▌1.在具挑戰性的超低光照條件下，EMCCD 仍然具有最高的靈敏度。

弱光成像的檢測極限主要取決于相機的噪聲基底，在低于一秒的短曝光時間內，噪聲基底主要由讀出噪聲決定。盡管現代sCMOS相機的讀出噪聲越來越低，有時甚至低至1 e? rms，但在共聚焦、TIRF和其他光照不足的應用中，EMCCD相機對于表達量低或豐度低的熒光團仍然具有更優異的檢測性能。

EMCCD傳感器集成了一個額外的電子倍增（EM）增益寄存器，它的可控高壓脈沖可將信號放大幾個數量級。這種放大作用使信號遠高于后續讀出過程中引入的讀出噪聲，從而使讀出噪聲相對于放大后的信號可以忽略不計。

EMCCD是如何達到這種靈敏度的？

EMCCD 傳感器的串行讀出架構還能確保高度均勻的像素響應，最大限度地減少固定模式噪聲，而當 sCMOS 傳感器在其檢測極限附近工作時，固定模式噪聲可能會成為問題。

EMCCD 在哪些應用中能真正發揮作用？

諸如 iXon Ultra EMCCD 之類的 EMCCD 相機具有獨特的光子計數功能，能夠以很高的概率探測到單個光子。這使得它們特別適用于生物物理學和量子研究，因為這些領域的實驗通常在極低的光通量下進行，有時甚至低至每個像素只有一個光子。因此，EMCCD 技術仍然是需要單光子靈敏度的好選擇。
 

▌2.EMCCD相機的大像素尺寸是其靈敏度的一個重要因素。

與sCMOS傳感器相比，EMCCD相機的像素尺寸相對較大，這在其高靈敏度方面起著至關重要的作用。簡而言之，更大的像素意味著更大的光子收集面積，可以捕獲更多的光子，從而實現更高的信噪比。

像素尺寸的差異在實際應用中意味著什么？

EMCCD相機的像素尺寸通常為13或16微米，而大多數常用的sCMOS傳感器的像素尺寸為6.5微米或更小。EMCCD像素尺寸較大的缺點是空間采樣率較低，這意味著在較低放大倍率（例如40倍或20倍）下使用時，像素過大而無法提供精細的細節。因此，在需要大視場范圍內呈現精細細節的情況下，sCMOS通常是更好的選擇。

EMCCD 相機則針對高倍率、光線不足的應用（例如單分子生物物理學和共聚焦顯微鏡中的弱熒光標記）中的光子收集進行了優化。
 

雖然 EMCCD 相機通常被描述為具有“幾乎為零”的讀出噪聲，但其實際讀出噪聲可能相對較高，通常在 100 – 180 e? 范圍內，而現代 sCMOS 傳感器的讀出噪聲約為 1 e? rms。

EMCCD 相機在靈敏度方面仍然優于 sCMOS 的原因在于 EM 增益寄存器。

電磁增益如何影響讀取噪聲？

在EMCCD讀出之前，輸入信號經由電磁增益寄存器放大幾個數量級。這種放大作用將信號提升到一定水平，使得讀出噪聲（盡管仍然存在，并且高于sCMOS的讀出噪聲）相對于放大后的信號可以忽略不計。因此，已發表的文獻估計，EMCCD有效讀取噪聲（最終限制檢測性能的參數）低于 0.3 e? rms。
 

▌4.EMCCD即使在高速下也能提供高靈敏度。

隨著幀率的提高和曝光時間的縮短，到達傳感器的光子數量減少，使得傳統高速探測器越來越難以獲得足夠的信噪比。EMCCD 相機在高幀速率下仍能保持有效的靈敏度，因為電磁增益放大技術可以提高信噪比，從而能夠檢測到非常微弱的信號。

這使得 EMCCD 技術特別適用于動態、低光照應用，例如神經成像和蛋白質-蛋白質相互作用研究。

為什么與 EMCCD 相機相比，使用 sCMOS 相機實現高靈敏度和高速成像更具挑戰性？

在快速、低光照實驗中，可用光子數量少，信號強度往往低于高速sCMOS相機的檢測極限。此外，sCMOS傳感器在最高速模式下運行會顯著提高其噪聲基底，增加像素異常行為，并降低動態范圍。

裁剪或ROI等技術可以提高檢測器的性能，但并不總是足以達到可靠分析所需的信噪比水平。

相比之下，EMCCD中的電磁增益寄存器可以在讀出前放大少量光子，而不會相應增加噪聲。這使得即使在光子數量極其有限的條件下，也能以高幀速率進行有效檢測。EMCCD相機提高幀速率的代價是視場角減小。
 

▌5.EMCCD相機在藍光和近紅外波段具有最高的靈敏度。

EMCCD傳感器采用特殊涂層，可在藍光到近紅外（NIR）波段實現高量子效率。相比之下，sCMOS相機通常針對常用熒光染料（例如GFP）進行優化，其峰值靈敏度范圍為460-620 nm，超出此范圍響應迅速下降。

哪些應用需要具有擴展藍光和近紅外靈敏度的EMCCD？

對于需要在可見光范圍之外獲得高靈敏度的應用，EMCCD 技術仍然是好選擇。增強的紅色靈敏度對于成像較厚的組織尤為有利，因為減少散射和降低自發熒光至關重要。諸如 iXon Ultra EMCCD 相機之類的 EMCCD 提供定制的傳感器涂層，可增強從藍色到近紅外波段的檢測能力。

最近推出的 iXon Ultra Blue 可在光譜的藍區提供的性能，支持離子阱量子計算等要求高短波響應的應用。

▲ iXon Ultra，牛津儀器公司的高性能 EMCCD 相機
 

▌6.電磁增益的線性度和穩定性不再是實際的限制因素。

EMCCD攝像機剛問世時，人們對這項新技術提出了兩個主要擔憂：

• 電磁增益電壓與實際增益輸出之間的關系本質上是非線性的。我們如何在定量分析中保證測量精度？

• EM增益的長期穩定性（通常稱為EM增益老化）是否會限制相機的可用性和使用壽命？

這些問題在 iXon EMCCD 相機中已得到解決。

iXon EMCCD 相機如何保證 EM 增益線性度和長期穩定性？

• 電磁增益線性度：RealGain™ 通過將真實的電磁增益（定義為絕對信號倍增因子）精確映射到攝像機輸出，確保了精確的電磁增益線性度。這提供了長期穩定可靠的性能。

• EM增益老化：iXon EMCCD 相機采用專有設計，將電磁增益漂移降至極低水平，使其在正常工作條件下幾乎可以忽略不計。經過 20 多年的高強度使用，數千臺 iXon EMCCD 相機從未因電磁增益老化而無法使用。
 

▌7.通過光學掩蔽，EMCCD相機的速度最多可以提高三倍。

提高成像速度是常見的實驗需求，而減小有效成像區域是提高幀速率而不影響靈敏度和其他成像參數的常用方法。除了標準的數字裁剪之外，iXon EMCCD 相機還提供光學掩模功能，通過限制傳感器本身的照明區域來進一步提高速度。

光學掩蔽與傳統傳感器裁剪有何不同？

數字傳感器裁剪是一種非常有效的提高sCMOS和EMCCD相機成像速度的方法。可達到的幀速率取決于數據速率是受限于傳感器、計算機的數據接口（例如USB或CoaXPress）還是相機的數字化速率（例如8位、12位或16位數據）。

光學掩蔽是一種鮮為人知的技術，它通過物理方式阻止光線到達感興趣區域 (ROI) 以外的傳感器區域，從而實現更高的幀速率。在 iXon EMCCD 相機中，這項技術通過一種名為“ OptoMask ”的器件來實現，與標準裁剪模式相比，在某些 ROI 尺寸下，該器件可以將幀速率提高至三倍。

▌8.EMCCD攝像機的使用遠沒有人們想象的那么復雜。

由于EMCCD相機通常與先進的成像系統相關聯，且設置范圍更廣，因此人們有時會認為EMCCD相機比sCMOS相機更復雜。然而，實際上，像iXon Life 888這樣的現代EMCCD相機的操作難度并不比其他科學相機高多少，日常使用只需考慮少數幾個關鍵參數。

為什么 EMCCD 看起來很復雜，有效使用它們實際上需要什么？

人們感知到的EMCCD相機的復雜性，大多源于整個成像系統以及相機參數在采集軟件中的實現方式，而非相機技術本身。需要理解的主要參數是電磁增益，只需將其設置為合適的水平即可。

一般來說，EM增益應設置為讀出噪聲的四到五倍左右，對于大多數熒光顯微鏡應用而言，通常對應于250到400之間的值。EM增益設置好后，即可調整曝光時間以獲得所需的圖像質量。

牛津儀器公司的 OptAcquire 功能可以根據應用自動配置多個 EMCCD 參數，例如優化設置以獲得最大速度或最高靈敏度。

不同的成像方式對探測器性能的要求截然不同。基于熒光的成像通常只需要50-500毫秒的短曝光時間，而基于發光的成像則需要從幾秒到幾分鐘不等的較長信號積分時間。這些截然不同的要求通常意味著需要針對不同的應用使用不同的相機。

sCMOS相機針對靈敏度和高速成像進行了優化，因此非常適合短曝光成像。然而，即使是像Sona-6 Extreme這樣采用深度冷卻技術的型號，熱噪聲也會將曝光時間限制在10到20秒左右。

相比之下，iXon Ultra EMCCD 等 EMCCD 相機可以配置為兩種不同的工作模式。對于快速熒光成像，它提供高速讀出和 EM 增益，從而在短曝光時間內最大限度地提高靈敏度。對于長時間曝光實驗，該相機可以工作在慢掃描 CCD 模式下，結合深度冷卻技術，可最大限度地降低熱噪聲，并在發光實驗中實現最佳性能。

因此，iXon Ultra 具備“二合一相機”的靈活性，既可用于快速成像，也可用于慢速、長時間曝光實驗。

所有EMCCD攝像機都可以在CCD模式下運行嗎？

不可以。雖然任何EMCCD的電子倍增增益都可以設置為1（EM增益=1），但這并不意味著所有EMCCD都適合作為傳統CCD使用。CCD模式通常需要傳感器設計中配備一個獨立的傳統輸出放大器來旁路EM增益寄存器，因為在較長時間尺度下，EM增益寄存器可能會引入額外的噪聲源。因此，只有專為長時間曝光應用而設計的EMCCD才能提供真正的CCD模式性能。

iXon Ultra EMCCD 包含一個專用的 CCD 模式，非常適合長時間曝光成像。它還配備了機械快門，有利于控制到達傳感器的光線，并實現精確的背景扣除。其他型號不具備此功能。

請注意，iXon Life EMCCD 不包含 CCD 模式或機械快門，因為該產品系列專門針對需要 EMCCD 操作的熒光顯微鏡應用進行了優化。

▌10.EMCCD技術不斷發展和改進。

EMCCD相機有時被認為是一種成熟甚至過時的技術。但實際上，EMCCD仍然是一種積極發展的探測器技術，其性能、易用性以及針對需要很高靈敏度測量的應用優化都在不斷改進。

EMCCD性能的哪些方面仍需改進？

隨著時間的推移，EMCCD 的發展重點一直放在優化關鍵參數上，例如靈敏度、速度、穩定性、光譜響應和易用性。iXon 897 就是這一持續演進的鮮明例證，它是全球安裝量最大的 EMCCD 相機。盡管相機名稱基本保持不變，但歷次更新不斷提升了讀取速度、靈敏度和圖像質量，而且這種優化仍在繼續。

近期發展如何拓展了EMCCD的應用？

iXon Life系列產品將EMCCD的成本降低到接近背照式sCMOS探測器的水平，代表著生命科學市場的一項重大進步。這使得更多用戶和實驗室能夠使用EMCCD技術。

最近推出的 iXon Ultra Blue EMCCD 在光譜的藍色區域實現了檢測效率，滿足了離子阱量子計算等應用的新興需求。

這些發展共同凸顯了一個關鍵點：EMCCD 技術隨著科學需求的不斷發展而持續進步，并且對于對靈敏度和光譜性能要求很高的應用仍然具有很高的相關性。

 ▲iXon Life 和 iXon Ultra Blue EMCCD 相機系列，旨在推進 EMCCD 在各個研究領域的應用。

*本篇技術應用原文出自牛津儀器科技(上海)有限公司。