需要非常高的電子倍增值，這導致動態範圍大大降低。
● 大像素尺寸EMCCD相機的最小常用像素尺寸為10微米，但13微米或16微米更為常見。這遠遠大於大多數光學系統的分辨率要求。
● 校準要求電子倍增過程會隨著使用而損耗電子顯微鏡寄存器，降低其倍增能力，這個過程稱為「電子倍增衰減」。這意味著相機的增益會不斷變化，因此需要定期校準才能進行定量成像。
● 短時間內的不一致性曝光當使用非常短的曝光時間時，EMCCD 相機可能會產生不一致的結果，因為微弱的訊號會被雜訊淹沒，而且放大過程會引入統計波動。
● 高強度冷卻需求電子倍增過程受溫度影響顯著。冷卻感知器可以提高電子倍增效率。因此，在保持溫度穩定的前提下對感測器進行深度冷卻，對於實現可重複的EMCCD測量至關重要。
● 高成本由於這些多組件感測器的製造難度較大，加上需要深度冷卻，因此其價格通常高於最高品質的 sCMOS 感測器相機。
● 有限的壽命電子倍增衰減限制了這些昂貴感測器的壽命，通常為 5-10 年，具體取決於使用程度。
● 出口挑戰由於 EMCCD 感測器可能用於軍事用途，因此其進出口在物流方面往往具有挑戰性。

為什麼EMCCD是CCD的繼承者

特徵	中心磁碟	EMCCD
敏感度	高的	超高（尤其適用於低光源環境）
讀出噪音	緩和	極低（由於增益）
動態範圍	高的	中等（受增益限制）
成本	降低	更高
冷卻	選修的	通常需要達到最佳效能
用例	普通影像	低光照單光子偵測

EMCCD感測器在傳統CCD技術的基礎上增加了一個電子倍增步驟。這增強了其放大微弱訊號和降低雜訊的能力，使其成為CCD感測器無法勝任的極低光照成像應用的首選。

EMCCD感測器的主要應用

EMCCD感測器常用於需要高靈敏度和偵測微弱訊號能力的科學和工業領域：

● 生命科學想像g：適用於單分子螢光顯微鏡及全內反射螢光（TIRF）顯微鏡等應用。
● 天文學用於捕捉遙遠恆星、星系和系外行星研究中的微弱光。
●量子光學用於光子糾纏和量子資訊實驗。

● 取證與安全用於弱光監視和痕跡物證分析。
● 光譜學：在拉曼光譜和低強度螢光檢測。

何時應該選擇EMCCD感測器？

近年來，隨著CMOS感測器技術的進步，EMCCD感測器的讀出噪聲優勢已減弱，因為如今即使是sCMOS相機也能實現亞電子級的讀出噪聲，並具備其他諸多優勢。如果某個應用之前使用過EMCCD，那麼鑑於sCMOS技術的進步，非常值得重新評估EMCCD是否仍然是最佳選擇。

從歷史上看，EMCCD 仍然可以更成功地進行光子計數，以及一些其他特定應用，其峰值訊號強度通常低於每像素 3-5e-。然而，隨著更大的像素尺寸和亞電子讀出雜訊的出現，EMCCD 的限制日益凸顯。科學相機基於 sCMOS 技術，這些應用也有可能很快就會使用高階 sCMOS 來實現。

常見問題解答

幀傳輸相機的最短曝光時間是多少？

對於所有幀轉移感測器（包括EMCCD），最小曝光時間的問題都比較複雜。對於單幅影像擷取，可以透過將擷取到的電荷快速轉移到掩模區域進行讀取來結束曝光，因此可以實現很短（亞微秒級）的最小曝光時間。

然而，一旦攝影機以全速拍攝（即以全幀速率採集多幀/視訊），第一幀曝光完成後，遮罩區域就會被該幀佔據，直到讀取完成。因此，曝光無法結束。這意味著，無論軟體中要求的曝光時間如何，在全速多幀採集過程中，第一幀之後後續幀的實際曝光時間都由攝影機的幀時間（即幀速率的倒數）決定。

sCMOS技術會取代EMCCD感測器嗎？

EMCCD相機的兩個特性使其在極低光照成像場景（峰值訊號強度為5個光電子或更低）中保持優勢。首先是其大像素尺寸，最大可達16微米；其次是其讀取雜訊小於1電子。

新一代sCMOS相機已經出現了一種具備這些特性，且避免了EMCCD諸多缺點（尤其是過高雜訊）的新型相機。例如，Tucsen公司的Aries 16相機採用16μm背照式像素，讀出雜訊僅0.8e-。憑藉低雜訊和「原生」大像素尺寸，這些相機由於像素合併與讀取雜訊之間的關係，性能也優於大多數採用像素合併技術的sCMOS相機。

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