对EMCCD技术的浅谈

• 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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