在光學顯微鏡的數字成像科學電荷耦合器件（CCD）傳感器的固有優勢，它們無處不在各種各樣的應用。 傳統高性能CCD相機的幾個顯著的缺點之一是，非常低的信號電平通常落在下方的傳感器的讀出噪聲本底，在數量限制的成像能力，目前生產的研究領域要求快速幀速率捕獲極低的光照水平。 CCD讀出噪聲低光級以上的信號放大采用電子倍增 CCD技術的一種創新的方法。 在全固態傳感器，通過將芯片上的的乘法增益（參見圖1），EMCCD達到單光子探測靈敏度典型的強化或電子轟擊CCD的低得多的成本，而不會影響的量子效率和傳統的CCD的結構的分辨率特性。

區分這本小說的新技術的主要特點是加入一個專門的擴展串行寄存器CCD芯片上，通過在硅的過程中碰撞電離，產生倍增增益。 通過提高設備的讀出噪聲，即使在高幀速率的光子產生的電荷，EMCCD滿足*低光成像應用的需要的能力，而無需使用外部圖像增強器。 因此，該方法適用于任何當前CCD傳感器硬件架構，包括背照式設備，并且采用電子倍增寄存器的傳感器是相當少的制造成本昂貴，由于被直接結合到CCD結構的信號放大級。

目前的研究重點在生物醫學科學的幾個主要領域依賴于特定的靶向亞細胞結構或適當熒光單分子為了遵循生物過程的動態。 結合極其小的的標本體積和低熒光濃度在此類實驗中使用的快速動力學要求高靈敏度和快速的幀速率的數據采集。 評價瞬變信號，低強度信號，如單分子調查，鈣離子或其它離子的通量測定，時間分辨三維顯微鏡（2,4-D技術）中所遇到的，電子倍增CCD提供顯著的優勢*過設計的低信號電平的其他傳感器。 此外，當與傳統的熒光成像技術的較高的信號電平，EMCCD系統的極端敏感性，允許使用較低的熒光基團的濃度和/或降低來自激勵源的功率電平，從而減少潛在毒性的活細胞，和光漂白的熒光探針。

基于CCD探測器的性能已得到顯著改善，近年來，和更高的靈敏度顯著降低了高性能，低光成像系統的檢測限。 量子效率*過了90％，讀出噪聲被限制為小于2電子（方均根）在某些背照式CCD攝像機。 這個級別的讀出噪聲性能是可以實現的，只有在適度的讀出速率，但是傳統的CCD傳感器。 當執行成像時在視頻幀速率和更快的讀出噪聲增加至不可接受的程度，相對于信號的，在低光照條件下。

一個行之有效的解決方案需要更高的幀速率時的讀出噪聲限制歷來聘請數乘以標本光子發射前檢測和讀出由傳統的CCD圖像增強。 在這種方法中，這是基于類似的光電倍增管的動作原理，信號被放大到所需的幀速率讀出產生的噪聲電平*過。 增強型CCD（ICCD）相機系統是目前*常用的成像方法的低光技術，如時間分辨熒光實驗，比成像離子敏感的熒光染料，在活細胞單分子熒光和其他動態研究。 這些系統有時也被稱為作為接近中心的影像增強器 ，利用緊密耦合的微通道板（MCP）電子倍增器的光電陰極。

從MCP輸出的放大后的電子被加速到熒光屏的電子轉換成光子，而其后在CCD表面的光學的中繼透鏡或光纖耦合直接通過中繼由一個高的電勢差。 由于從2500-5000伏的電位差保持跨分離組件的ICCD的間隙來加速電子，高的內部真空是必要的，在規定的移動設備以精確地裝配和完全無污染物。 因此，制造成本比較高，目前的增壓器，以及若干其他缺點，其中降低空間分辨率相比，相當于常規（非強化）的CCD，高背景噪聲，相對較低的量子效率（圖2），和易感性從暴露在高光水平不可逆的損壞。 ICCD的分辨率*終是由光電陰極，微通道板的輸出熒光體的分辨率的限制。

電子轟擊的CCD的（EBCCD）是一個廣泛使用的檢測器的變化為低照度攝像機系統，相似加劇的CCD，采用的光電陰極的光子到電子的轉換，然后在一個高電壓梯度由加速度。 高能電子撞擊直接在薄型背照式CCD，在那里他們生成多個電荷，導致適度的信號增益。 該設備可以工作在視頻的幀速率，但有限的增益調整范圍，并表現出類似的缺點，包括增強型CCD量子效率降低和分辨率，和潛在的外在形象，加強元件損壞，如果暴露在高光水平。 該電子倍增CCD芯片上的乘法增益用人的發展提供了基礎的攝像機實現信號的增益，使用外部的增強的系統的好處，同時保持習慣的CCD優點高，頻譜寬的量子效率（圖2），完全原生像素的分辨率，以及高光級別損壞的免疫力。

片上倍增增益

通過集成于每個像素的信號讀出之前，為了克服噪音，這是對每一幀僅產生一次讀的過程中，傳統的冷卻CCD攝像機可以達到比較高的靈敏度。 在低光照水平，需要長時間曝光，以積累足夠的信號，實現探測器的*大讀取噪聲性能。 因此，*大幀速率限制為每秒幾幀的幀的一個相對緩慢的部分。 合適的“慢掃描”的信號采集，探測器可以工作在光子散粒噪聲限制制度在實際應用中，傳統的背照式CCD系統提供**的整體性能，包括*大的量子效率（如在圖2中示出，其中需要考慮噪聲因素與電子倍增）。 然而，當它是需要捕獲時間的數據，需要視頻幀速率或更快，在非常低的光照水平，傳統的CCD攝像機是從根本上限制讀出噪聲。

的電子倍增CCD采用了結構的增強所捕獲的信號放大之前的電荷轉移到芯片上的放大器，該放大器的讀出噪聲和信號的關系，由乘法增益系數的值減少的效果。 非常弱的檢體的信號電平，因為可能會產生電荷包從一個單一的像素，只有極少數的電子，即使從一個高性能的CCD讀出緩慢，在讀出噪聲信號丟失。 EMCCD的主要優點是提供一種機制，以改善低于CCD讀底噪聲的信號電平的信號 - 噪聲比。 在實際應用中，需要極快的門控（納秒級），EMCCD是不恰當的，而且加劇的CCD保持優勢，在這種類型的快速動力學數據收集。

電子倍增CCD傳感器是利用傳統的CCD制造技術相對簡單的結構修改。 EMCCD的一個**的特點是一個移位寄存器和輸出放大器，簡稱為倍增寄存器或增益寄存器的末尾之間的電子倍增結構。 這種特殊的擴展串行寄存器提供在器件的有源像素陣列的光子檢測后的乘法增益，因此，該技術可以適應任何電流的CCD的結構和格式。 *廣泛使用的傳感器所產生的兩個公司率先技術采用幀傳輸體系結構中，相機廠商也推出了背照式電子倍增CCD的版本的基礎上的系統。

圖3中示出，其中的增益寄存器被添加到的幀傳輸的芯片面積，和傳統的串行寄存器的電荷轉移路徑，前片上的功能布局的幀傳輸式電子倍增CCD電荷 - 電壓轉換電路。 額外的寄存器的結構的不同的定時的移位寄存器中，電子被加速的各個元素之間的應用在一些傳輸電極的電壓高得多的時鐘倍增寄存器。 通過施加高于正常電壓，當電荷轉移產生的二次電子碰撞電離的過程中，在硅。 在增益乘以寄存器，每個階段包括四個門，其中三個是主頻為常規的3相結構，與第四（階段1和2之間）被關押在一個較低的固定的直流（DC）的潛力。

圖4示出了通過柵極的電荷轉移。 請注意，時鐘階段1和3（R1和R3）的柵極驅動脈沖正常的潛力，這通常是在5至15伏的順序（注意，R1柵極零電位為圖4中所示的定時相）。 可以采用這些門中使用的相同的階段經常讀出寄存器的時鐘脈沖。 第2階段（圖3中的R2）的時鐘頻率為較高的電壓（35-50伏）之前，保持在一個低的DC電平（表示在圖4中由低DC柵極）的柵極。 固定電平的柵極和高電壓柵極時鐘結果在足夠的電場強度，以維持碰撞電離過程中作為電子從階段1到階段2，在正常的定時序列之間的電位差。 雖然僅在1.01至1.016的順序每次傳輸的電荷倍增，倍增寄存器中的像素（水平像素陣列的大小依賴于）大量積累的增益是實質性的，并且可以是幾百或幾千。 乘法增益指數是正比于所施加的高階段2電壓，并通過不同的時鐘電壓，可以增加或減少。

圖5（a）示出的增益的指數增加，伴隨著增加的幅度定時施加電壓的第2階段的電極。 很明顯，相對較小的調整的電壓*過一定值時，在芯片上的乘法增益大的變化的結果。 在EMCCD相機系統，該電壓的調整，通常映射到一個高分辨率的數字 - 模擬轉換器，它可以精確地控制通過計算機軟件。 盡管非常低的概率發生碰撞電離和低平均每級增益，整體增益因子的乘法寄存器中可以很容易地*過1000倍，由于大量像素的電子的電荷包生長在級聯時尚。 產生二次電子的概率是依賴于在串行時鐘的電壓水平和CCD溫度，如上文所述，典型的范圍為1?1.6％。 雖然是由一個復雜的函數，所述的二次電子的產生的概率（M）的級聯倍增寄存器中的元素的總增益由以下：

其中g是的概率產生的二次電子和 N是倍增寄存器中的像素的數目。 的CCD具有512個元素在增益寄存器和沖擊電離幾率為1.3％（0.013），因此，會產生一個電荷倍增總收益*過744。

由于時鐘電壓增益的乘法（指數）的關系，可調節范圍寬，允許設置增益以足夠高的水平，有效地降低到微不足道的水平，在大多數成像條件下，讀出噪聲。 由于乘法增益設置增益的水平相當于電子讀出噪聲，利用讀出頻率，獨立的讀出速度，產生一個有效的電子均方根噪聲。 *出此范圍，增加收益減少噪音電子水平。值得注意的是，通過利用更高的增益設置在更高的幀速率，這種噪聲性能可以在任何速度下實現的。 作為一個例子，一個電流的高性能的背照式電子倍增CCD，具有讀出噪聲規格60電子rms的頻率是10兆赫茲，可以實現與任何片上的的乘法增益值大于或等于60的一個子電子的有效噪聲電平。

額外的噪聲和性能變量

幾個額外的因素是電子倍增CCD芯片，其中芯片上的增益和動態范圍，其他的增益相關的噪聲源，量子效率的評價，和注意事項的圖像傳感器的冷卻要求之間的關系的性能方面具有重要意義。 碰撞電離過程中，在專門的串行寄存器的電子轉移過程中產生的電荷增益的效率依賴于溫度成反比。 產生的二次電子的概率隨著溫度下降，因而一個精心設計的冷卻系統配備的相機是能夠在較低的時鐘電壓的設定值，以實現更高的增益值。

冷卻的*佳水平取決于相機上的系統和應用程序，但倍增增益隨溫度的變化示出，以避免將噪聲添加到所測量的信號保持精確的溫度穩定性的重要性。 所產生的熱在電子倍增CCD的暗電流產生的暗噪聲是相同的，在常規的CCD，并同樣減少了冷卻的傳感器。 與傳統的高性能檢測器，該傳感器通常是冷卻到一個溫度，在該溫度下，在預期的積分（曝光）的時間間隔是可以忽略不計的暗電流產生的散粒噪聲。 一旦暗噪聲遠低于噪聲與信號讀出，進一步冷卻不提供任何額外的實際利益。

電子倍增CCD攝像機芯片上的乘法運算時，利用讀出的噪聲電平的信號，提升，能夠檢測甚至單光子事件，必須認識到，任何未抑制暗電流的電平是顯著的，因為它是受一起相乘的信號。 因此，在理想的情況下，暗電流應完全消除在EMCCD，一些相機系統設計，以減少CCD溫度為攝氏-75度或更低的冷卻系統被并入。

需要注意的是不同的噪聲分量增強型CCD系統有關。 當信號被放大上述兩個暗電流和讀出噪聲在ICCD，使更多的冷卻不太有利的，增強光電陰極中產生的噪聲的另一個來源，簡稱為等效背景照度（EBI），發生在加強系統。 電子倍增CCD并沒有表現出EBI，總體而言，暗電流是一個不太顯著的限制，有效的散熱增強型CCD相機比EBI是EMCCD。 雖然增加冷卻可以降低EBI的光陰，更復雜的多組分結構加劇的CCD，通常包括光纖接頭有效的冷卻系統，更實用。

由于碰撞電離過程中利用在EMCCD的概率性質，統計的變化發生在芯片上的乘法增益。 產生的增益的不確定性引入了一個額外的系統噪聲分量作為過量噪聲系數 （或簡稱為噪聲系數 ），作為黑暗和在攝像系統中的光子產生的信號倍乘因子，這是定量評價。 多余的噪音因素為不同的低信號的檢測器類型而異，應占的損失機制的組合（如果存在的話）的統計學偏差的電子倍增過程中所產生無論是在硅晶體的晶格中的EMCCD或微通道板ICCD。

傳統的CCD，沒有任何重大損失機制或額外的噪聲放大過程的統一，具有噪聲系數一樣EMCCD利用正常的的時鐘電壓和不產生倍增增益。 隨著越來越多的增益設置，統計變化開始添加額外的噪聲，其幅度取決于信號電平的增益和。 根據理論的電子倍增過程中，多余的噪聲系數是約1.4的增益電平在很寬的范圍內。 實驗測量通常較低，倍增增益系數在1.0和1.4之間的范圍可達1000倍。 值1.3是一種常見的說法的平均為EMCCDs，在噪聲因素加劇的CCD，采用第二代和第三代拍攝和無膠片光陰的1.6至2相比。 攝制的圖像增強器一般具有較高的噪聲因素，因為電子的電影施加的額外損失機制。

一個EMCCD噪聲現象存在，并沒有等效加劇的CCD，被稱為雜散電荷或時鐘感生電荷（CIC）。 當電子被轉移的定時脈沖的影響下，通過倍增寄存器，時鐘波形的急劇屈折變化產生碰撞電離，在一小部分的轉移，甚至與正常時鐘電壓。 此外，時鐘脈沖可能會產生二次電子，即使在沒有一次電子轉讓本。 時鐘波形的幅度和邊緣通過仔細操縱，制造商可以*大限度地減少CIC，這通常是估計在約100傳輸產生只有一個電子。 即使是在高性能，低噪聲常規的CCD，完全失去了時鐘感生電荷讀出噪聲，但是EMCCD在高增益設置，產生額外的CIC，一般被視為額外部分的暗相關的信號。

時鐘感應電荷是獨立的曝光時間，但是，因為它是由于碰撞電離，它通常被認為是隨著溫度的降低而增加，正如電子倍增一樣。 當EMCCDs用在高增益，單電子事件記錄圖像中的尖峰，從CIC任何貢獻似乎是可見的。 EMCCD在典型的操作條件下，背景事件，從而導致這樣的尖峰，而不是讀出噪聲，確定相機的檢測極限。 近期暗的圖像由一個制造商在各種冷卻溫度下進行的測試表明CIC貢獻，無論是暗電流，它不會出現設置一個冷卻限制，低至-95攝氏度的溫度降低。 在這些測試中，出現上面的讀出噪聲背景尖峰暗電流，并顯著減少，溫度降低。

的電子倍增CCD的信號-噪聲比（SNR）的評價需要在計算中應用的CCD傳感器的常規表達式進行修改以反映芯片上的乘法增益和過量的噪聲系數的效果。 有效SNR是相當于從所有來源的組合噪聲除以積分區間期間檢測每個像素的光子的總數，如下所示：

其中，F表示多余的噪聲系數，D是總的暗信號，N（r）是相機的讀出噪聲，且M是芯片上的乘法增益。 在分母中的噪音條款表示熟悉的CCD噪聲成分，光子散粒噪聲，暗噪聲，讀出噪聲，分別用適當的修改考慮到具體的過程中，芯片上的乘法增益損耗機制和統計噪聲源。 這是通過將多余的噪聲因數（F）的前兩個條件，相乘的增益因子（M），以讀出的噪聲項。 有效射門噪聲和暗噪聲增加多余的噪聲系數，同時實現倍增增益增益寄存器讀出噪聲降低了。

的固態芯片上的電子倍增的電子倍增CCD給出了一些加強的CCD芯片，其中保存的空間分辨率的CCD，量子效率和**的性能，由于不被約束的增強熒光體的局限性決定的優勢。 在比較不同類型的檢測器的量子效率，所有損失機制和統計噪聲源的效果必須加以考慮。 在得到的有效量子效率，電子倍增CCD的，尤其是背照式的版本而言，表現出更廣泛和更高的量子效率比任何其他低光檢測器的值。

正如前面所討論的，可以采用電子倍增增益可以克服任何讀出噪聲，盡管它是可取的，以盡量減少這一因素，因為在一定程度上，在傳感器的動態范圍（圖5（b）中示出）的限制，增加增益的結果。 雖然的照相機系統的模擬 - 數字轉換器的位深度確定*大動態范圍，在*出所需克服的讀出噪聲的增益電平，動態范圍將降低，因為相乘后的信號*過像素的全阱容量和/或放大器的輸出能力。 通過采取具體的設計步驟，以*大限度地提高全井深和放大器吞吐量，中等增益和高幀速率，能夠提供高比特深度成像相機制造商。 因為這需要進行優化，以較高的速度讀出放大器讀出噪聲規范必然增加。 用人的EMCCD乘法增益克服增加讀出噪聲，但遭受了系統的動態范圍，限制使用相機經得起慢讀出明亮的信號。 保持充分的動態范圍，一些電子倍增攝像系統配備雙放大器（參見圖6），慢掃描的寬動態范圍的應用，如明場或熒光成像，包括常規的單元，以及一個高速放大器高靈敏度的操作，需要使用的芯片上的增益。 這樣的組合提供了一個攝像系統，與傳統的CCD分辨率高，量子效率高，可實現的具有*高的靈敏度和寬動態范圍的優點。