增强型CCD和增强型sCMOS相机的原理与应用

增强型相机专为纳秒级时间尺度成像设计，具备信号放大能力。卓立汉光公司的 SIC CCD 与 SIC/HIC sCMOS 相机可实现单光子灵敏度。本文解答关于增强型 CCD 与增强型 sCMOS 相机的常见问题。

什么是 CCD 或 sCMOS 相机上的像增强器？

像增强器是安装在相机传感器前端的组件，通过电子学方式，在光子信号到达传感器前实现选通和 / 或信号放大。

增强型相机常用于极低光通量、且需要纳秒至毫秒级选通的场景。

像增强器由哪些部件组成？

• 光电阴极

• 微通道板（MCP）

• 荧光屏

• 增强器–传感器耦合组件

光电阴极在像增强器中的作用？

光电阴极是光敏基底层，可将入射光子转化为光电子，同时提供超快快门 / 选通能力（可达纳秒甚至亚纳秒级）。这是通过快速切换光电阴极衬底和MCP 输入之间的高压（电场）来实现的。光电阴极的主要特性是它们吸收入射光子的概率（量子效率，或QE）和它们的电阻率 （与它们的快门速度有关）。

微通道板（MCP）在像增强器中的作用？

MCP 内部布满微通道，施加电压后，进入的光电子将与MCP的微通道壁碰撞，并在每个电子与通道壁碰撞时产生二次电子。这个过程在电子到达相机前放大信号。

荧光屏在像增强器中的作用？

荧光屏将来自 MCP 的光电子转化为可见光波段光子，匹配相机传感器量子效率（QE）*高的波长区间，便于传感器探测。

增强器–传感器耦合组件的作用？

增强器到传感器的耦合，通过光纤束或通过透镜耦合，将荧光屏输出的空间信号引导到传感器的正确空间位置。

哪些时间尺度的实验需要增强型相机？

当上升到ns时间尺度的快门和可能的信号放大时，需要增强相机。以下是不同相机类型采集的时间尺度：

• 皮秒级：条纹相机

• 低至纳秒级：增强型 CCD / 增强型 sCMOS 相机

• 低至微秒级：行间转移 CCD、全局快门 sCMOS

• 低至毫秒级：EMCCD、滚动快门 sCMOS

• 低至数十毫秒级：普通 CCD

注：搭配不同快门与斩波器，时间范围会略有变化。

增强型 sCMOS vs 增强型 CCD相机

• 增强型 sCMOS（SIC）：更快采集速度（10–4000 Hz）、更高动态范围（更低读出噪声、可更大范围像素合并）；sCMOS 可整行读出，CCD 逐像素读出。

• 增强型 CCD：长曝光下暗电流更低，适合长曝光场景。

增强型相机是否具备单光子灵敏度？

是的，通过光电阴极转换为光电子的每个光子都被增强器中的微通道板（MCP） 放大，这样来自一个光子的有用信号就可以克服传感器的本底噪声。请注意，从入射单光子产生光电子的概率是由光电阴极的量子效率（QE）决定的。其他噪声源，如光电阴极热噪声（EBI）、MCP 放大噪声、荧光屏效率、光学耦合效率、传感器 QE等可以进一步影响检测单光子的能力。

EMCCD 与增强型 CCD（ICCD）如何选择？

虽然这两种类型的相机都能够识别单光子，EMCCD比增强器具有更高的量子效率（QE），但缺乏增强器的快速时间门控。EMCCD的高QE 意味着更少的入射光子丢失。但是，如果需要亚μs时间尺度分辨率，则需要增强器的门控能力。(例如：如果有必要从荧光中去除激光散射光信号或样品非常快的瞬态现象而无运动模糊)。

增强型相机能否同时用于光谱与成像？

可以。SIC/HIC 增强型相机可搭配ANDOR、ZOLIX及第三方光谱仪做光谱测量；也可通过 C口、F口镜头成像，快速切换实验场景，实现纳秒级时间分辨的化学指纹分析与成像。

动态范围与数字化位数的区别？

当涉及到传感器时，动态范围代表高于噪声基底，低于饱和的可用的有用信号范围。它通常被定义为像素满阱电子数与噪声基底的比值。例如，100,000个电子的像素满阱深度除以2个电子的噪声基底将得到动态范围为50,000:1。

通过MCP的信号放大机制，将减小动态范围。因此，我们建议只应用必要的增益来克服传感器的本底噪声，以保持动态范围。*大增益只应用于单光子计数。

数字化（如12位、16位或32位）表示传感器在饱和前捕获的可用信号的采样 精度。(通常指定为2^(Nbits)，其中Nbits是位的数量。例如，16位表示2^16=65,536 灰度级别)

增强型 sCMOS 能多快获得单个图像或光谱？

SIC sCMOS可以维持40帧每秒或高达800帧16行感兴趣的区域（ROI）。

此帧率为1ms 曝光下的典型值；

帧率受电脑系统配置影响，推荐在i7以上处理器、64bit系统的电脑上使用

增强型相机能否控制实验室其他设备？

可以。SIC sCMOS有自己的数字延迟发生器（DDG），通过T-lab软件或定制的 SDK应用程序控制端口输出TTL脉冲，同步输出信号可用于控制TD104数字延迟发生器或控制其他仪器的时序，如激光器， 示波器等。

增强型相机可用于哪些实验技术？

增强型相机可用于一系列不同的光谱和成像技术，范围从紫外到可见光，只要需要快速（高达纳秒时间尺度）门控。在下面的章节中，我们将介绍不同的光谱和成像技术和应用 包括：

平面激光诱导荧光（PLIF）

当做PLIF实验时，激光束通常用圆柱形透镜拉伸成激光片光源，用于激发气体或液体中的分子，采集被激发分子的荧光发射信号反演温度等信息。SIC/HIC增强相机使用精确延时和门控功能屏蔽激光散射，只采集荧光衰减的信号。

激光诱导击穿光谱（LIBS）

激光诱导固体、液体或气体产生等离子体，结合光谱仪分析物质成分；需要纳秒级快门捕捉等离子体瞬态光谱。

分子标记测速（MTV）

分子标记测速技术利用激光激发气体或液体中的示踪分子，刻写出特征图案；再经过设定时间延迟后，通过探测该图案（常用激光诱导荧光或磷光方式）开展流速测量。相机记录下该图案在时间间隔内的位移，用位移距离除以时间间隔，即可计算出流体流速。

将激光片光垂直穿过柱面透镜阵列，还可构建复杂网格图案，从而获得二维流速数据。在这类测量过程中，SIC增强型相机既能滤除激光散射干扰，又能对微弱荧光信号进行放大。

立体（3D）成像

双相机同步拍摄 PLIF/PIV/MTV，获取三维流场信息（速度、温度等）。

量子物理

当两个粒子保持连接时，即使在很远的距离上 也会发生量子纠缠，因此对一个粒子的作用会对另一个粒子产生影响。爱因斯坦将光子纠缠描述为“ 距离上的怪异行为”。量子纠缠的理解是不断增长的量子计算和量子密码学领域研究的基础。

精准选通与高灵敏度，可高效区分纠缠光子与非纠缠光子，支撑量子纠缠、量子计算、量子密码研究。

等离子体诊断

等离子体可以通过不同的方式产生（例如激光烧蚀， 电容/电感电源与电离气体的耦合，…）。 对其性质和动力学的研究与许多领域相关，如薄膜沉积，微电子学，材料表征，显示系统，表面处理，基础物理，环境与健康。

门控探测器可以用来确定光学参数，从中可以推导出等离子体的基本性质。基于图像增强器的探测器的精确纳秒级门控可提取脉冲激光诱导的有效信号。

非线性光学

这个宽泛的定义包括和频产生（SFG）、二 / 三 / 高次谐波（SHG/THG/HHG）；精准选通分离有效信号、抑制背景噪声。

时间分辨发光

脉冲发光、荧光、光致发光、辐射发光成像和光谱技术用于各种各样的应用，包括金属复合物的研究，OLED，量子点，细胞动力学，化学化合物检测，闪烁体表征。

门控探测器可以精确控制不采集不需要的脉冲激发源 ，也用于表征样品发光衰减。SIC系列精确的门控和延时能力允许研究纳秒范围内发光衰减行为。SIC门控相机光电阴极选项允许您紧密匹配样品的发光光谱特性，用于成像和光谱研究。

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