建立科学相机的灵敏度

图1 - 10mhz读出速度下背照iXon emccd的EM增益与EM增益- off信号噪声图-适用于897,860和888型号。

人们经常质疑是否使用EMCCD增益或是否使用EM或传统的CCD放大器(依赖于模型)。答案通常取决于所需的帧率和光照水平。信噪比与信号强度的关系图对决策具有指导意义。在这里，我们介绍了电磁ccd中信号到噪声的概念，并对这些图进行了讨论。

第1部分-理解电磁ccd中的噪声源

读取噪音
读噪声在许多情况下可以被认为是真正的CCD检测极限,尤其在快速帧率实验,因为(a)短曝光结合低darkcurrent darkcurrent的贡献可以忽略不计,(b)像素读出速率更快,如5兆赫和更高,导致更高的读出噪声。EMCCD技术的根本优势是增益足以有效地消除读出噪声，从而消除检测限。

乘性噪声
这个噪声源只存在于信号放大技术中，是信号倍增过程固有不确定性的量度。例如，在电子沿着EMCCD的增益寄存器从一个元素转移到另一个元素的过程中，碰撞电离过程只存在很小的概率在这一步中产生一个额外的电子。这碰巧是一个很小的概率，但当执行超过590步时，会产生非常大的潜在整体EM增益。然而，这个过程的不利之处来自于概率。因此，增益寄存器从初始电荷包产生的电子总数有统计变化。这种不确定性由一个名为“噪声因子”的参数量化，详细的理论和测量分析将EMCCD技术的噪声因子的值定为√2(或1.41)。这是在计算这些探测器的信号/噪声时必须考虑的另一种形式的噪声。注意，来自ICCDs的MCP的噪声源明显大于来自EMCCD的增益寄存器的噪声源。ICCDs的噪声因子一般在1.5到>2之间。

然而，更好地理解这个噪声源的影响的一种方法是在系统的散粒噪声之外添加一个额外的噪声。额外乘性噪声与散粒噪声具有相同的形式，因为每种噪声类型都会导致从CCD中读出的电子数量变化的增加(在恒定的均匀照明下)。实际上，乘性噪声可以被认为是对总体散粒噪声的直接贡献，因为在计算总体噪声时，应该将散粒噪声乘以噪声因子。

图2 - 1mhz读出速度下背光源iXon emccd的EM增益与传统放大器的信号噪声图-适用于897和888型号。

简单地，乘法噪声不以任何方式降低平均信号强度或减少检测到的光子的数量，除了已经存在的变化之外，它简单地提高了平均值周围的信号的变化程度。射击噪声（从像素到像素或从帧到帧的变化）。

暗电流
由于安多尔相机固有的有效冷却，暗电流被最小化，通常被认为是可以忽略的。由于暗电流是以电子/像素/秒表示的，所以其贡献程度取决于曝光时间。使用EMCCD技术消除暗电流尤其重要，因为即使是硅中单个热生电子也会像单个光电子一样在增益寄存器中被放大，并在最终信号中以单个噪声尖峰的形式出现。幸运的是，对于快速帧率实验结合iXon非常低的暗电流，这个噪声源可能被忽略。

杂散噪声
在EMCCD技术中，杂散噪声以时钟感应电荷(CIC)的形式出现。CIC与暴露时间无关，通常是电荷转移过程中产生的单电子事件(EBI是ICCDs中的杂散噪声形式，依赖于暴露)。CIC在每个CCD中产生，但通常隐藏在读出噪声中。然而，在EMCCD中，这些单电子被增益寄存器放大，就像单个光电子被放大一样。在EMCCD中，CIC在某些方面可以被认为是检测的真正极限，因为在单光子检测水平上，单个光子尖峰与CIC尖峰没有区别。然而，安多尔有专门的电子设备，使这种噪声源最小化。在实际应用中，单光子性质的超弱信号与CIC峰是不同的，因为人们通常可以预期从相邻像素看到“分组”的光子峰，甚至从衍射限制的单分子发射。

简化了EMCCD噪声的考虑
从上面的列表中很明显,在大多数使用的和或iXon相机,因为阅读可以几乎消除噪音和darkcurrent(即定义的噪声源检测极限已经呈现有效可以忽略不计),噪声的主要来源,必须考虑散粒噪声,噪声因子(乘性噪声)和杂散噪声。

使用：

整体噪音=镜头噪音x 1.41如果通过电子测量在电子中测量了平均信号，则可以确定镜头噪声，计算与传感器的QE - 即，光子已经被转换为光电子，从而被转换为光电子，从而测量QE校正信号。如果光子中的平均信号已经已知（例如，从其他测量与PMTS估计），则可以在该波长处校正SHOR噪声：
由于杂散噪声与射波噪声在性质上有很大的不同，所以最好将杂散噪声分开考虑。每个EMCCD都将有一个可测量的数据，用于预测读数期间CIC峰值的水平。这将给出图像中出现的随机杂散单电子峰值的平均数目。如果被测信号处于非常低的光子水平(每像素一个或两个电子)，这个噪声源将更加重要。如果信号比这稍微强一点，它可能就不是什么问题，甚至可能被过滤掉。请注意，通常，与图像中背景光子的水平相比，从iconson遗留下来的最小数量的伪噪声是次要的。

第2部分:信号噪声图
EM增益ON vs EM增益OFF(更快的速度)图1显示了从后照明IXON EXON EXON EXON EXON EXON EMCCDS的规格导出的噪声图的信号，以10 MHz读出（用于最快的帧速率）。假设传感器的QE为90％的光子波长。这种绘图非常有用，可以根据使用EM增益增加S / N的信号强度来衡量它的信号强度。很明显，在10 MHz读数时，需要在有利的情况下遇到> 2900光子/像素的相对强烈的信号，以便在EM增益下运行。请注意，“理想”曲线表示纯信号以拍摄噪声，并显示为参考 - 如果检测器没有噪声源，这就是曲线所出现的原因。即使EM增益打开，我们也会遇到均匀地降低信噪比，而不是理想的曲线。这是由于EM乘法噪声的影响，这具有将射击噪声增加χ2（〜1.41）的效果。注意，ICCD的乘法噪声（噪声系数）通常更高。

EM vs传统放大器(较慢速度)
图2显示了1兆赫兹(较慢帧率操作)背光iXon emccd规格的信号噪声图，通过开启EM增益或通过传统放大器(即标准CCD操作)读出。同样，传感器QE值为90%的光子波长也是假定的。具体来说，这个数字适用于897和888型号的这种选择放大器是可用的。

在较慢的速度下，当一个人有选择读取“传统CCD”，它通常是有利的，在实现更好的信号噪声。确实，图中显示了交叉点在~ 42光子/像素，低于这个点建议仍然通过应用增益的EM放大器读出。