ICCD 和 emICCD 相機(jī)：基礎(chǔ)知識(shí)

圖 1：具有三個(gè)組件的增強(qiáng)器示意圖：光電陰極(檢測(cè)光子并轉(zhuǎn)化為光電子)、微通道板(通過二次級(jí)聯(lián)將光電子轉(zhuǎn)化為電子云)和熒光屏(將電子云轉(zhuǎn)換為光子)。然后，成倍增加的光子通過光纖束發(fā)送到CCD陣列。

ICCD傳感器

增強(qiáng)型CCD(ICCD)相機(jī)將CCD傳感器與增強(qiáng)器結(jié)合使用。由于增強(qiáng)器的電子倍增組件，它們是弱光或單光子應(yīng)用的理想選擇。它們也非常適合需要不到納秒曝光時(shí)間的應(yīng)用，例如激光誘導(dǎo)擊穿光譜或熒光壽命成像顯微鏡，因?yàn)樵鰪?qiáng)器能夠快速關(guān)閉快門，同時(shí)仍將檢測(cè)到的任何光子轉(zhuǎn)換為光電子。

增壓器由三個(gè)部分組成;光電陰極、微通道板 (MCP) 和沉積在光纖上的熒光屏(圖 1)。光電陰極位于石英窗口后面，將入射光子轉(zhuǎn)換為光電子。轉(zhuǎn)化為光電子的光子數(shù)量由相機(jī)的量子效率和光的波長決定。

光子被光電陰極檢測(cè)并轉(zhuǎn)化為電子。然后，這些電子通過受控的電壓增加加速到MCP。MCP 將每個(gè)光電子轉(zhuǎn)化為一團(tuán)電子，然后這些電子云通過熒光屏進(jìn)入光纖。

光電子云由高壓引發(fā)，該高壓加速入射電子進(jìn)入MCP內(nèi)多個(gè)小通道的壁。這會(huì)導(dǎo)致一連串的二次電子發(fā)射，產(chǎn)生一團(tuán)電子。由于此過程與MCP上的電壓有關(guān)，因此由相機(jī)的增益決定。

MCP 產(chǎn)生的電子云撞擊熒光光纖，任何電子都被吸收。然后，這些電子在光纖內(nèi)轉(zhuǎn)化為可見光，并被CCD檢測(cè)。由于入射光電子在MCP內(nèi)成倍增加，ICCD探測(cè)器具有高度靈敏度，具有單光子檢測(cè)能力。

ICCD探測(cè)器具有超高的快門速度，這是由于增強(qiáng)器兩端的電壓受控。如果控制電壓反轉(zhuǎn)，則光電子加速朝向光電陰極而不是 MCP。這樣可以防止任何光子通過增強(qiáng)器傳播到CCD。此過程稱為門控。

emICCD 傳感器

emICCD 結(jié)合了 ICCD 和 EMCCD 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。由于 emICCD 能夠通過兩個(gè)獨(dú)立的過程(增強(qiáng)器和電子倍增器)放大信號(hào)，因此它們能夠同時(shí)應(yīng)用兩種增益機(jī)制。因此，實(shí)現(xiàn)了最大增益，從而實(shí)現(xiàn)了低光和單光子成像的高靈敏度。

這種增益組合還消除了ICCD中常見的非線性。ICCD的非線性是由于MCP通道的飽和而產(chǎn)生的。這可能會(huì)影響ICCD的動(dòng)態(tài)范圍，并可能改變定量測(cè)量。這種飽和度與高增益有關(guān)，因此必須使用低增益以獲得更線性的響應(yīng)。由于emICCD有兩個(gè)利用增益的工藝，因此可以降低ICCD分量的增益，而增加EMCCD分量的增益，從而補(bǔ)償MCP的任何放大損失。

由于 emICCD 傳感器仍然集成了門控，因此它們能夠高速運(yùn)行，同時(shí)仍保持靈敏度、線性度和動(dòng)態(tài)范圍的提高。這使得它們成為捕獲動(dòng)態(tài)過程的理想選擇。

總結(jié)

ICCD傳感器能夠通過增加增強(qiáng)器內(nèi)產(chǎn)生的電子數(shù)量來倍增信號(hào)。通過級(jí)聯(lián)過程，通過MCP的電子被轉(zhuǎn)化為電子云，然后被熒光屏轉(zhuǎn)換為可見光，并通過光纖傳輸?shù)紺CD。這允許低光信號(hào)檢測(cè)和高靈敏度。

由于超高快門速度，ICCD傳感器能夠在亞納秒曝光時(shí)間內(nèi)成像。由于門控機(jī)構(gòu)由增壓器兩端的電壓控制，因此可以很容易地將其控制到高精度、短時(shí)間尺度。

ICCD技術(shù)的主要局限性是線性度。這是由于級(jí)聯(lián)過程中MCP的飽和而引起的。如果通道內(nèi)的二次電子以比它們可以維持的速度更快的速度耗盡，則線性度會(huì)降低。這是長時(shí)間使用高增益的副作用，但是這可以通過使用emICCD來解決。

emICCD 傳感器結(jié)合了 ICCD 和 EMCCD 技術(shù)，提供雙電子倍增過程。這可實(shí)現(xiàn)最大增益，提供高靈敏度、線性度和動(dòng)態(tài)范圍，非常適合需要單光子檢測(cè)的應(yīng)用。

審核編輯 黃宇