增強(qiáng)型相機(jī)專為納秒級(jí)時(shí)間尺度成像設(shè)計(jì)，具備信號(hào)放大能力。卓立漢光公司的 SIC CCD 與 SIC/HIC sCMOS 相機(jī)可實(shí)現(xiàn)單光子靈敏度。本文解答關(guān)于增強(qiáng)型 CCD 與增強(qiáng)型 sCMOS 相機(jī)的常見問題。

什么是 CCD 或 sCMOS 相機(jī)上的像增強(qiáng)器？

像增強(qiáng)器是安裝在相機(jī)傳感器前端的組件，通過電子學(xué)方式，在光子信號(hào)到達(dá)傳感器前實(shí)現(xiàn)選通和 / 或信號(hào)放大。

增強(qiáng)型相機(jī)常用于極低光通量、且需要納秒至毫秒級(jí)選通的場景。

像增強(qiáng)器由哪些部件組成？

• 光電陰極

• 微通道板（MCP）

• 熒光屏

• 增強(qiáng)器–傳感器耦合組件

光電陰極在像增強(qiáng)器中的作用？

光電陰極是光敏基底層，可將入射光子轉(zhuǎn)化為光電子，同時(shí)提供超快快門 / 選通能力（可達(dá)納秒甚至亞納秒級(jí)）。這是通過快速切換光電陰極襯底和MCP 輸入之間的高壓（電場）來實(shí)現(xiàn)的。光電陰極的主要特性是它們吸收入射光子的概率（量子效率，或QE）和它們的電阻率 （與它們的快門速度有關(guān)）。

微通道板（MCP）在像增強(qiáng)器中的作用？

MCP 內(nèi)部布滿微通道，施加電壓后，進(jìn)入的光電子將與MCP的微通道壁碰撞，并在每個(gè)電子與通道壁碰撞時(shí)產(chǎn)生二次電子。這個(gè)過程在電子到達(dá)相機(jī)前放大信號(hào)。

熒光屏在像增強(qiáng)器中的作用？

熒光屏將來自 MCP 的光電子轉(zhuǎn)化為可見光波段光子，匹配相機(jī)傳感器量子效率（QE）*高的波長區(qū)間，便于傳感器探測。

增強(qiáng)器–傳感器耦合組件的作用？

增強(qiáng)器到傳感器的耦合，通過光纖束或通過透鏡耦合，將熒光屏輸出的空間信號(hào)引導(dǎo)到傳感器的正確空間位置。

哪些時(shí)間尺度的實(shí)驗(yàn)需要增強(qiáng)型相機(jī)？

當(dāng)上升到ns時(shí)間尺度的快門和可能的信號(hào)放大時(shí)，需要增強(qiáng)相機(jī)。以下是不同相機(jī)類型采集的時(shí)間尺度：

• 皮秒級(jí)：條紋相機(jī)

• 低至納秒級(jí)：增強(qiáng)型 CCD / 增強(qiáng)型 sCMOS 相機(jī)

• 低至微秒級(jí)：行間轉(zhuǎn)移 CCD、全局快門 sCMOS

• 低至毫秒級(jí)：EMCCD、滾動(dòng)快門 sCMOS

• 低至數(shù)十毫秒級(jí)：普通 CCD

注：搭配不同快門與斬波器，時(shí)間范圍會(huì)略有變化。

增強(qiáng)型 sCMOS vs 增強(qiáng)型 CCD相機(jī)

• 增強(qiáng)型 sCMOS（SIC）：更快采集速度（10–4000 Hz）、更高動(dòng)態(tài)范圍（更低讀出噪聲、可更大范圍像素合并）；sCMOS 可整行讀出，CCD 逐像素讀出。

• 增強(qiáng)型 CCD：長曝光下暗電流更低，適合長曝光場景。

增強(qiáng)型相機(jī)是否具備單光子靈敏度？

是的，通過光電陰極轉(zhuǎn)換為光電子的每個(gè)光子都被增強(qiáng)器中的微通道板（MCP） 放大，這樣來自一個(gè)光子的有用信號(hào)就可以克服傳感器的本底噪聲。請注意，從入射單光子產(chǎn)生光電子的概率是由光電陰極的量子效率（QE）決定的。其他噪聲源，如光電陰極熱噪聲（EBI）、MCP 放大噪聲、熒光屏效率、光學(xué)耦合效率、傳感器 QE等可以進(jìn)一步影響檢測單光子的能力。

EMCCD 與增強(qiáng)型 CCD（ICCD）如何選擇？

雖然這兩種類型的相機(jī)都能夠識(shí)別單光子，EMCCD比增強(qiáng)器具有更高的量子效率（QE），但缺乏增強(qiáng)器的快速時(shí)間門控。EMCCD的高QE 意味著更少的入射光子丟失。但是，如果需要亞μs時(shí)間尺度分辨率，則需要增強(qiáng)器的門控能力。(例如：如果有必要從熒光中去除激光散射光信號(hào)或樣品非?？斓乃矐B(tài)現(xiàn)象而無運(yùn)動(dòng)模糊)。

增強(qiáng)型相機(jī)能否同時(shí)用于光譜與成像？

可以。SIC/HIC 增強(qiáng)型相機(jī)可搭配ANDOR、ZOLIX及第三方光譜儀做光譜測量；也可通過 C口、F口鏡頭成像，快速切換實(shí)驗(yàn)場景，實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)時(shí)間分辨的化學(xué)指紋分析與成像。

動(dòng)態(tài)范圍與數(shù)字化位數(shù)的區(qū)別？

當(dāng)涉及到傳感器時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍代表高于噪聲基底，低于飽和的可用的有用信號(hào)范圍。它通常被定義為像素滿阱電子數(shù)與噪聲基底的比值。例如，100,000個(gè)電子的像素滿阱深度除以2個(gè)電子的噪聲基底將得到動(dòng)態(tài)范圍為50,000:1。

通過MCP的信號(hào)放大機(jī)制，將減小動(dòng)態(tài)范圍。因此，我們建議只應(yīng)用必要的增益來克服傳感器的本底噪聲，以保持動(dòng)態(tài)范圍。*大增益只應(yīng)用于單光子計(jì)數(shù)。

數(shù)字化（如12位、16位或32位）表示傳感器在飽和前捕獲的可用信號(hào)的采樣 精度。(通常指定為2^(Nbits)，其中Nbits是位的數(shù)量。例如，16位表示2^16=65,536 灰度級(jí)別)

增強(qiáng)型 sCMOS 能多快獲得單個(gè)圖像或光譜？

SIC sCMOS可以維持40幀每秒或高達(dá)800幀16行感興趣的區(qū)域（ROI）。

此幀率為1ms 曝光下的典型值；

幀率受電腦系統(tǒng)配置影響，推薦在i7以上處理器、64bit系統(tǒng)的電腦上使用

增強(qiáng)型相機(jī)能否控制實(shí)驗(yàn)室其他設(shè)備？

可以。SIC sCMOS有自己的數(shù)字延遲發(fā)生器（DDG），通過T-lab軟件或定制的 SDK應(yīng)用程序控制端口輸出TTL脈沖，同步輸出信號(hào)可用于控制TD104數(shù)字延遲發(fā)生器或控制其他儀器的時(shí)序，如激光器， 示波器等。

增強(qiáng)型相機(jī)可用于哪些實(shí)驗(yàn)技術(shù)？

增強(qiáng)型相機(jī)可用于一系列不同的光譜和成像技術(shù)，范圍從紫外到可見光，只要需要快速（高達(dá)納秒時(shí)間尺度）門控。在下面的章節(jié)中，我們將介紹不同的光譜和成像技術(shù)和應(yīng)用 包括：

平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）

當(dāng)做PLIF實(shí)驗(yàn)時(shí)，激光束通常用圓柱形透鏡拉伸成激光片光源，用于激發(fā)氣體或液體中的分子，采集被激發(fā)分子的熒光發(fā)射信號(hào)反演溫度等信息。SIC/HIC增強(qiáng)相機(jī)使用精確延時(shí)和門控功能屏蔽激光散射，只采集熒光衰減的信號(hào)。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）

激光誘導(dǎo)固體、液體或氣體產(chǎn)生等離子體，結(jié)合光譜儀分析物質(zhì)成分；需要納秒級(jí)快門捕捉等離子體瞬態(tài)光譜。

分子標(biāo)記測速（MTV）

分子標(biāo)記測速技術(shù)利用激光激發(fā)氣體或液體中的示蹤分子，刻寫出特征圖案；再經(jīng)過設(shè)定時(shí)間延遲后，通過探測該圖案（常用激光誘導(dǎo)熒光或磷光方式）開展流速測量。相機(jī)記錄下該圖案在時(shí)間間隔內(nèi)的位移，用位移距離除以時(shí)間間隔，即可計(jì)算出流體流速。

將激光片光垂直穿過柱面透鏡陣列，還可構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)格圖案，從而獲得二維流速數(shù)據(jù)。在這類測量過程中，SIC增強(qiáng)型相機(jī)既能濾除激光散射干擾，又能對微弱熒光信號(hào)進(jìn)行放大。

立體（3D）成像

雙相機(jī)同步拍攝 PLIF/PIV/MTV，獲取三維流場信息（速度、溫度等）。

量子物理

當(dāng)兩個(gè)粒子保持連接時(shí)，即使在很遠(yuǎn)的距離上 也會(huì)發(fā)生量子糾纏，因此對一個(gè)粒子的作用會(huì)對另一個(gè)粒子產(chǎn)生影響。愛因斯坦將光子糾纏描述為“ 距離上的怪異行為"。量子糾纏的理解是不斷增長的量子計(jì)算和量子密碼學(xué)領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)。

精準(zhǔn)選通與高靈敏度，可高效區(qū)分糾纏光子與非糾纏光子，支撐量子糾纏、量子計(jì)算、量子密碼研究。

等離子體診斷

等離子體可以通過不同的方式產(chǎn)生（例如激光燒蝕， 電容/電感電源與電離氣體的耦合，…）。 對其性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)的研究與許多領(lǐng)域相關(guān)，如薄膜沉積，微電子學(xué)，材料表征，顯示系統(tǒng)，表面處理，基礎(chǔ)物理，環(huán)境與健康。

門控探測器可以用來確定光學(xué)參數(shù)，從中可以推導(dǎo)出等離子體的基本性質(zhì)。基于圖像增強(qiáng)器的探測器的精確納秒級(jí)門控可提取脈沖激光誘導(dǎo)的有效信號(hào)。

非線性光學(xué)

這個(gè)寬泛的定義包括和頻產(chǎn)生（SFG）、二 / 三 / 高次諧波（SHG/THG/HHG）；精準(zhǔn)選通分離有效信號(hào)、抑制背景噪聲。

時(shí)間分辨發(fā)光

脈沖發(fā)光、熒光、光致發(fā)光、輻射發(fā)光成像和光譜技術(shù)用于各種各樣的應(yīng)用，包括金屬復(fù)合物的研究，OLED，量子點(diǎn)，細(xì)胞動(dòng)力學(xué)，化學(xué)化合物檢測，閃爍體表征。

門控探測器可以精確控制不采集不需要的脈沖激發(fā)源 ，也用于表征樣品發(fā)光衰減。SIC系列精確的門控和延時(shí)能力允許研究納秒范圍內(nèi)發(fā)光衰減行為。SIC門控相機(jī)光電陰極選項(xiàng)允許您緊密匹配樣品的發(fā)光光譜特性，用于成像和光譜研究。