EMCCD 即電子倍增CCD，是探測領域內靈敏度極高的一種高端光電探測產品。
目前在光子探測領域的套用發展對探測器靈敏度的要求不斷提高，EMCCD (Electron-Multiplying CCD)技術對愈發嚴苛的需求作出了答覆。
基本介紹
- 中文名：EMCCD
- 別稱：電子倍增CCD
- 領域：探測領域
- 特色：靈敏度極高
套用領域,增益,特殊設計,雙重放大器,背照式,致冷的影響,
套用領域
在諸如單光子探測、多維（4或5維度）活細胞顯微觀察、鈣離子流顯微觀測等對極微弱的細胞產生的螢光進行快速動態成像的套用領域中，EMCCD技術提供了強大而經濟的解決方案，它極高的靈敏度意味著更低的激發能量（這樣可降低漂白效應）、更低的染料濃度以及更高的幀頻，生命科學領域的工作者應該知道這對於他們的研究意味著什麼。
即使在低掃描速率下，螢光信號的強度水平仍可能微弱到與讀出噪聲相當甚至更低而無法被檢測出來，EMCCD的增益可顯著地改善這種極微弱信號的信噪比，由此在大吞吐量的分析研究中可實現更快的採樣和更短的曝光時間。
同樣地，在某些物理研究領域如玻色-愛因斯坦凝聚、天文觀測（包括自適應光學）以及中子星X射線觀測等，都可以從這項新的探測手段中獲益。
增益
EMCCD技術，有時也被稱作“片上增益”技術，是一種全新的微弱光信號增強探測技術，由Andor Technology Ltd. 首先套用於他們在2001年發布的iXon系列高端超高靈敏相機上，目前有用於成像的iXon系列和光譜領域的Newton型。它與普通的科學級CCD探測器的主要區別在於其讀出（轉移）暫存器後又接續有一串“增益暫存器”（見圖1），它的電極結構不同於轉移暫存器，信號電荷在這裡得到增益。
在增益暫存器中，與轉移暫存器不同的是其中的一個電極被兩個電極取代，其中電極1被加以適當的電壓而電極2提供時鐘脈衝，但該電壓比僅僅轉移電荷所需要高很多（約40~60V）。在電極1與電極2間產生的電場其強度足以使電子在轉移過程中產生“撞擊離子化”效應，產生了新的電子，即所謂的倍增或者說是增益；每次轉移的倍增倍率非常小，最多大約只有×1.01~×1.015倍，但是當如此過程重複相當多次（如陸續經過幾千個增益暫存器的轉移），信號就會實現可觀的增益—可達1000倍以上。
目前EMCCD唯一無法取代ICCD之處是它無法實現門控，以及納秒級門寬頻來的高時間解析度，使ICCD在對高時間分辨的動態測量領域仍是最有效的手段。
還有值得指出的一點是對於光子水平的極微弱信號探測，在所有造成信號衰減的環節上都要採取儘可能的措施來把信號損失減到最低，比如，如果探測器的入射通道只有一層入射窗，其視窗反射造成的光子損失必然比多層窗要少（見圖5）；但要注意的是，這必須以高真空密封性為前提，因為一般CCD晶片為防止水汽凝結及其它氣體成分對其表面的損害，都覆有一層保護窗，如果不能保證高品質的真空密封，探測器製造商是不敢拿掉這層保護窗的，所以一般的探頭都至少有2層窗，只有極少數製造商憑藉其過硬的真空密封製造工藝將這層窗去掉而真正實現了單窗。
由此我們可見，探頭的真空密封性對任何一款科學級探測器尤其是EMCCD的性能品質起著多么至關重要甚至可以說是決定性的影響。
特殊設計
雙重放大器
由於動態範圍有限，低照度成像設計的一個制約是不能用固定幀頻既採集強信號又採集弱信號。為了保持較寬的動態範圍，倍增增益可採用雙重放大器設計，一個為傳統放大器，其輸出可拓展輸出動態範圍的上限，另一個為經過倍增增益的放大器，可提高探測靈敏度，二者結合使用CCD能夠用於寬的動態範圍照度場。
EMCCD的不足是與讀出放大器相關的倍增暫存器通常設計在較高的工作效率，導致較大的讀出噪聲。儘管倍增增益可以克服增加的讀出噪聲，但影響系統的成像動態範圍，因此雙重放大器對EMCCD是一種有效的補償措施。
背照式
EMCCD也可採用背照式結構，把高達90%的量子效率與電荷倍增向結合，提高靈敏度，從而提供高幀速率情況下最好的低照度回響。背照式EMCCD也可配置雙重放大器。
致冷的影響
溫度對片上倍增增益的影響明顯。溫度越低，由依次電子產生的二次電子越多，則片上倍增增益越高。研究表明把探測器製冷到-30攝氏度或更低時，片上增益可以超過1000倍。EMCCD良好的性能取決於CCD溫度的最佳選擇以及溫度隨環境波動的控制。
CCD製冷可提高器件的倍增增益，減小器件像素暗電流的產生，但也會增加贗電荷的出現。贗電荷是指電子進入倍增暫存器像素時，時鐘波形成產生明顯失真而導致憑空產生的二次電子。贗電荷隨著溫度降低有輕微的增加。EMCCD總的暗信號等於贗電荷加上暗電荷。
