理解电子倍增增益

了解电磁增益/技术注释01-20 / Rev 1.0

（在猛禽网站上完整的PDF副本可用）

电子倍增CCD (EMCCD)相机，如猎鹰III，可以用来检测非常微弱的信号，否则这些信号会丢失在相机的噪声底。使用传统的CCD来检测这些非常微弱的信号，通常需要较长的曝光时间(以集成可检测的信号量)和较慢的读出速率(以最小化读噪声)。然而，EMCCD相机可以用更短的曝光时间和更高的读出速率检测到这些相同的信号。这是通过在信号到达CCD传感器输出放大器之前对其施加EM增益来实现的，有效地降低了传感器的读噪声，降低因子等于所施加的增益量。

生产他们获得

EMCCDS具有位于常规CCD上存在的水平读出寄存器和输出放大器之间的附加寄存器（乘法寄存器）。从图像区域充电通过读出寄存器传输到乘法寄存器中，其中发生放大。通过碰撞电离实现的增益，随机加工，当电荷时产生二次电子的随机过程通过乘法寄存器的像素移位。该寄存器内的特定像素结构使得能够在从一个像素转移到下一个像素期间使用较高的电压。该高电压（通常几十伏）导致在每个转移期间产生的二次电子的有限概率。这些二次电子与像素中的原始电荷组合在一起通过乘法寄存器的其余部分传送，在每个后续像素传输期间经历进一步的放大。总增益是乘法寄存器末尾的像素的电荷量与该像素在乘法寄存器开始之前的电荷量。即使在使用相对高的传输电压时，在单个转移期间产生二级电子的概率（P）也非常低（通常小于2％）。因此，为了实现有用量的总增益，电荷必须经历许多转移，这是通过在乘法寄存器内具有许多像素来实现的。产生的总增益（G）与转移数量有关，即乘法寄存器中的像素数（n），通过关系：

G = (1 + p) n

在正常工作条件下，P通常在0.001到0.016范围内，N通常在500到600之间，这使得总增益值的范围很广。

例如，如果N = 577, P = 0.008，则:

G =(1 + 0.008)577≈99

而如果P在其中略有增加，即0.016，则:

G =(1 + 0.016)577≈9500

正如这些例子所证明的，总增益强烈地依赖于产生次级电子的概率，而次级电子又与电场强度(与施加的时钟电压有关)和发生传输的CCD硅的温度有关。通过iso9001认证的质量管理体系

控制EM收益的数量

EMCCD产生的总增益取决于传输次数(N)和产生二次电子的概率(P)，如上所述。传输次数N由乘法寄存器中的像素数指定，因此由CCD传感器制造商预先确定。然而，相机制造商可以通过调节传输时钟电压和CCD温度，为客户提供对P值的一些控制。传递时钟电压的幅值控制电荷在每次传递过程中所经历的电场，也就是发生冲击电离的时候。振幅越高，产生次级电子的可能性就越大。Falcon III软件命令允许用户通过12位(0 - 4095)数字-模拟(DAC)转换器调整时钟电压的幅度，从而控制产生的总增益。时钟电压和产生的总增益之间的关系是指数级的，通常DAC值高达3000时产生最小增益(<10×)。在较高的DAC设置下，增益呈指数级倾斜，DAC值的微小变化等同于增益的显著变化。降低传感器温度实际上增加了在传输过程中产生次级电子的可能性。因此，可以使用指定的时钟电压来获得更高的增益，或者反过来，可以使用较低的时钟电压来获得所需的增益。 The Falcon III camera has a high performance integrated cooling system which enables sensor temperatures down to -70°C to be reached. Under these conditions, high gain values can be achieved using relatively low amplitude clock voltages. The precise amount of gain produced within a sensor is very strongly dependent on both the clock amplitude and CCD temperature. However, the characteristics of individual devices will change over time due to ‘gain ageing’ which is discussed later in this document. Raptor Photonics EMCCD cameras, such as the Falcon III, do not attempt to offer the user controls labelled as ‘real’ or ‘actual’ gain based on semiempirical approximations, as the reported values will not be accurate 100% of the time.

EM增益的最佳水平

EM增益的基本用途是在信号到达输出放大器之前将其放大，从而使相机的读出噪声有效地变得可以忽略(与放大的信号相比)。通常，在读噪声的3到5倍范围内的EM增益水平就足以达到这一目的。猎鹰III摄像机在40MHz读数时的典型读噪值为70e- rms, EM增益OFF(即单位增益)。因此，在250×范围内应用EM增益将很容易克服相机的噪声底，使有效读噪声(neff) << 1e- rms，如下图所示:

读噪声与EM增益OFF EM增益70 250 neff = = = 0.28 e_ rms

在某些情况下，如真正的光子计数应用程序，用户可能希望增加EM增益到一个甚至更高的水平，比上面的插图所示。对于这些类型的应用来说，大约1000倍的EM增益水平已经足够了，但是如果进一步增加EM增益，通常会对传感器的成像性能和寿命产生负面影响。

过度增益的影响

当以过高的EM增益获取图像时，主要有两个影响:

1)动态范围减小

intra-scene动态范围(博士)成像系统定义的最亮的探测信号的比值(B)的探测信号弱(W)。传统的CCD图像区域像素的完全能力决定了最亮的探测信号的限制(忽略芯片上的装箱为简单起见)。然而，当使用高EM增益值的EMCCD时，最亮的可检测信号由可通过乘法寄存器传输的最大电荷量(CEM)设置。这种寄存器被设计成具有比图像像素高的全容量，以便在遇到饱和效应之前，某些(小)水平的EM增益可以应用于明亮信号。在高EM增益(G)设置时，乘法寄存器的输出电荷(C)与信号(S)的关系为:C = G x S在高EM增益值时最亮的可检测信号由条件C = CEM定义。从上面的方程表示为电荷(C)乘法注册,我们可以定义的最大充电(CEM):杰姆= G S杰姆= G x重新排列这方程和代替B, B给出了动态范围和EM增益之间的关系(在高增益的条件下):在这些条件下，最弱的可探测信号将是一个光子，它提供了一个最小的可探测信号，W = 1(照片)电子。因此，为了使系统的动态范围最大化，理想情况下应调整EM增益，使其仅达到相当于1个电子的最小可检测信号。增加EM增益到这个水平以上会降低系统的动态范围，因为最亮的可探测信号会降低，而最小的可探测信号在1光子的限制下保持不变。

2）获得老化

使用过度的EM增益的第二个影响是加速传感器老化，这是由于电荷通过倍增寄存器转移所经历的电场永久变化或减少所造成的。这种老化表现为在给定时钟电压幅值和CCD温度下产生的EM增益的降低。老化速率与所施加的时钟电压幅值和通过倍增寄存器的电荷量有关。更高的电压和更高的电荷量导致传感器更快的老化。与现有的所有商用传感器相比，“猎鹰III”中使用的传感器具有产生电磁增益所需的最低电压时钟幅度。

总结

•emccd是在VUV到近红外波长范围内进行微光探测的最灵敏的固态成像设备。

•emccd具有传统CCD探测器的许多优点，如低暗电流和优秀的图像均匀性，但还有灵敏度下降到单光子检测和提高帧率的额外好处。

•用于产生EM增益的冲击电离过程强烈依赖于电压时钟振幅、传感器温度和传感器历史。

•应用的EM增益的实际数量不能通过半经验近似准确定义，特别是在延长的使用期间。在某些情况下，“真实”或“线性”增益的实际值和所报告的值可能会非常迅速地彼此偏离。

•使用emccd的最佳经验法则是，使用刚好足够的电磁增益将检测到的信号从相机噪声层中带出来。

•过度的EM增益会降低系统的场景内动态范围，可能导致EMCCD传感器加速老化。

•与现有的所有商用传感器相比，用于Falcon III的传感器具有产生电磁增益所需的最低电压时钟幅值。

•优化EM增益的使用，并注意避免通过乘法寄存器过度电荷转移，将提供一个非常灵敏的相机系统，能够运行多年。