EMCCD -区分事实与虚构

在这篇文章中，我们讨论了一些关于EMCCD相机的常见误解，并将事实与虚构区分开来。我们向安多尔相机专家Adam Wise博士和Alan Mullan博士询问了一些关于EMCCD相机的常见问题。

首先，您能简要解释EMCCD与普通CCD和sCMOS传感器的区别吗?

亚历山大-伍尔兹-当然-“EMCCD”是电子倍增电荷耦合器件。这里的关键部分是“电子倍增”——电子可以在电场中四处移动，当它们快速移动并击中某物时，释放出更多的电子。例如，从一个电子开始，重复这个技巧几次，现在你就有了很多电子。不出所料，很多电子比一个电子容易测量得多。很长一段时间以来，人们一直使用类似的方法来测量光，使用的是光电倍增管(pmt)，但在这里，这一切都发生在一种叫做CCD的硅光传感器中。还有一种被称为apd的单元素探测器，它利用类似的效果来测量非常小的光信号。这是EMCCD和其他相机技术的关键区别——在传感器中放大电子以测量非常非常小的信号的能力——小到单个光子。

图1:EMCCD相机的EM增益寄存器使即使是最微弱的信号也能比背景噪声放大许多倍，以应对异常的信噪比。

使用EMCCD相机是否比sCMOS更复杂?

我-在sCMOS探测器上使用EMCCD真的不应该更复杂-但一些复杂性归结于相机功能是如何在采集软件中实现的。如果是sCMOS或EMCCD相机，除了曝光和拍摄区域的大小，你还有不同的采集选项。这将影响相机的运行速度，即每秒多少帧或赫兹和动态范围，即饱和度前图像中最弱到最亮的信号。最终，这些成像选项如何在软件中呈现给用户，将决定成像是否容易理解。我认为，大多数现代软件，无论是我们自己的，还是来自第三方的，近年来都专注于易用性，提高了可用性。

例如，我们引入了一个叫做Optacquire在我们的软件中，这是一个方便的方法来设置相机，例如快速或非常长的曝光成像，相机的设置会自动调整，以适合什么工作最好。

一个人怎么知道要用多少电磁增益?

亚历山大-伍尔兹-越来越多的电磁增益的回报递减。理想的用量是越少越好。对于大多数应用来说万博电脑网页版登录，这意味着使用与传感器的读噪声相等的EM增益，从而有效地将读噪声降低到1个电子。更多的电磁增益的好处，嗯，可能是显而易见的:你将信号放大很多，这使它更容易被探测到。但缺点就不那么明显了:当你把信号放大得更多时，就会产生大量的电子，这些电子在被计数之前必须被存储在某个地方(或者我们常说的“读出”)。该存储空间在我们的规格表中称为“EM增益寄存器深度”。最终，存储空间会被填满(或“饱和”)，而这可能发生在您想要测量的最大信号之前。当电磁增益非常高时，这种情况会很快发生。另一方面，当适度使用EM增益时，它将为更大范围的昏暗和明亮信号留下更多空间。我们可以用动态范围-可测量信号的最大与最小之比。我们可能真的很关心最大动态范围——例如在做定量荧光测量时。或者我们可能根本不关心——如果我们在做单个光子的测量，我们可能只是寻找“光子”或“没有光子”，并想要最大的灵敏度。

我听说过新兴市场增长老龄化——这是人们需要担心的事情吗?随着时间的推移，相机的性能会下降吗?

亚历山大-伍尔兹我认为尊重新兴市场收益很重要，但“担心”是没有必要的。这当然是会发生的事情，但在正常情况下，需要很多年才能产生实际的变化。使用最小EM增益的主要原因是为了保持我之前提到的动态范围，而不是为了避免增益老化。我们在战场上经常看到使用了10年或10年以上的相机，它们每天都在使用，而且功能完好。

我-我同意亚当斯关于这个问题的评论，这是一个不可能的问题。我想这其中有一部分是由没有很好的EMCCD选择的相机制造商提出的，因为你试图寻找一个角度来引导人们走向你提供的其他解决方案。既然我们有很好的EMCCD和sCMOS相机选项，我们希望是应用程序的需求决定了需要什么样的相机。

有很多iXon的客户使用的是10-15岁的老款相机，正如所说的，他们仍然在使用自己的相机，没有任何问题。可能只有软件和个人电脑的更新才会迫使他们换新机型。所以，我认为这解决了关于EMCCD的流言。

95% QE的sCMOS相机的灵敏度是否与EMCCD相同或更好?

我-我看到这种说法，但它是错误的，或者它的背景肯定是误导。EMCCD和sCMOS确实具有相当的峰值QE(90-95%)，因此它们将光子转换为电子的能力高达95%的效率。但这之后在传感器中发生的事情是不同的，这就是为什么当你真正需要它的时候，EMCCD是最敏感的探测器……在光线较弱的情况下。再一次，这是由于能够使用EMCCD相机的电子倍增，将信号放大1000倍，然后由相机读出信号，就像亚当描述的那样。在低信号水平，这意味着EMCCD相机多次增强信号，因此它可以读出一个非常高的信号，远高于相机的噪声，所以读取噪声本身是可以忽略的。对于基于CMOS的相机，即使有高的QE能力，低电平信号也不会以这种方式增强，不会增加到高于相机的噪声，所以不会产生可用的数据。

亚历山大-伍尔兹-如果我们以客观的方式比较不同的相机，这是很容易证明的。许多人已经用最新的模型做了这些比较，当需要低光子水平的灵敏度时，比如在单分子检测实验或活细胞共聚焦实验中。通常情况下，iXon EMCCD相机提供了更好的结果。EMCCD相机允许在这些光水平上进行量子和生物物理学应用所需的可靠定量测量和光子计数。万博电脑网页版登录sCMOS只是没有同样的能力。

我我还想提到的另一件事是，我们经常在讨论量化宽松高峰。如果我们离开量化宽松的峰值EMCCD相机有蓝色或近红外范围的高QE扩展选项．用于显微镜的CMOS传感器趋向于在可见范围内有一个下降的峰值。

图2:EMCCD相机的EM增益(右)意味着信号可以被检测到，仅靠高QE和低读噪声(左)是无法检测到的。

EMCCD的额外噪声源是什么?

亚历山大-伍尔兹-有些问题可能超出了我们的讨论范围。在我们学习中心的文章中有更多的信息有关电磁ccd的噪声源．简而言之，电磁ccd显示出少量额外的背景噪声，称为“时钟感应电荷”(CIC)。这些图像显示为一个非常弱的“盐和胡椒”背景——一些随机计数在图像之间波动，每像素概率非常低。你应该意识到这一现象，以免对此感到惊讶，但请记住，sCMOS相机还有各种各样的噪声源，这些噪声源往往更有问题。同样，我上面描述的EM增益机制是随机的- n个电子进入，通常(n*增益)电子出来，但有时它可能略高于或略低于平均值。放大是高的，但是我们可能有少量的不确定性关于我们开始有多少个电子。这种不确定性被称为“多余噪声因素”，你可以看到它是如何影响测量的在这里．

QE真的会在EMCCD相机里被切成两半吗?

亚历山大-伍尔兹-所以我在上面描述了emccd的“诀窍”——让一个电子通过一个电势，当它“撞击”时，更多的电子被释放出来。你可以想象，这是一个随机的过程你可能会在每个循环中，为每一个原子失去0,1,2，或更多的电子。在许多个放大周期的末尾，开始时我们有多少个电子是不确定的。我们称这种不确定性为“过剩噪声因子”，或称ENF，在emccd中，它的定量值是√2——也就是说，“信号输出”与“信号输入”的标准差之比是√2。在某些应用中，这万博电脑网页版登录可能会使相机表现得好像它有一个较低的量子效率。

然而，在光子计数应用中，我们并不过分担心这种定量的不确定万博电脑网页版登录性——我们想知道我们是否捕获了一个光子，只要我们能将单个事件提高到探测器的背景噪声之上，这在EMCCD中是可以做到的，我们就很高兴了。

随着CMOS技术的发展，还需要EMCCD相机吗?

亚历山大-伍尔兹-是的，它仍然是一项重要的技术，特别是在均匀性和低暗电流方面。我认为这种情况短期内不会改变。

我——的确如此!我们会说，没有一个相机可以做所有的-无论是这是显微镜或任何其他成像领域。基于CMOS的相机具有低噪声、高速和宽视场等特点，使其更适合于多种应用。万博电脑网页版登录但EMCCD和深冷CCD相机在某些应用中仍然工作得很好。万博电脑网页版登录

图3:根据不同的成像实验需要，可以选择EMCCD和sCMOS相机。

EMCCD摄像机通常在sCMOS或其他探测器类型上使用?

我iXon EMCCD相机是用于单分子研究的主要相机。当然，SCMOS在一些研究中使用，但EMCCD相机更适合处理这些非常微弱的信号。EMCCD在实际应用中可以更快——例如，与EMCCD相比，sCMOS相机的曝光时间可能需要增加2-4倍。

EMCCD的另一个领域深冷却CCD，用于荧光素酶报告系统的发光实验。这类实验使用许多秒或几分钟的曝光，这是CMOS技术传感器不擅长的一个领域。问题是暗电流——即传感器本身产生的噪音，随着时间的推移而增加。我们可以像Sona-6系列或Neo sCMOS一样冷却sCMOS相机，并最大化可用曝光和减少传感器的其他缺陷，但当我们超过2-5秒时，暗电流仍然是一个问题，并很快变得更糟。发光信号是非常微弱的，要做这些实验，你需要保持背景噪声尽可能低，并通过长时间曝光来捕捉信号。EMCCD和深冷CCD的暗电流比CMOS低100倍，因此它们可以在许多秒甚至20分钟的低背景下获得非常微弱的发光发射。对于这类应用万博电脑网页版登录在活的有机体内当你在长时间研究基因表达时，你真的需要一个EMCCD(或深冷CCD)。

还有其他关于EMCCD的问题吗?

我——我认为另一个人有一个iXon或其他EMCCD相机,10岁,工作得很好,他们会得到任何受益于新车型的像一个超888或生活模式,还是应该搬到一些新的sCMOS模型?我想说的是PC的变化，比如windows 10，以及对这些老型号的硬件和控制卡的支持，才是主要问题。性能方面，升级到更新的iXon Ultra型号会有更好的性能——电子设备会随着时间的推移而更新和完善，所以噪音会更少，速度也会更快。如果它是一个具有小传感器尺寸的模型，那么iXon Ultra 888具有与流行的sCMOS格式相同的传感器区域，因此也将提高视野。如果他们的成像发生了变化——可能是看到了更低的放大倍率，或者他们不需要使用EM增益/或只使用一个低增益，那么就有可能改变为sCMOS，值得演示新的EMCCD和sCMOS来决定。

亚历山大-伍尔兹-一些我经常遇到的问题，我还没有真正回答上面是“我应该从什么相机设置开始?”以及“为什么我在某个信号电平饱和?我强烈建议您查看我们精彩的Optaquire功能，这基本上是一个向导，根据您的样本或实验的细节，为采集设置提供一个良好的起点。”一般的ccd，特别是emccd，与sCMOS相机相比，有很多可调节的采集参数。这让我们以一些复杂性为代价获得了额外的灵活性，我相信在选择设备时至少应该考虑到这一点。

关于作者

亚当智慧,博士

亚当是一名现场应用专家，总部位于万博电脑网页版登录美国东部大费城地区。他的学术研究集中在拉曼和共轭聚合物的单分子光致发光光谱，并于2012年在新墨西哥大学获得约翰·格雷博士学位。离开学术界后，他一直从事光谱学和光学研究，主要研究仪器仪表。请随意联系他任何科学成像或光谱学问题。

艾伦•马伦博士

艾伦是位于北爱尔兰贝尔法斯特的Andor技术公司的显微镜相机产品专家。这使得图灵能够接触到许多不同领域研究人员的成像需求，以及成像传感器技术的最新发展。艾伦自己的研究背景是微生物学，包括开发成像和表征与重要环境和感染过程相关的细菌运输系统和细胞内聚合物代谢的技术。在加入Andor Technology之前，Alan曾在医疗诊断、食品和制药行业从事应用和技术工作。