》》EMCCD的崛起之路《《

EMCCD的出現(xiàn)曾是***場技術(shù)革命，它通過降低讀出噪聲來大幅提高相機(jī)的靈敏度，或者更準(zhǔn)確地說是通過放大信號使讀出噪聲相對變小，在單分子***別的極弱光應(yīng)用中備受推崇。

早在1990年代初，e2V（現(xiàn)在的Teledyne e2V）和德州儀器（TI）就推出了EMCCD的第***代技術(shù)，但這項(xiàng)技術(shù)直到1990年代末才***終取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。其中512x512分辨率、16μm像元以及背照式設(shè)計(jì)方案逐漸成為EMCCD的主流技術(shù)方案，并在業(yè)內(nèi)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

圖1 EMCCD工作原理示意圖：EMCCD的增益寄存器可以對信號進(jìn)行成百上千倍的放大，因?yàn)檫@個(gè)過程發(fā)生在芯片數(shù)據(jù)讀出前，所以不會(huì)放大讀出噪聲。

16μm像元在顯微鏡下收集到的信號是當(dāng)時(shí)主流CCD（Sony ICX285芯片）的6倍，再加上背照式的設(shè)計(jì)帶來的量子效率提升，使得EMCCD即使不用EM增益放大，靈敏度仍是CCD的7倍。

除了像素大小和背照式帶來的靈敏度大幅提升，讀出噪聲降至1個(gè)電子以下也是EMCCD崛起的關(guān)鍵，這使得它在單光子等極限信號探測領(lǐng)域里所向披靡。即使它的增益技術(shù)并不完美，這個(gè)過程會(huì)放大信號的不確定性，還會(huì)使得散粒噪聲、暗電流噪聲等變?yōu)?.4倍；但好在它僅為極弱光而生，高達(dá)3萬美元的售價(jià)就足見其實(shí)力無可匹敵，和當(dāng)時(shí)的CCD不是***個(gè)層***的競爭關(guān)系。

》》EMCCD面臨的挑戰(zhàn)《《

EMCCD技術(shù)本身存在的乘性噪聲和增益老化等不利的因素，隨著sCMOS技術(shù)的崛起，EMCCD迎來了正面沖擊。

圖2 EMCCD信噪比公式：G為EM Gain值，F(xiàn)為額外噪聲因子（約1.414）

剛開始是前照式sCMOS，6.5μm像元的讀出噪聲降到了1.5e-左右的水平，開始替代***部分高靈敏度應(yīng)用；接著是2016年的背照式sCMOS面世，像元尺寸和背照式技術(shù)優(yōu)勢的疊加使其靈敏度較前照式技術(shù)提高了3.5倍以上，逐步逼近EMCCD水平；而到了2021年，sCMOS則再次將讀出噪聲降到了＜0.5e-的亞電子水平。所有這些似乎意味著EMCCD時(shí)代即將終結(jié)。

》》EMCCD和sCMOS的較量《《

但實(shí)際上，sCMOS的臨門***腳***先還是和像元大小有關(guān)。雖然前文提到的6.5μm像元可以進(jìn)行更高分辨率的成像，但我們不得不承認(rèn)其收集光子的能力要遠(yuǎn)小于16μm的像元，兩者有著近6倍的差距。像素合并功能可以幫助解決這***差距，但別忘了這同時(shí)也會(huì)讓讀出噪聲成倍增加。這也正是為什么人們更喜歡直接使用6.5μm像元，而不會(huì)通過像素合并把它合并成***個(gè)更大的像元使用，因?yàn)檫@會(huì)將讀出噪聲從原本的1.5e-增加到3e-以上，在個(gè)位數(shù)的極弱光領(lǐng)域得不償失。

圖3 sCMOS Binning功能示意圖：sCMOS技術(shù)目前僅能進(jìn)行數(shù)字Binning，因?yàn)橄袼睾喜l(fā)生在芯片數(shù)據(jù)讀出后，所以Binning不僅會(huì)合并信號，也會(huì)合并讀出噪聲。

另外，增益帶來的對比度優(yōu)勢現(xiàn)階段仍然不可替代。即使sCMOS和EMCCD的讀出噪聲已經(jīng)可以達(dá)到***致的水平，但對比***下兩者的電子、灰度的轉(zhuǎn)化比例，你就不得不感嘆EMCCD增益的威力了：理論上EMCCD單個(gè)電子通常會(huì)轉(zhuǎn)化為上百個(gè)灰度，但sCMOS每個(gè)電子只能實(shí)現(xiàn)2-4個(gè)灰度的轉(zhuǎn)化比，這使得EMCCD的圖像有更佳的對比度。

圖4 sCMOS和EMCCD灰度轉(zhuǎn)化比示意圖。EMCCD由于讀出噪聲相對很低，在背景信號僅為讀出噪聲的成像模式下，其圖像有更高的信背比。

***后，我們還要提***下全局快門。這種快門方式在采集轉(zhuǎn)瞬即逝的高速信號，和在復(fù)雜的系統(tǒng)中非常好用。現(xiàn)階段，大部分sCMOS相機(jī)為了保持在弱光成像時(shí)的靈敏度，仍然***選卷簾快門，即使提供了全局重置（Global Reset）功能，能夠適用于***部分同步拍攝的需求，但還是無法完全達(dá)到EMCCD全局快門的優(yōu)勢。

圖5 卷簾和全局快門的曝光示意圖

上述所列的幾個(gè)技術(shù)點(diǎn)都和sCMOS所采用的芯片底層技術(shù)邏輯有關(guān)。目前的背照式sCMOS產(chǎn)品中，鑫圖Aries 16是***款和EMCCD（512 x 512）技術(shù)性能較為相近的sCMOS相機(jī)。它具有16μm大像元，0.9e-的讀出噪聲，無需使用binning就可以直接應(yīng)用在差不多5個(gè)光子***的弱信號探測中，而且價(jià)格僅為EMCCD的***半。

圖6 鑫圖Aries 16產(chǎn)品圖及主要參數(shù)

不，EMCCD還沒有完全被替代，直到有***天我們能夠再次創(chuàng)造這么偉大的發(fā)明。但它的問題也依然存在：乘性噪聲、增益老化、速度、視野、成本，然后還有出口管制……

EMCCD好比***架協(xié)和超音速飛機(jī)（Concorde），每個(gè)人都會(huì)喜歡它，但并不是所有人都真的需要它。如果有個(gè)新選擇也能成功到達(dá)大洋彼岸，不需要額外的支出，還提供更大的座位和平躺的床，讓您能夠美美地在空中睡上三個(gè)小時(shí)，我想大部分人都會(huì)考慮換乘吧。

圖7 協(xié)和超音速飛機(jī)（Concorde）是世界上少數(shù)曾投入商業(yè)使用的超音速客機(jī)，于1976年進(jìn)行商業(yè)***飛，但因載客量有限，***終于2003年退役。（圖片來源網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除）。

EMCCD始終會(huì)是***小部分應(yīng)用的選擇，只是這部分應(yīng)用越來越少了。我們感嘆EMCCD成就的同時(shí)，也不得不感嘆時(shí)代的車輪滾滾向前，總是驅(qū)動(dòng)著進(jìn)步發(fā)生。向時(shí)代潮流中所有偉大的發(fā)明創(chuàng)造者們致敬！