计算emccd的动态范围

由于需要考虑EM增益和增益寄存器的扩展井容量，计算emccd的动态范围经常是一个混乱的来源。通过对EM增益的精细调整，可以在emccd中获得高动态范围。

动态范围(DR)由以下公式给出:DR =满井容量+检测极限

计算EMCCD相机的动态范围比计算传统ccd相机的动态范围稍微复杂一些。这是因为电磁增益对探测极限的有利影响，而电磁增益对全井产能的限制作用。解决这个问题的最简单方法是首先分别获取每个参数:

探测极限和电磁增益

EMCCD的主要功能是消除读取噪声检测限制，并使检测弱光子信号成为可能，否则将在该噪声底内丢失。对于EM增益，检测极限由“有效读取噪声”给出，即读取噪声除以增益乘法，直至一个电子。为什么不少于一个?这源于检测限的定义，其本质是“信号等于最低噪声级”。既然你不能得到小于一个光子的信号，那么探测极限就不应该小于一个电子。

例如，iXon Ultra 888在EM增益关闭的情况下，读取噪声为~45个电子@10 MHz。在EM增益x2处，新的检测极限可以认为是22.5个电子的有效读取噪声，在x5处为9个电子，在x45处为1个电子。在x100时，有效读噪声将为0.45个电子，但就动态范围计算而言，该检测极限仍必须视为1个电子。

满井产能和电磁增益

人们可能会认为，施加EM增益将成比例地降低全井像素容量。情况确实如此，但EMCCD相机中内置了一个缓冲器，在保持原始井容量的同时，至少可以获得一些EM增益。这个缓冲区在增益寄存器像素中以更高的容量的形式存在，在那里乘法实际发生。因此，真正的容量是由传感器像素的容量给出的，但是当您应用EM增益时，这只适用于增益寄存器像素的较大容量也被应用EM增益饱和的点。在此之后，您必须纠正传感器的“有效”满井等于增益寄存器的满井除以增益。

动态范围和电磁增益

上述因素结合起来意味着，随着EM增益的增加，动态范围将随着增益的增加而增加到最大值，然后趋于平稳，然后达到一个点，在这个点上，它开始随着进一步的增益而再次耗尽。

iXon Ultra 888背光EMCCD可以以30、20、10或1 MHz的速度读取。这为平衡动态范围和帧率提供了更大的灵活性。此外，OptAcquire可用于在最快和最慢的速度下选择最佳动态范围设置。

这看起来很复杂，但幸运的是，这些DR与EM增益关系可以很容易地绘制出来，并以图形形式可视化，如图1所示。

图1 - iXon Ultra 897的动态范围与EMCCD增益。显示EM放大器@ 17,10和1 MHz读出速度和传统放大器在1 MHz读出速度。用于DR计算的井容量是E2V的CCD97 512 x 512背照L3传感器的特性。通过任一放大器，动态范围仅超过14位最大值@ 1 MHz。

从这些情节中我们可以发现一些有趣的地方:

• 通过em放大器提供低于17 MHz的读出速度背后的基本原理是，帧速率可以与动态范围相权衡。您可以看到，通过EM放大器的最高动态范围来自最慢的1 MHz读出速度。
• 在通过电磁放大器的任何读出速度下，在等于该速度下读出噪声的电磁增益设置下，可以获得动态范围和灵敏度的最佳组合。此时DR达到最大值，有效读出噪声为1个电子(即刚好处于单光子灵敏度的边缘)。
• 在x1000 EM增益时，动态范围仅为400:1。过高的EM增益也会加速背照光emccd的EM增益老化(参见第7节)。x300或更低的EM增益足以优化灵敏度，同时确保动态范围不会过度受损。Andor建议将EM增益扩展到x1000的唯一场合是用于单光子计数实验。
• 最高的动态范围是通过传统的CCD放大器。
• 很明显，通过EM或传统放大器，实际传感器动态范围在1 MHz时仅超过14位。因此，在1 MHz时，将高动态范围输出与科学级、无噪声的16位a /D数字化相匹配变得非常重要。

注意:在给定的读出速度下，读出噪声与最大动态范围之间存在直接关系。较低的读出噪声提供较高的动态范围。用于计算动态范围的读出噪声规格必须关闭电磁增益，所有iXon规格表中都有引用。然而，我们注意到，另一家著名的EMCCD供应商选择引用他们的最低读取噪声值，而不是EM增益，而只是EM增益x4, x6或x10(取决于型号)。在这种情况下，要得到真实的读取噪声规格，您必须将引用的数字乘以x4、x6或x10。