EMCCD传感器电磁增益老化研究综述

当EMCCD相机首次引入时，它们使探测器性能达到了一个原始灵敏度水平，直到今天仍然无法超越。与任何新技术一样，这种新型传感器技术也存在许多问题，特别是“EM增益”的独特特性，以及如何在相机设计中最好地实现它的技术挑战。在本文中，我们将介绍为iXon EMCCD相机系列引入的功能，这些功能解决了这些挑战，并帮助iXon EMCCD相机成为EMCCD的黄金标准。

图1:iXon Life和Ultra EMCCD相机是最新的EMCCD成像相机，提供了EMCCD的最佳性能。这些模型遵循了之前模型中多年的技术发展和改进。

关于什么是EMCCD和EM增益以及它们如何工作的一般介绍，请参阅文章:什么是电子倍增CCD (EMCCD)相机．

使用RealGain™解决EM增益线性问题

对于早期的EMCCD相机，软件中选择的EM增益与相机应用的实际增益没有线性关系。虽然这个问题早就解决了，而且解决方案看起来很有逻辑，但至少在最初，这种非线性响应使用户更难进行这些相机所使用的定量测量。

解决电磁增益线性问题并在iXon相机系列中实现的解决方案被称为RealGain™．通过对电磁电压依赖性的详细分析，可以将软件中电磁增益与电磁值之间的非线性关系转换为线性关系。然后可以直接从软件线性增益尺度中选择真正的EM增益(即绝对信号乘法因子)，如图1所示。这意味着在非线性尺度上不再有任意增益单位的混淆-你想要的增益就是你得到的增益。使用iXon EMCCD相机，您可以简单地选择最佳增益来克服噪声并最大化动态范围。

图2 -用于iXon EMCCD系列相机的RealGain™校准-在所有冷却温度之间存在相同的线性关系。

几年后的2006年，安多为iXon EMCCD相机系列推出了一些重要的新技术创新。这些特别的步骤为EMCCD相机的应用设定了新的高标准，在单分子和其他定量生物物理学和新兴量子应用中找到了强大的市场。万博电脑网页版登录

图3 - 2011年的iXon X3 EMCCD相机模型这些型号后来被iXon Ultra和Life系列所取代。

温度补偿

不同的实验可能需要设置不同的冷却温度。深度冷却传感器对降低噪声有显著的好处，有利于长时间的曝光实验。EM增益依赖于温度，因此无论传感器工作温度如何，都具有线性增益响应的能力是重要的。Andor的RealGain™校准扩展到所有EMCCD冷却温度。因此，在-50°C或-100°C选择x300增益软件设置，可以得到相同的x300真实EM增益。这意味着，如果在多用户实验室和设施中设置发生变化，则无需重新校准iXon摄像机的EM增益。

解决新兴市场的老龄化问题

关于EMCCD相机最重要的问题之一是EM增益老化，以及在实践中这是否会影响相机在其工作寿命中的灵敏度。

传感器制造商E2V记录了一种效应，即EMCCD传感器在使用非常高的增益和信号水平的情况下，在很长一段时间内，EM增益函数会出现下降，称为“EM增益老化”。显然，如果这种影响损害了EMCCD相机的长期定量可靠性，那么它将是一个值得关注的问题，而且它已经被一些人认为是EMCCD技术的一个缺点。

为了确保EM增益随时间的稳定性，Andor在iXon EMCCD相机的设计、测试和实施过程中实施了一系列措施。iXon相机的配置可确保在标准使用相机的情况下，EM增益下降率最小。所采取的部分措施是设置适当的电磁增益限制，以及信号强度反馈警告(在电磁放大后)，以确保用户在施加过多的电磁增益和/或信号的能力方面受到更多限制。为iXon提供的EM增益尺度足以将信号提升许多倍，并在给定的信号强度和读出速度下使读噪声下限可以忽略不计。这些用户限制本身就显著降低了电磁增益下降的速度。

与EMCAL™Andor开发了一种独特的专利方法，用户发起EM增益自校准。这一实用工具使得只需轻触按钮即可重新校准iXon EMCCD相机，并且即使在多年的操作后，相机也能提供真实的EM增益值。

iXon EMCCD相机的真正寿命是多少?

那么iXon相机能使用多久呢?新兴市场的增长老龄化是否真的令人担忧?有两种方法可以回答这些问题:

• 受控测试以复制极端的使用场景
• 长期客户体验

控制测试

为了测试什么时候iXon相机将不再可用，这将是什么时候是点，EMCal将不再有效。时钟电压设置必须作为重新校准程序的一部分进行调整，最终将达到最大阈值，在此之后将不可能进一步调整，EM增益将开始减小。问题是，在典型使用情况下，这种情况什么时候会发生?

为了预测背光emccd中“增益寄存器”(信号放大发生在芯片上)的工作寿命，Andor对iXon 897摄像机进行了广泛和积极的测试，测试条件如下:

• 试验总时间:~14个月
• 在此期间相机的使用:连续，即每天24小时，每周7天
• 帧速率:高速:30帧/秒
• 电磁增益设置:x1000
• 光子/像素/帧:90
• 照亮像素数:~ 200,000(~阵列的75%)
• EMCAL:每天一次

换句话说，这些极端的操作条件是可以测试的。

结果

使用Andor的EMCAL™程序每天测量一次维持EM增益校准所需的时钟电压，所示的图表是通过从增益老化趋势导出的方程中外推生成的。

数字4-安铎背的老化剖面照亮iXonEMCCD相机．测试条件:连续24/7的操作;30帧/秒;通过增益寄存器每像素X90,000个电子;~ 20万像素照亮

这表明，在所采用的测试条件下，EMCCD校准在1000 x EM增益下连续运行7年后，将达到剩余可用时钟电压刻度的35%。

即iXon在7年24/7的最大增益使用后完美工作。

苛刻的测试条件

该测试中使用的参数组合代表了相当积极的采集条件。在此期间记录了约11亿张图像，每张图像约20万像素，对应于约22万像素通过增益寄存器以每像素x1000 EM放大放大!

大多数用户肯定不会让相机以30帧/秒的速度全天候连续拍摄。对于除光子计数外的绝大多数应用，EM增益设置通常限制在不超过x300。万博电脑网页版登录这里选择x1000 EM增益来提供最严格的测试条件。最后，阵列中75%的像素将受到均匀的高幅信号，就像施加在传感器上的一样，这是非常罕见的。在现实中，典型用户样本的发光物种将投射到像素的一个小得多的部分，因帧而异。

EMCAL™不会加速EM增益老化

重要的是要认识到，衰老的速度不会因使用安多的EMCAL™程序而加速。老化速率由传感器所受的光照和EM增益条件决定，而不是由EMCAL™决定。如果EM增益重新校准是通过在工厂手动调整时钟电压来完成的，唯一的区别将是相机将失去作用的额外时间。

长期客户体验

随着各种版本和型号的iXon相机在20年的大部分时间里被使用，我们可以自信地说，在典型使用中，EM增益老化不是iXon EMCCD相机的问题，因为许多这些相机仍然被常规使用，并且表现就像它们最初购买时一样。这证实了这些相机在实际长期使用下的实验测试是正确的。

结论

iXon EMCCD相机经过精心设计，在尽可能长的使用寿命内提供最佳性能。虽然EM增益是一个额外的方面和独特的这些相机型号，它不需要被视为一个问题。EM增益老化现象不被认为是对您的Andor iXon相机的定量可靠性的限制。事实上，通常是当支持计算机和软件最终无法通过大学或设施得到支持时，才会看到早期的iXon摄像机不再被使用。在这些情况下，更新到新的模型，如iXonUltra或Life EMCCD模型将使人们能够获得EMCCD技术的好处，如终极灵敏度和真正的量化，这是其他技术无法复制的。