电子倍增CCD成像自动增益控制算法及其实现(4)
图2-2
其中两个电极（ɸ1 和ɸ3）由标准幅值时钟驱动（约10V），但另外一个电极ɸ2 被两个电极ɸ2和ɸdc所取代。ɸ2所加电压远比用于转移电荷的电压高很多（约40-50V），在ɸ2 前的ɸdc的偏置是一个小的直流电压（约2V）。由于巨大的电压差，在ɸ2和ɸdc间产生巨大的电场强度，这个电场足以使电子在转移过程中发生“撞击离子化效应”，产生新的电子，即所谓的倍增。一般要求，倍增寄存器中的倍增单元的数目是输出寄存器单元数目的整数倍。这个整数可以是一倍或多倍，以便两者能以同样速率读出，这样才能使设备操作起来与标准行同步[15]。
单级的增益公式 （1）
总增益公式 （2）
其中 为单级增益放大器放大电子的增加值约为0.01， 为倍增寄存器数量， 为总增益。每一级的增益 非常小，但是总增益 与单级增益成指数关系，所以总增益 很大，可达到1000。EMCCD芯片增益值的大小由加载到EMCCD芯片倍增极上的电压值决定。
2.3 EMCCD与几种微光成像器件的比较
EMCCD与普通CCD、ICCD、EBCCD优缺点的定性比较如表1所示[16]：
探测器类型 优点 缺点
EMCCD 单光子灵敏度
高且宽的量子效率QE
很好的分辨率，由像元尺寸决定
很好的动态范围
快、慢可选的读出速率
使用方式灵活，可工作于EMCCD、CCD模式
无光阴极 无纳秒或皮秒量级的快门(某些EMCCD传感器已具有微秒级快门)
倍增噪声(倍增噪声变
为1. 41倍)
CCD 高且宽的量子效率QE
很好的分辨率，仅像元尺寸限制
很好的动态范围
无倍增噪声
无光阴极
更多规格可用传感器 读出噪声限制，达不到单光子灵敏度
由于读出噪声高，读出
速率受限
ICCD 单光子灵敏度
可实现纳秒和皮秒级时间分辨
快、慢可选读出速率
NIR 光阴极选择 量子效率QE为光阴极所限( < 50%)
动态范围小，需工作于高增益状态
MCP有通道间干扰，点扩散函数增大
倍增噪声更高
赝像，如光晕等
使用方式不灵活，无CCD模式
价格较高
易损坏
EBCCD 单光子灵敏度(但对SPC无用)
倍增噪声最小
分辨率比ICCD高
N IR光阴极可选 量子效率QE受光阴极限制( < 50%)
动态范围很差
二次激发电子使寄生噪声很高
光阴极赝像
不灵活，无CCD 模式
价格高
易损坏
2.4 TC253SPD型EMCCD的简介
TC253SPD是一块680×500，像素大小为7.4μm ×7. 4μm，帧转换CCD图像传感器，分别带有400个增益寄存器(Multiplication pixel)，读出放大器为普通的读出放大器，最高工作频率为12MHz。主要用在要求高灵敏度、高速、高空间分辨率以及低噪声等仪器上，如生物医学或者是特殊用途的仪器。其芯片引脚见图2-3。
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