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奧林巴斯顯微鏡成像,什麽是EMCCDs?

2013-11-08  發布者:admin 

光學顯微鏡的數字成像科學電荷耦合器件(CCD)傳感器的固有優勢,它們無處不在各種各樣的應用。 傳統高性能CCD相機的幾個顯著的缺點之一是,非常低的信號電平通常落在下方的傳感器的讀出噪聲本底,在數量限製的成像能力,目前生產的研究領域要求快速幀速率捕獲極低的光照水平。 CCD讀出噪聲低光級以上的信號放大采用電子倍增 CCD技術的一種創新的方法。 在全固態傳感器,通過將芯片上的的乘法增益(參見圖1),EMCCD達到單光子探測靈敏度典型的強化或電子轟擊CCD的低得多的成本,而不會影響的量子效率和傳統的CCD的結構的分辨率特性。

區分這本小說的新技術的主要特點是加入一個專門的擴展串行寄存器CCD芯片上,通過在矽的過程中碰撞電離,產生倍增增益。 通過提高設備的讀出噪聲,即使在高幀速率的光子產生的電荷,EMCCD滿足超低光成像應用的需要的能力,而無需使用外部圖像增強器。 因此,該方法適用於任何當前CCD傳感器硬件架構,包括背照式設備,並且采用電子倍增寄存器的傳感器是相當少的製造成本昂貴,由於被直接結合到CCD結構的信號放大級。

目前的研究重點在生物醫學科學的幾個主要領域依賴於特定的靶向亞細胞結構或適當熒光單分子為了遵循生物過程的動態。 結合極​​其小的的標本體積和低熒光濃度在此類實驗中使用的快速動力學要求高靈敏度和快速的幀速率的數據采集。 評價瞬變信號,低強度信號,如單分子調查,鈣離子或其它離子的通量測定,時間分辨三維顯微鏡(2,4-D技術)中所遇到的,電子倍增CCD提供顯著的優勢超過設計的低信號電平的其他傳感器。 此外,當與傳統的熒光成像技術的較高的信號電平,EMCCD係統的極端敏感性,允許使用較低的熒光基團的濃度和/或降低來自激勵源的功率電平,從而減少潛在毒性的活細胞,和光漂白的熒光探針。

基於CCD探測器的性能已得到顯著改善,近年來,和更高的靈敏度顯著降低了高性能,低光成像係統的檢測限。 量子效率超過了90%,讀出噪聲被限製為小於2電子(方均根)在某些背照式CCD攝像機。 這個級別的讀出噪聲性能是可以實現的,隻有在適度的讀出速率,但是傳統的CCD傳感器。 當執行成像時在視頻幀速率和更快的讀出噪聲增加至不可接受的程度,相對於信號的,在低光照條件下。

一個行之有效的解決方案需要更高的幀速率時的讀出噪聲限製曆來聘請數乘以標本光子發射前檢測和讀出由傳統的CCD圖像增強。 在這種方法中,這是基於類似的光電倍增管的動作原理,信號被放大到所需的幀速率讀出產生的噪聲電平超過。 增強型CCD(ICCD)相機係統是目前最常用的成像方法的低光技術,如時間分辨熒光實驗,比成像離子敏感的熒光染料,在活細胞單分子熒光和其他動態研究。 這些係統有時也被稱為作為接近中心的影像增強器 ,利用緊密耦合的微通道板(MCP)電子倍增器的光電陰極。

從MCP輸出的放大後的電子被加速到熒光屏的電子轉換成光子,而其後在CCD表麵的光學的中繼透鏡或光纖耦合直接通過中繼由一個高的電勢差。 由於從2500-5000伏的電位差保持跨分離組件的ICCD的間隙來加速電子,高的內部真空是必要的,在規定的移動設備以精確地裝配和完全無汙染物。 因此,製造成本比較高,目前的增壓器,以及若幹其他缺點,其中降低空間分辨率相比,相當於常規(非強化)的CCD,高背景噪聲,相對較低的量子效率(圖2),和易感性從暴露在高光水平不可逆的損壞。 ICCD的分辨率最終是由光電陰極,微通道板的輸出熒光體的分辨率的限製。

電子轟擊的CCD的(EBCCD)是一個廣泛使用的檢測器的變化為低照度攝像機係統,相似加劇的CCD,采用的光電陰極的光子到電子的轉換,然後在一個高電壓梯度由加速度。 高能電子撞擊直接在薄型背照式CCD,在那裏他們生成多個電荷,導致適度的信號增益。 該設備可以工作在視頻的幀速率,但有限的增益調整範圍,並表現出類似的缺點,包括增強型CCD量子效率降低和分辨率,和潛在的外在形象,加強元件損壞,如果暴露在高光水平。 該電子倍增CCD芯片上的乘法增益用人的發展提供了基礎的攝像機實現信號的增益,使用外部的增強的係統的好處,同時保持習慣的CCD優點高,頻譜寬的量子效率(圖2),完全原生像素的分辨率,以及高光級別損壞的免疫力。

片上倍增增益

通過集成於每個像素的信號讀出之前,為了克服噪音,這是對每一幀僅產生一次讀的過程中,傳統的冷卻CCD攝像機可以達到比較高的靈敏度。 在低光照水平,需要長時間曝光,以積累足夠的信號,實現探測器的最大讀取噪聲性能。 因此,最大幀速率限製為每秒幾幀的幀的一個相對緩慢的部分。 合適的“慢掃描”的信號采集,探測器可以工作在光子散粒噪聲限製製度在實際應用中,傳統的背照式CCD係統提供優越的整體性能,包括最大的量子效率(如在圖2中示出,其中需要考慮噪聲因素與電子倍增)。 然而,當它是需要捕獲時間的數據,需要視頻幀速率或更快,在非常低的光照水平,傳統的CCD攝像機是從根本上限製讀出噪聲。

的電子倍增CCD采用了結構的增強所捕獲的信號放大之前的電荷轉移到芯片上的放大器,該放大器的讀出噪聲和信號的關係,由乘法增益係數的值減少的效果。 非常弱的檢體的信號電平,因為可能會產生電荷包從一個單一的像素,隻有極少數的電子,即使從一個高性能的CCD讀出緩慢,在讀出噪聲信號丟失。 EMCCD的主要優點是提供一種機製,以改善低於CCD讀底噪聲的信號電平的信號 - 噪聲比。 在實際應用中,需要極快的門控(納秒級),EMCCD是不恰當的,而且加劇的CCD保持優勢,在這種類型的快速動力學數據收集。

電子倍增CCD傳感器是利用傳統的CCD製造技術相對簡單的結構修改。 EMCCD的一個獨特的特點是一個移位寄存器和輸出放大器,簡稱為倍增寄存器增益寄存器的末尾之間的電子倍增結構。 這種特殊的擴展串行寄存器提供在器件的有源像素陣列的光子檢測後的乘法增益,因此,該技術可以適應任何電流的CCD的結構和格式。 最廣​​泛使用的傳感器所產生的兩個公司率先技術采用幀傳輸體係結構中,相機廠商也推出了背照式電子倍增CCD的版本的基礎上的係統。

圖3中示出,其中的增益寄存器被添加到的幀傳輸的芯片麵積,和傳統的串行寄存器的電荷轉移路徑,前片上的功能布局的幀傳輸式電子倍增CCD電荷 - 電壓轉換電路。 額外的寄存器的結構的不同的定時的移位寄存器中,電子被加速的各個元素之間的應用在一些傳輸電極的電壓高得多的時鍾倍增寄存器。 通過施加高於正常電壓,當電荷轉移產生的二次電子碰撞電離的過程中,在矽。 在增益乘以寄存器,每個階段包括四個門,其中三個是主頻為常規的3相結構,與第四(階段1和2之間)被關押在一個較低的固定的直流(DC)的潛力。

圖4示出了通過柵極的電荷轉移。 請注意,時鍾階段1和3(R1R3)的柵極驅動脈衝正常的潛力,這通常是在5至15伏的順序(注意,R1柵極零電位為圖4中所示的定時相)。 可以采用這些門中使用的相同的階段經常讀出寄存器的時鍾脈衝。 第2階段(圖3中的R2)的時鍾頻率為較高的電壓(35-50伏)之前,保持在一個低的DC電平(表示在圖4中由低DC柵極)的柵極。 固定電平的柵極和高電壓柵極時鍾結果在足夠的電場強度,以維持碰撞電離過程中作為電子從階段1到階段2,在正常的定時序列之間的電位差。 雖然僅在1.01至1.016的順序每次傳輸的電荷倍增,倍增寄存器中的像素(水平像素陣列的大小依賴於)大量積累的增益是實質性的,並且可以是幾百或幾千。 乘法增益指數是正比於所施加的高階段2電壓,並通過不同的時鍾電壓,可以增加或減少。

圖5(a)示出的增益的指數增加,伴隨著增加的幅度定時施加電壓的第2階段的電極。 很明顯,相對較小的調整的電壓超過一定值時,在芯片上的乘法增益大的變化的結果。 在EMCCD相機係統,該電壓的調整,通常映射到一個高分辨率的數字 - 模擬轉換器,它可以精確地控製通過計算機軟件。 盡管非常低的概率發生碰撞電離和低平均每級增益,整體增益因子的乘法寄存器中可以很容易地超過1000倍,由於大量像素的電子的電荷包生長在級聯時尚。 產生二次電子的概率是依賴於在串行時鍾的電壓水平和CCD溫度,如上文所述,典型的範圍為1〜1.6%。 雖然是由一個複雜的函數,所述的二次電子的產生的概率(M)的級聯倍增寄存器中的元素的總增益由以下

M = (1 + g)N

其中g是的概率產生的二次電子 N是倍增寄存器中的像素的數目。 的CCD具有512個元素在增益寄存器和衝擊電離幾率為1.3%(0.013),因此,會產生一個電荷倍增總收益超過744。

由於時鍾電壓增益的乘法(指數)的關係,可調節範圍寬,允許設置增益以足夠高的水平,有效地降低到微不足道的水平,在大多數成像條件下,讀出噪聲。 由於乘法增益設置增益的水平相當於電子讀出噪聲,利用讀出頻率,獨立的讀出速度,產生一個有效的電子均方根噪聲。 超出此範圍,增加收益減少噪音電子水平。值得注意的是,通過利用更高的增益設置在更高的幀速率,這種噪聲性能可以在任何速度下實現的。 作為一個例子,一個電流的高性能的背照式電子倍增CCD,具有讀出噪聲規格60電子rms的頻率是10兆赫茲,可以實現與任何片上的的乘法增益值大於或等於60的一個子電子的有效噪聲電平。

額外的噪聲和性能變量

幾個額外的因素是電子倍增CCD芯片,其中芯片上的增益和動態範圍,其他的增益相關的噪聲源,量子效率的評價,和注意事項的圖像傳感器的冷卻要求之間的關係的性能方麵具有重要意義。 碰撞電離過程中,在專門的串行寄存器的電子轉移過程中產生的電荷增益的效率依賴於溫度成反比。 產生的二次電子的概率隨著溫度下降,因而一個精心設計的冷卻係統配備的相機是能夠在較低的時鍾電壓的設定值,以實現更高的增益值。

冷卻的最佳水平取決於相機上的係統和應用程序,但倍增增益隨溫度的變化示出,以避免將噪聲添加到所測量的信號保持精確的溫度穩定性的重要性。 所產生的熱在電子倍增CCD的暗電流產生的暗噪聲是相同的,在常規的CCD,並同樣減少了冷卻的傳感器。 與傳統的高性能檢測器,該傳感器通常是冷卻到一個溫度,在該溫度下,在預期的積分(曝光)的時間間隔是可以忽略不計的暗電流產生的散粒噪聲。 一旦暗噪聲遠低於噪聲與信號讀出,進一步冷卻不提供任何額外的實際利益。

電子倍增CCD攝像機芯片上的乘法運算時,利用讀出的噪聲電平的信號,提升,能夠檢測甚至單光子事件,必須認識到,任何未抑製暗電流的電平是顯著的,因為它是受一起相乘的信號。 因此,在理想的情況下,暗電流應完全消除在EMCCD,一些相機係統設計,以減少CCD溫度為攝氏-75度或更低的冷卻係統被並入。

需要注意的是不同的噪聲分量增強型CCD係統有關。 當信號被放大上述兩個暗電流和讀出噪聲在ICCD,使更多的冷卻不太有利的,增強光電陰極中產生的噪聲的另一個來源,簡稱為等效背景照度(EBI),發生在加強係統。 電子倍增CCD並沒有表現出EBI,總體而言,暗電流是一個不太顯著的限製,有效的散熱增強型CCD相機比EBI是EMCCD。 雖然增加冷卻可以降低EBI的光陰,更複雜的多組分結構加劇的CCD,通常包括光纖接頭有效的冷卻係統,更實用。

由於碰撞電離過程中利用在EMCCD的概率性質,統計的變化發生在芯片上的乘法增益。 產生的增益的不確定性引入了一個額外的係統噪聲分量作為過量噪聲係數 (或簡稱為噪聲係數 ),作為黑暗和在攝像係統中的光子產生的信號倍乘因子,這是定量評價。 多餘的噪音因素為不同的低信號的檢測器類型而異,應占的損失機製的組合(如果存在的話)的統計學偏差的電子倍增過程中所產生無論是在矽晶體的晶格中的EMCCD或微通道板ICCD。

傳統的CCD,沒有任何重大損失機製或額外的噪聲放大過程的統一,具有噪聲係數一樣EMCCD利用正常的的時鍾電壓和不產生倍增增益。 隨著越來越多的增益設置,統計變化開始添加額外的噪聲,其幅度取決於信號電平的增益和。 根據理論的電子倍增過程中,多餘的噪聲係數是約1.4的增益電平在很寬的範圍內。 實驗測量通常較低,倍增增益係數在1.0和1.4之間的範圍可達1000倍。 值1.3是一種常見的說法的平均為EMCCDs,在噪聲因素加劇的CCD,采用第二代和第三代拍攝和無膠片光陰的1.6至2相比。 攝製的圖像增強器一般具有較高的噪聲因素,因為電子的電影施加的額外損失機製。

一個EMCCD噪聲現象存在,並沒有等效加劇的CCD,被稱為雜散電荷時鍾感生電荷(CIC)。 當電子被轉移的定時脈衝的影響下,通過倍增寄存器,時鍾波形的急劇屈折變化產生碰撞電離,在一小部分的轉移,甚至與正常時鍾電壓。 此外,時鍾脈衝可能會產生二次電子,即使在沒有一次電子轉讓本。 時鍾波形的幅度和邊緣通過仔細操縱,製造商可以最大限度地減少CIC,這通常是估計在約100傳輸產生隻有一個電子。 即使是在高性能,低噪聲常規的CCD,完全失去了時鍾感生電荷讀出噪聲,但是EMCCD在高增益設置,產生額外的CIC,一般被視為額外部分的暗相關的信號。

時鍾感應電荷是獨立的曝光時間,但是,因為它是由於碰撞電離,它通常被認為是隨著溫度的降低而增加,正如電子倍增一樣。 當EMCCDs用在高增益,單電子事件記錄圖像中的尖峰,從CIC任何貢獻似乎是可見的。 EMCCD在典型的操作條件下,背景事件,從而導致這樣的尖峰,而不是讀出噪聲,確定相機的檢測極限。 近期暗的圖像由一個製造商在各種冷卻溫度下進行的測試表明CIC貢獻,無論是暗電流,它不會出現設置一個冷卻限製,低至-95攝氏度的溫度降低。 在這些測試中,出現上麵的讀出噪聲背景尖峰暗電流,並顯著減少,溫度降低。

的電子倍增CCD的信號-噪聲比(SNR)的評價需要在計算中應用的CCD傳感器的常規表達式進行修改以反映芯片上的乘法增益和過量的噪聲係數的效果。 有效SNR是相當於從所有來源的組合噪聲除以積分區間期間檢測每個像素的光子的總數,如下所示:

 

SNR = (S ⋅ Qe) / Ntotal

 

其中S代表每個像素的入射光子的數量,和Q(e)的量子效率,實際檢測到的信號的總光子或比例。N(total),根據以下結合幾個變量表示的係統中的總噪聲
Ntotal = [(S ⋅ Qe ⋅ F2) + (D ⋅ F2) + (Nr / M)2] 1/2

其中,F表示多餘的噪聲係數,D是總的暗信號,N(r)是相機的讀出噪聲,且M是芯片上的乘法增益。 在分母中的噪音條款表示熟悉的CCD噪聲成分,光子散粒噪聲,暗噪聲,讀出噪聲,分別用適當的修改考慮到具體的過程中,芯片上的乘法增益損耗機製和統計噪聲源。 這是通過將多餘的噪聲因數(F)的前兩個條件,相乘的增益因子(M),以讀出的噪聲項。 有效射門噪聲和暗噪聲增加多餘的噪聲係數,同時實現倍增增益增益寄存器讀出噪聲降低了。

的固態芯片上的電子倍增的電子倍增CCD給出了一些加強的CCD芯片,其中保存的空間分辨率的CCD,量子效率和優越的性能,由於不被約束的增強熒光體的局限性決定的優勢。 在比較不同類型的檢測器的量子效率,所有損失機製和統計噪聲源的效果必須加以考慮。 在得到的有效量子效率,電子倍增CCD的,尤其是背照式的版本而言,表現出更廣泛和更高的量子效率比任何其他低光檢測器的值。

正如前麵所討論的,可以采用電子倍增增益可以克服任何讀出噪聲,盡管它是可取的,以盡量減少這一因素,因為在一定程度上,在傳感器的動態範圍(圖5(b)中示出)的限製,增加增益的結果。 雖然的照相機係統的模擬 - 數字轉換器的位深度確定最大動態範圍,在超出所需克服的讀出噪聲的增益電平,動態範圍將降低,因為相乘後的信號超過像素的全阱容量和/或放大器的輸出能力。 通過采取具體的設計步驟,以最大限度地提高全井深和放大器吞吐量,中等增益和高幀速率,能夠提供高比特深度成像相機製造商。 因為這需要進行優化,以較高的速度讀出放大器讀出噪聲規範必然增加。 用人的EMCCD乘法增益克服增加讀出噪聲,但遭受了係統的動態範圍,限製使用相機經得起慢讀出明亮的信號。 保持充分的動態範圍,一些電子倍增攝像係統配備雙放大器(參見圖6),慢掃描的寬動態範圍的應用,如明場或熒光成像,包括常規的單元,以及一個高速放大器高靈敏度的操作,需要使用的芯片上的增益。 這樣的組合提供了一個攝像係統,與傳統的CCD分辨率高,量子效率高,可實現的具有最高的靈敏度和寬動態範圍的優點。



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