電子倍增CCD在生命科學(xué)、X射線成像等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用
（論文部分內(nèi)容摘抄）
CCD技術(shù)的最新進(jìn)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(wú)論是短時(shí)間還是長(zhǎng)時(shí)間曝光時(shí)間。怎么然而，當(dāng)涉及到需要極短曝光時(shí)間的應(yīng)用時(shí)，這些設(shè)備可能無(wú)法被證明對(duì)強(qiáng)化CCD適用。
電子倍增CCD采用傳統(tǒng)的讀出節(jié)點(diǎn)放大器設(shè)計(jì)，但在讀出之前對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。其優(yōu)點(diǎn)是在相同的讀出噪聲下增加數(shù)字化信號(hào)電荷的幅度。對(duì)于對(duì)時(shí)間敏感或易受光毒性的應(yīng)用，如活細(xì)胞或離子成像，通過(guò)保持低曝光時(shí)間來(lái)放大信號(hào)的能力是有益的。傳統(tǒng)上，這是通過(guò)使用增強(qiáng)型CCD相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該相機(jī)也放大信號(hào)，但代價(jià)是圖像退化和由于各種噪聲源引起的動(dòng)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(jī)可以完全取代增強(qiáng)型CCD是不正確的。顯然，對(duì)于小于1毫秒的曝光時(shí)間，后者仍然有其優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兲峁┢っ氲郊{秒的分辨率，而沒(méi)有圖像涂抹(可以是繪圖)。回到電子倍增CCD，因?yàn)樗鼈兊膸D(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(dòng)圖像區(qū)域大小相同，物理上位于被捕獲的活動(dòng)圖像區(qū)域上方。此轉(zhuǎn)移所需的時(shí)間取決于TIC移位時(shí)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(shí)間。必須認(rèn)識(shí)到，與面罩相鄰的行與最遠(yuǎn)的行相連的時(shí)間要短于最遠(yuǎn)的。然而，人們可以暴露幾條最靠近遮蔽區(qū)域的線，以實(shí)現(xiàn)更短的曝光時(shí)間--犧牲了分辨率。
通過(guò)上述修改后的讀出節(jié)點(diǎn)，可通過(guò)軟件調(diào)整CCD增益，達(dá)到所需的水平。這導(dǎo)致對(duì)低信號(hào)進(jìn)行放大，使其可解或提高有效信噪比。如果一個(gè)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(wú)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(duì)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(shí)間--從百萬(wàn)分之一秒到幾秒鐘--相機(jī)不需要進(jìn)行深度冷卻，通常是-15到-20度絕對(duì)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(jī)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(shí)間的秒數(shù)請(qǐng)求的。然后應(yīng)考慮的結(jié)果相對(duì)于可接受的信噪比的應(yīng)用。這種快速計(jì)算有助于確定在應(yīng)用可能成為限制因素時(shí)是否需要投資于深冷攝像機(jī)。
受益于這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用主要在生命科學(xué)領(lǐng)域，例如活細(xì)胞、細(xì)胞內(nèi)離子、單分子和四維成像以及自旋成像。寧盤(pán)共焦和全內(nèi)反射熒光顯微鏡。電子倍增CCD相機(jī)在生命科學(xué)中的成功歸因于人們對(duì)研究細(xì)胞或分子動(dòng)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(shí)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(shí)間范圍內(nèi)使用這項(xiàng)技術(shù)是一個(gè)問(wèn)題。
電子倍增CCD的最新改進(jìn)包括量子效率更高的前照光傳感器(高達(dá)65%)，量子效率高達(dá)95%的后照光傳感器和更高的讀出速度（高達(dá)30MHz，從而在30fps下產(chǎn)生1kX1k像素）。未來(lái)的改進(jìn)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(duì)于不要求很高分辨率的動(dòng)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(dòng)下，傳感器成本也有可能降低。
德國(guó)Excelitas PCO公司CCD相機(jī)，具備高分辨率、高感光度、弱光成像的優(yōu)點(diǎn)，將研究實(shí)驗(yàn)過(guò)程完美記錄，為實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。
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