電子倍增CCD在生命科學(xué)、X射線成像等多個領(lǐng)域的應(yīng)用
（論文部分內(nèi)容摘抄）
CCD技術(shù)的最新進展是電子倍增CCD或電荷載流子倍增CCD的應(yīng)用該技術(shù)適用于需要高光敏度、高空間分辨率和高幀速率的離子，無論是短時間還是長時間曝光時間。怎么然而，當(dāng)涉及到需要極短曝光時間的應(yīng)用時，這些設(shè)備可能無法被證明對強化CCD適用。
電子倍增CCD采用傳統(tǒng)的讀出節(jié)點放大器設(shè)計，但在讀出之前對信號進行放大。其優(yōu)點是在相同的讀出噪聲下增加數(shù)字化信號電荷的幅度。對于對時間敏感或易受光毒性的應(yīng)用，如活細胞或離子成像，通過保持低曝光時間來放大信號的能力是有益的。傳統(tǒng)上，這是通過使用增強型CCD相機來實現(xiàn)的，該相機也放大信號，但代價是圖像退化和由于各種噪聲源引起的動態(tài)范圍減小。
幀傳輸體系結(jié)構(gòu)：
然而，認(rèn)為電子倍增照相機可以完全取代增強型CCD是不正確的。顯然，對于小于1毫秒的曝光時間，后者仍然有其優(yōu)勢，因為它們提供皮秒到納秒的分辨率，而沒有圖像涂抹(可以是繪圖)�；氐诫娮颖对鯟CD，因為它們的幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)。
幀轉(zhuǎn)移CCD需要將捕獲的圖像移到掩模，通常與活動圖像區(qū)域大小相同，物理上位于被捕獲的活動圖像區(qū)域上方。此轉(zhuǎn)移所需的時間取決于TIC移位時間和可能因制造商而異。例如，德克薩斯州普萊諾的德克薩斯儀器公司的TX285 SPD電子倍增。
CCD具有1MHz的垂直位移率，從而產(chǎn)生需要1ms的lkX1k圖像，這還定義了全幀可用的最小曝光確定時間。必須認(rèn)識到，與面罩相鄰的行與最遠的行相連的時間要短于最遠的。然而，人們可以暴露幾條最靠近遮蔽區(qū)域的線，以實現(xiàn)更短的曝光時間--犧牲了分辨率。
通過上述修改后的讀出節(jié)點，可通過軟件調(diào)整CCD增益，達到所需的水平。這導(dǎo)致對低信號進行放大，使其可解或提高有效信噪比。如果一個人將電荷放大20倍，則信噪比將變?yōu)?000:1，或高出20倍。它們比讀噪聲小得多。因此，該器件既可以用作傳統(tǒng)的CCD，無需增益以提高光照水平，也可以用增益以獲得更高的靈敏度。
暗電流噪聲的減少對于這些傳感器也很重要。與任何CCD一樣，冷卻降低了熱噪聲，但所需的冷卻程度取決于應(yīng)用。如果應(yīng)用需要較短的曝光時間--從百萬分之一秒到幾秒鐘--相機不需要進行深度冷卻，通常是-15到-20度絕對值就足夠了。如果應(yīng)用程序需要許多分鐘的集成，更深的冷卻是有利的。
關(guān)鍵是要參考照相機制造商的暗電流噪聲規(guī)范（通常以每秒每像素為單位），并將此值乘以集成時間的秒數(shù)請求的。然后應(yīng)考慮的結(jié)果相對于可接受的信噪比的應(yīng)用。這種快速計算有助于確定在應(yīng)用可能成為限制因素時是否需要投資于深冷攝像機。
受益于這項技術(shù)的應(yīng)用主要在生命科學(xué)領(lǐng)域，例如活細胞、細胞內(nèi)離子、單分子和四維成像以及自旋成像。寧盤共焦和全內(nèi)反射熒光顯微鏡。電子倍增CCD相機在生命科學(xué)中的成功歸因于人們對研究細胞或分子動力學(xué)的更高靈敏度的需求不斷增。
CCD還用于監(jiān)視、夜視和X射線成像等領(lǐng)域。雖然在大多數(shù)物理科學(xué)應(yīng)用中，要求在較短的曝光時間內(nèi)獲得更高的靈敏度是必要的，但能否在小于毫秒的時間范圍內(nèi)使用這項技術(shù)是一個問題。
電子倍增CCD的最新改進包括量子效率更高的前照光傳感器(高達65%)，量子效率高達95%的后照光傳感器和更高的讀出速度（高達30MHz，從而在30fps下產(chǎn)生1kX1k像素）。未來的改進將包括以較低分辨率為高幀速率提供更高的速度讀出(這對于不要求很高分辨率的動力學(xué)應(yīng)用非常理想)，以及更大的格式陣列。在監(jiān)視和夜視應(yīng)用量的推動下，傳感器成本也有可能降低。
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