ICCD 和 emICCD 相機：基礎知識

圖 1：具有三個組件的增強器示意圖：光電陰極(檢測光子并轉化為光電子)、微通道板(通過二次級聯將光電子轉化為電子云)和熒光屏(將電子云轉換為光子)。然后，成倍增加的光子通過光纖束發送到CCD陣列。

ICCD傳感器

增強型CCD(ICCD)相機將CCD傳感器與增強器結合使用。由于增強器的電子倍增組件，它們是弱光或單光子應用的理想選擇。它們也非常適合需要不到納秒曝光時間的應用，例如激光誘導擊穿光譜或熒光壽命成像顯微鏡，因為增強器能夠快速關閉快門，同時仍將檢測到的任何光子轉換為光電子。

增壓器由三個部分組成;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，將入射光子轉換為光電子。轉化為光電子的光子數量由相機的量子效率和光的波長決定。

光子被光電陰極檢測并轉化為電子。然后，這些電子通過受控的電壓增加加速到MCP。MCP 將每個光電子轉化為一團電子，然后這些電子云通過熒光屏進入光纖。

光電子云由高壓引發，該高壓加速入射電子進入MCP內多個小通道的壁。這會導致一連串的二次電子發射，產生一團電子。由于此過程與MCP上的電壓有關，因此由相機的增益決定。

MCP 產生的電子云撞擊熒光光纖，任何電子都被吸收。然后，這些電子在光纖內轉化為可見光，并被CCD檢測。由于入射光電子在MCP內成倍增加，ICCD探測器具有高度靈敏度，具有單光子檢測能力。

ICCD探測器具有超高的快門速度，這是由于增強器兩端的電壓受控。如果控制電壓反轉，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器傳播到CCD。此過程稱為門控。

emICCD 傳感器

emICCD 結合了 ICCD 和 EMCCD 技術的優勢。由于 emICCD 能夠通過兩個獨立的過程(增強器和電子倍增器)放大信號，因此它們能夠同時應用兩種增益機制。因此，實現了最大增益，從而實現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通道的飽和而產生的。這可能會影響ICCD的動態范圍，并可能改變定量測量。這種飽和度與高增益有關，因此必須使用低增益以獲得更線性的響應。由于emICCD有兩個利用增益的工藝，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行，同時仍保持靈敏度、線性度和動態范圍的提高。這使得它們成為捕獲動態過程的理想選擇。

總結

ICCD傳感器能夠通過增加增強器內產生的電子數量來倍增信號。通過級聯過程，通過MCP的電子被轉化為電子云，然后被熒光屏轉換為可見光，并通過光纖傳輸到CCD。這允許低光信號檢測和高靈敏度。

由于超高快門速度，ICCD傳感器能夠在亞納秒曝光時間內成像。由于門控機構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、短時間尺度。

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

emICCD 傳感器結合了 ICCD 和 EMCCD 技術，提供雙電子倍增過程。這可實現最大增益，提供高靈敏度、線性度和動態范圍，非常適合需要單光子檢測的應用。

審核編輯 黃宇