设为首页 | 添加收藏 |sitemap |百度地图 |
货真价实 坦诚无欺
新闻资讯

奥林巴斯显微镜成像,什么是EMCCDs?

2013-11-08  发布者:admin 

光学显微镜的数字成像科学电荷耦合器件(CCD)传感器的固有优势,它们无处不在各种各样的应用。 传统高性能CCD相机的几个显着的缺点之一是,非常低的信号电平通常落在下方的传感器的读出噪声本底,在数量限制的成像能力,目前生产的研究领域要求快速帧速率捕获极低的光照水平。 CCD读出噪声低光级以上的信号放大采用电子倍增 CCD技术的一种创新的方法。 在全固态传感器,通过将芯片上的的乘法增益(参见图1),EMCCD达到单光子探测灵敏度典型的强化或电子轰击CCD的低得多的成本,而不会影响的量子效率和传统的CCD的结构的分辨率特性。

区分这本小说的新技术的主要特点是加入一个专门的扩展串行寄存器CCD芯片上,通过在硅的过程中碰撞电离,产生倍增增益。 通过提高设备的读出噪声,即使在高帧速率的光子产生的电荷,EMCCD满足超低光成像应用的需要的能力,而无需使用外部图像增强器。 因此,该方法适用于任何当前CCD传感器硬件架构,包括背照式设备,并且采用电子倍增寄存器的传感器是相当少的制造成本昂贵,由于被直接结合到CCD结构的信号放大级。

目前的研究重点在生物医学科学的几个主要领域依赖于特定的靶向亚细胞结构或适当荧光单分子为了遵循生物过程的动态。 结合极​​其小的的标本体积和低荧光浓度在此类实验中使用的快速动力学要求高灵敏度和快速的帧速率的数据采集。 评价瞬变信号,低强度信号,如单分子调查,钙离子或其它离子的通量测定,时间分辨三维显微镜(2,4-D技术)中所遇到的,电子倍增CCD提供显着的优势超过设计的低信号电平的其他传感器。 此外,当与传统的荧光成像技术的较高的信号电平,EMCCD系统的极端敏感性,允许使用较低的荧光基团的浓度和/或降低来自激励源的功率电平,从而减少潜在毒性的活细胞,和光漂白的荧光探针。

基于CCD探测器的性能已得到显着改善,近年来,和更高的灵敏度显着降低了高性能,低光成像系统的检测限。 量子效率超过了90%,读出噪声被限制为小于2电子(方均根)在某些背照式CCD摄像机。 这个级别的读出噪声性能是可以实现的,只有在适度的读出速率,但是传统的CCD传感器。 当执行成像时在视频帧速率和更快的读出噪声增加至不可接受的程度,相对于信号的,在低光照条件下。

一个行之有效的解决方案需要更高的帧速率时的读出噪声限制历来聘请数乘以标本光子发射前检测和读出由传统的CCD图像增强。 在这种方法中,这是基于类似的光电倍增管的动作原理,信号被放大到所需的帧速率读出产生的噪声电平超过。 增强型CCD(ICCD)相机系统是目前最常用的成像方法的低光技术,如时间分辨荧光实验,比成像离子敏感的荧光染料,在活细胞单分子荧光和其他动态研究。 这些系统有时也被称为作为接近中心的影像增强器 ,利用紧密耦合的微通道板(MCP)电子倍增器的光电阴极。

从MCP输出的放大后的电子被加速到荧光屏的电子转换成光子,而其后在CCD表面的光学的中继透镜或光纤耦合直接通过中继由一个高的电势差。 由于从2500-5000伏的电位差保持跨分离组件的ICCD的间隙来加速电子,高的内部真空是必要的,在规定的移动设备以精确地装配和完全无污染物。 因此,制造成本比较高,目前的增压器,以及若干其他缺点,其中降低空间分辨率相比,相当于常规(非强化)的CCD,高背景噪声,相对较低的量子效率(图2),和易感性从暴露在高光水平不可逆的损坏。 ICCD的分辨率最终是由光电阴极,微通道板的输出荧光体的分辨率的限制。

电子轰击的CCD的(EBCCD)是一个广泛使用的检测器的变化为低照度摄像机系统,相似加剧的CCD,采用的光电阴极的光子到电子的转换,然后在一个高电压梯度由加速度。 高能电子撞击直接在薄型背照式CCD,在那里他们生成多个电荷,导致适度的信号增益。 该设备可以工作在视频的帧速率,但有限的增益调整范围,并表现出类似的缺点,包括增强型CCD量子效率降低和分辨率,和潜在的外在形象,加强元件损坏,如果暴露在高光水平。 该电子倍增CCD芯片上的乘法增益用人的发展提供了基础的摄像机实现信号的增益,使用外部的增强的系统的好处,同时保持习惯的CCD优点高,频谱宽的量子效率(图2),完全原生像素的分辨率,以及高光级别损坏的免疫力。

片上倍增增益

通过集成于每个像素的信号读出之前,为了克服噪音,这是对每一帧仅产生一次读的过程中,传统的冷却CCD摄像机可以达到比较高的灵敏度。 在低光照水平,需要长时间曝光,以积累足够的信号,实现探测器的最大读取噪声性能。 因此,最大帧速率限制为每秒几帧的帧的一个相对缓慢的部分。 合适的“慢扫描”的信号采集,探测器可以工作在光子散粒噪声限制制度在实际应用中,传统的背照式CCD系统提供优越的整体性能,包括最大的量子效率(如在图2中示出,其中需要考虑噪声因素与电子倍增)。 然而,当它是需要捕获时间的数据,需要视频帧速率或更快,在非常低的光照水平,传统的CCD摄像机是从根本上限制读出噪声。

的电子倍增CCD采用了结构的增强所捕获的信号放大之前的电荷转移到芯片上的放大器,该放大器的读出噪声和信号的关系,由乘法增益系数的值减少的效果。 非常弱的检体的信号电平,因为可能会产生电荷包从一个单一的像素,只有极少数的电子,即使从一个高性能的CCD读出缓慢,在读出噪声信号丢失。 EMCCD的主要优点是提供一种机制,以改善低于CCD读底噪声的信号电平的信号 - 噪声比。 在实际应用中,需要极快的门控(纳秒级),EMCCD是不恰当的,而且加剧的CCD保持优势,在这种类型的快速动力学数据收集。

电子倍增CCD传感器是利用传统的CCD制造技术相对简单的结构修改。 EMCCD的一个独特的特点是一个移位寄存器和输出放大器,简称为倍增寄存器增益寄存器的末尾之间的电子倍增结构。 这种特殊的扩展串行寄存器提供在器件的有源像素阵列的光子检测后的乘法增益,因此,该技术可以适应任何电流的CCD的结构和格式。 最广​​泛使用的传感器所产生的两个公司率先技术采用帧传输体系结构中,相机厂商也推出了背照式电子倍增CCD的版本的基础上的系统。

图3中示出,其中的增益寄存器被添加到的帧传输的芯片面积,和传统的串行寄存器的电荷转移路径,前片上的功能布局的帧传输式电子倍增CCD电荷 - 电压转换电路。 额外的寄存器的结构的不同的定时的移位寄存器中,电子被加速的各个元素之间的应用在一些传输电极的电压高得多的时钟倍增寄存器。 通过施加高于正常电压,当电荷转移产生的二次电子碰撞电离的过程中,在硅。 在增益乘以寄存器,每个阶段包括四个门,其中三个是主频为常规的3相结构,与第四(阶段1和2之间)被关押在一个较低的固定的直流(DC)的潜力。

图4示出了通过栅极的电荷转移。 请注意,时钟阶段1和3(R1R3)的栅极驱动脉冲正常的潜力,这通常是在5至15伏的顺序(注意,R1栅极零电位为图4中所示的定时相)。 可以采用这些门中使用的相同的阶段经常读出寄存器的时钟脉冲。 第2阶段(图3中的R2)的时钟频率为较高的电压(35-50伏)之前,保持在一个低的DC电平(表示在图4中由低DC栅极)的栅极。 固定电平的栅极和高电压栅极时钟结果在足够的电场强度,以维持碰撞电离过程中作为电子从阶段1到阶段2,在正常的定时序列之间的电位差。 虽然仅在1.01至1.016的顺序每次传输的电荷倍增,倍增寄存器中的像素(水平像素阵列的大小依赖于)大量积累的增益是实质性的,并且可以是几百或几千。 乘法增益指数是正比于所施加的高阶段2电压,并通过不同的时钟电压,可以增加或减少。

图5(a)示出的增益的指数增加,伴随着增加的幅度定时施加电压的第2阶段的电极。 很明显,相对较小的调整的电压超过一定值时,在芯片上的乘法增益大的变化的结果。 在EMCCD相机系统,该电压的调整,通常映射到一个高分辨率的数字 - 模拟转换器,它可以精确地控制通过计算机软件。 尽管非常低的概率发生碰撞电离和低平均每级增益,整体增益因子的乘法寄存器中可以很容易地超过1000倍,由于大量像素的电子的电荷包生长在级联时尚。 产生二次电子的概率是依赖于在串行时钟的电压水平和CCD温度,如上文所述,典型的范围为1〜1.6%。 虽然是由一个复杂的函数,所述的二次电子的产生的概率(M)的级联倍增寄存器中的元素的总增益由以下

M = (1 + g)N

其中g是的概率产生的二次电子 N是倍增寄存器中的像素的数目。 的CCD具有512个元素在增益寄存器和冲击电离几率为1.3%(0.013),因此,会产生一个电荷倍增总收益超过744。

由于时钟电压增益的乘法(指数)的关系,可调节范围宽,允许设置增益以足够高的水平,有效地降低到微不足道的水平,在大多数成像条件下,读出噪声。 由于乘法增益设置增益的水平相当于电子读出噪声,利用读出频率,独立的读出速度,产生一个有效的电子均方根噪声。 超出此范围,增加收益减少噪音电子水平。值得注意的是,通过利用更高的增益设置在更高的帧速率,这种噪声性能可以在任何速度下实现的。 作为一个例子,一个电流的高性能的背照式电子倍增CCD,具有读出噪声规格60电子rms的频率是10兆赫兹,可以实现与任何片上的的乘法增益值大于或等于60的一个子电子的有效噪声电平。

额外的噪声和性能变量

几个额外的因素是电子倍增CCD芯片,其中芯片上的增益和动态范围,其他的增益相关的噪声源,量子效率的评价,和注意事项的图像传感器的冷却要求之间的关系的性能方面具有重要意义。 碰撞电离过程中,在专门的串行寄存器的电子转移过程中产生的电荷增益的效率依赖于温度成反比。 产生的二次电子的概率随着温度下降,因而一个精心设计的冷却系统配备的相机是能够在较低的时钟电压的设定值,以实现更高的增益值。

冷却的最佳水平取决于相机上的系统和应用程序,但倍增增益随温度的变化示出,以避免将噪声添加到所测量的信号保持精确的温度稳定性的重要性。 所产生的热在电子倍增CCD的暗电流产生的暗噪声是相同的,在常规的CCD,并同样减少了冷却的传感器。 与传统的高性能检测器,该传感器通常是冷却到一个温度,在该温度下,在预期的积分(曝光)的时间间隔是可以忽略不计的暗电流产生的散粒噪声。 一旦暗噪声远低于噪声与信号读出,进一步冷却不提供任何额外的实际利益。

电子倍增CCD摄像机芯片上的乘法运算时,利用读出的噪声电平的信号,提升,能够检测甚至单光子事件,必须认识到,任何未抑制暗电流的电平是显着的,因为它是受一起相乘的信号。 因此,在理想的情况下,暗电流应完全消除在EMCCD,一些相机系统设计,以减少CCD温度为摄氏-75度或更低的冷却系统被并入。

需要注意的是不同的噪声分量增强型CCD系统有关。 当信号被放大上述两个暗电流和读出噪声在ICCD,使更多的冷却不太有利的,增强光电阴极中产生的噪声的另一个来源,简称为等效背景照度(EBI),发生在加强系统。 电子倍增CCD并没有表现出EBI,总体而言,暗电流是一个不太显着的限制,有效的散热增强型CCD相机比EBI是EMCCD。 虽然增加冷却可以降低EBI的光阴,更复杂的多组分结构加剧的CCD,通常包括光纤接头有效的冷却系统,更实用。

由于碰撞电离过程中利用在EMCCD的概率性质,统计的变化发生在芯片上的乘法增益。 产生的增益的不确定性引入了一个额外的系统噪声分量作为过量噪声系数 (或简称为噪声系数 ),作为黑暗和在摄像系统中的光子产生的信号倍乘因子,这是定量评价。 多余的噪音因素为不同的低信号的检测器类型而异,应占的损失机制的组合(如果存在的话)的统计学偏差的电子倍增过程中所产生无论是在硅晶体的晶格中的EMCCD或微通道板ICCD。

传统的CCD,没有任何重大损失机制或额外的噪声放大过程的统一,具有噪声系数一样EMCCD利用正常的的时钟电压和不产生倍增增益。 随着越来越多的增益设置,统计变化开始添加额外的噪声,其幅度取决于信号电平的增益和。 根据理论的电子倍增过程中,多余的噪声系数是约1.4的增益电平在很宽的范围内。 实验测量通常较低,倍增增益系数在1.0和1.4之间的范围可达1000倍。 值1.3是一种常见的说法的平均为EMCCDs,在噪声因素加剧的CCD,采用第二代和第三代拍摄和无胶片光阴的1.6至2相比。 摄制的图像增强器一般具有较高的噪声因素,因为电子的电影施加的额外损失机制。

一个EMCCD噪声现象存在,并没有等效加剧的CCD,被称为杂散电荷时钟感生电荷(CIC)。 当电子被转移的定时脉冲的影响下,通过倍增寄存器,时钟波形的急剧屈折变化产生碰撞电离,在一小部分的转移,甚至与正常时钟电压。 此外,时钟脉冲可能会产生二次电子,即使在没有一次电子转让本。 时钟波形的幅度和边缘通过仔细操纵,制造商可以最大限度地减少CIC,这通常是估计在约100传输产生只有一个电子。 即使是在高性能,低噪声常规的CCD,完全失去了时钟感生电荷读出噪声,但是EMCCD在高增益设置,产生额外的CIC,一般被视为额外部分的暗相关的信号。

时钟感应电荷是独立的曝光时间,但是,因为它是由于碰撞电离,它通常被认为是随着温度的降低而增加,正如电子倍增一样。 当EMCCDs用在高增益,单电子事件记录图像中的尖峰,从CIC任何贡献似乎是可见的。 EMCCD在典型的操作条件下,背景事件,从而导致这样的尖峰,而不是读出噪声,确定相机的检测极限。 近期暗的图像由一个制造商在各种冷却温度下进行的测试表明CIC贡献,无论是暗电流,它不会出现设置一个冷却限制,低至-95摄氏度的温度降低。 在这些测试中,出现上面的读出噪声背景尖峰暗电流,并显着减少,温度降低。

的电子倍增CCD的信号-噪声比(SNR)的评价需要在计算中应用的CCD传感器的常规表达式进行修改以反映芯片上的乘法增益和过量的噪声系数的效果。 有效SNR是相当于从所有来源的组合噪声除以积分区间期间检测每个像素的光子的总数,如下所示:

 

SNR = (S ⋅ Qe) / Ntotal

 

其中S代表每个像素的入射光子的数量,和Q(e)的量子效率,实际检测到的信号的总光子或比例。N(total),根据以下结合几个变量表示的系统中的总噪声
Ntotal = [(S ⋅ Qe ⋅ F2) + (D ⋅ F2) + (Nr / M)2] 1/2

其中,F表示多余的噪声系数,D是总的暗信号,N(r)是相机的读出噪声,且M是芯片上的乘法增益。 在分母中的噪音条款表示熟悉的CCD噪声成分,光子散粒噪声,暗噪声,读出噪声,分别用适当的修改考虑到具体的过程中,芯片上的乘法增益损耗机制和统计噪声源。 这是通过将多余的噪声因数(F)的前两个条件,相乘的增益因子(M),以读出的噪声项。 有效射门噪声和暗噪声增加多余的噪声系数,同时实现倍增增益增益寄存器读出噪声降低了。

的固态芯片上的电子倍增的电子倍增CCD给出了一些加强的CCD芯片,其中保存的空间分辨率的CCD,量子效率和优越的性能,由于不被约束的增强荧光体的局限性决定的优势。 在比较不同类型的检测器的量子效率,所有损失机制和统计噪声源的效果必须加以考虑。 在得到的有效量子效率,电子倍增CCD的,尤其是背照式的版本而言,表现出更广泛和更高的量子效率比任何其他低光检测器的值。

正如前面所讨论的,可以采用电子倍增增益可以克服任何读出噪声,尽管它是可取的,以尽量减少这一因素,因为在一定程度上,在传感器的动态范围(图5(b)中示出)的限制,增加增益的结果。 虽然的照相机系统的模拟 - 数字转换器的位深度确定最大动态范围,在超出所需克服的读出噪声的增益电平,动态范围将降低,因为相乘后的信号超过像素的全阱容量和/或放大器的输出能力。 通过采取具体的设计步骤,以最大限度地提高全井深和放大器吞吐量,中等增益和高帧速率,能够提供高比特深度成像相机制造商。 因为这需要进行优化,以较高的速度读出放大器读出噪声规范必然增加。 用人的EMCCD乘法增益克服增加读出噪声,但遭受了系统的动态范围,限制使用相机经得起慢读出明亮的信号。 保持充分的动态范围,一些电子倍增摄像系统配备双放大器(参见图6),慢扫描的宽动态范围的应用,如明场或荧光成像,包括常规的单元,以及一个高速放大器高灵敏度的操作,需要使用的芯片上的增益。 这样的组合提供了一个摄像系统,与传统的CCD分辨率高,量子效率高,可实现的具有最高的灵敏度和宽动态范围的优点。