关于EMCCD文章翻译
EMCCDsforspectroscopy
光谱应用中的EMCCD
在关于光探测的过去十年,电子倍增(EM)技术一直是最重要的发展之一。它彻底改变了整个弱光光谱和成像,使迄今为止几乎是不可能的研究成为可能。EMCCD芯片允许在读出前放大信号，使有效读出效噪声降低。
传感器电子倍增可超灵敏探测到单光子计数。在2005年，安道尔推出了第一台最强大的EMCCD光谱相机。
采用了EM技术的相机如iXon3和LucaEM系列首先被应用于成像，其次还被用于有高速要求的光谱应用。NewtonEMCCD具有常规CCD和EMCCD的多功能性和灵活性；在软件上简单地点击就可实现两者的转换。
EM技术在极弱光（每个像素小于100个光子）下使用时，它的倍增敏感性能发挥明显的优势。当处理一个本来就微弱的信号，或当需要在最小的曝光时间内得到快速光谱率，或为了避免损坏样品需保持较低激发能量时，都会需要用EMCCD。图1做了常规CCD和EMCCD的比较，这是在使用了中密度滤光片的弱光时的比较，除了增益的应用外实验条件完全相同。增加增益能把光谱特性从噪声清晰呈现出来(下图，底),否则特征信号会被埋在传统系统的噪声里(下图，上)。
EMCCD技术是一种基于特殊的读出寄存器的CCD芯片，从传感器有效面积读一串信号，将它们传送到读出节点电子器件，同时在这个传输过程中将信号放大，即信号的电子数量成倍增加。读出节点由前置放大器(前置)和将模拟信号转换为数字来“计数”的模数转换器组成，读出后这些数字信号被送到电脑进行分
析。正是这种读出节点产生一个在系统最重要的噪声–读出噪声（NRN）决定了相机的探测极限和灵敏度。为有效的克
服这读出噪声，EM具有优势。
在读出节点前倍增的关键优点是
确保信号不被读出噪声限制。增益引起
的信号远高于噪声，而这噪声主要是取
决于系统的读出噪声，也可以认为这是
有效的读出噪声，随着增益的增加，有
效的读出噪声可以降低到亚电子水平。
整体降噪是为了提高信噪比（SNR）和
增强灵敏性。值得注意的是，在有效读
出噪声最低水平（＜1e-）时，增益进
一步增加不会提高灵敏度。事实上，具有非常高的曾益，它可能会降低系统的动态范围。不同增益的应用是通过软件实现的，在读出寄存器细微调整
时钟电压，通过调高时钟电压来获得较高的增益。
EM增益相比传统的CCD发挥其优势时，信噪比是关键参数。在考虑任何相机的最佳信噪比性能时有四种类型，与暗电流相关的（NDN），假噪声或CIC（NCIC）和读出噪声（NRN），与信号本身相关的信号噪声（NSN）。在处理任何乘法或增益系统时，如EMCCD，额外的噪声必须考虑在内。F是封装在里面的被称作为噪声因子，EMCCD的F值是1.4，这个值在理论上和实际测量上是一致的。用G表示EM增益，用QE通过传感器的量子效率，用P表示每像素的光子通量，并考虑噪声因子F，EMCCD的信噪比可表示为：
当增益G=1和噪声系数F=1时，这是基本的信噪比。有图显示了低光子信号时newtonem的SNR曲线。理想曲线与散粒噪声限值一一对应。几条不同增益
曲线表明增加增益对低光子信号有益。当在大于53光子每像素信号时，普通CCD比100倍增益的CCD信噪比
高。这意味着，在低于这个
转折点的较弱信号时，
EMCCD更有优势，而对于高
于这个点的强信号，普通CCD
具有更好的信噪比。在低于
100光子/像素时，当系统在
以以3MHz的最快读出速度
读出时，读出噪声越大，EM
带来的好处将得到更强大的光子信号。值得注意的是，随着光信号的增强，普通CCD的信噪比曲线更理想，即噪声被信号的固有散粒噪声限制。然而，在EMCCD信噪比接近理想的情况下却会一直向低信噪比偏移。此偏移量与增益寄存器的噪声系数（F）相关联。由于具有很高的增益能探测超低水平的信号，EMCCD可以用于光子计数模式。
这是一种特殊的检测模式，相机可以计算单光子数，同时随时间建立一个基于离散光子计数的图片。正是这种超高灵敏度和极快速光谱的读出速率，以及一个全功能的，多功能和易于使用的配置平台，使newtonem为最具挑战性的光谱应用的理想选择。