靈活的電子架構擴展了科學相機的實用性

圖 1：兩個獨立的放大器針對高容量讀出和高靈敏度讀出進行了優(yōu)化，擴展了 CCD 相機的實用性。

介紹

歸根結底，科學相機的真正價值取決于其是否能夠靈活地滿足特定研究人員認為最有用的性能要求。近年來，隨著許多學科不斷發(fā)展，涵蓋了更多不同的調查技術，關鍵要求也不斷擴大。在尋找滿足各種需求的科學相機時，必須確保尋找功能最豐富、性能比較高的解決方案。

本文介紹了 Teledyne Princeton Instruments 科學 CCD 相機靈活的電子結構如何擴展應用效用，以促進多個領域的研究。這些 CCD 相機的獨特設計具有一對輸出放大器，每個放大器都有自己的軟件可選速度和增益設置，從而使研究人員能夠根據各種 x 射線、成像和光譜應用定制性能。

雙放大器設計

Teledyne Princeton Instruments 獨有的雙放大器配置提供了兩個獨立的放大器，其電子元件分別針對高容量讀出和高靈敏度讀出進行了優(yōu)化(圖 1)。高容量放大器通過增加滿阱容量來提供更寬的動態(tài)范圍，實際上允許 CCD 陣列的每個像素收集更多的光子。一般來說，高容量放大器用于涉及中能 X 射線或高水平入射光的應用。同時，高靈敏度放大器旨在提供盡可能低的讀取噪聲在給定的讀出頻率下。通常，高靈敏度放大器用于涉及低能X射線或低水平入射光的應用。

可選速度和增益

高容量和高靈敏度放大器均提供各自獨立的、可通過軟件選擇的速度和增益設置，使研究人員能夠微調相機性能。當入射光或能量足以快速獲取圖像而不會影響結果時，或者在聚焦模式下設置實驗時，可以使用更快的讀出速度來快速獲取圖像。較慢的讀出速度可通過保留動態(tài)范圍和提高信噪比 (SNR) 來提供高靈敏度。

請注意，信噪比是指信號相對于該信號中每個像素的不確定性的相對幅度。具體來說，它是該像素處測量信號與總測量噪聲(幀到幀)的比率。準確計算 SNR 必須考慮CCD 相機中的三個主要噪聲源：與光子通量相關的散粒噪聲、熱產生的暗噪聲和上述讀取噪聲，以及幾個額外的噪聲源。高 SNR 在需要精確光測量的應用中尤為重要。

與可選讀出速度一樣，可選增益設置也為研究人員提供了調整相機性能的寶貴工具。增益定義與單個模擬/數字單元(e-/ADU) 相對應的電子數量。例如，增益為 4 表示相機將 CCD 信號數字化，以便每個 ADU 對應 4 個電子。在應用增益之前，CCD 檢測到的每個光子都會根據光子的能量產生給定數量的電子。

軟X射線應用

軟 X 射線的光子能量約為 100 eV 至 1000 eV(12.4 nm 至 1.24 nm)。這些波長使研究人員能夠利用高空間分辨率X 射線顯微鏡技術，該技術可在微米厚的樣本中提供良好的穿透性，而無需電子顯微鏡所需的繁瑣樣品制備。軟 X 射線還可以通過在碳和氧吸收邊緣之間所謂的“水窗口”(284 eV 至 543 eV)中提供有機材料(例如蛋白質)和水之間的出色內在對比度來實現樣本的元素分析。

在 250 eV 時，CCD 檢測到的每個光子僅產生 68.5 個電子;在 100 eV 時，檢測到的每個光子僅產生 27.4 個電子。因此，在使用軟 X 射線時，應使用高靈敏度放大器。較慢的速度設置可以進一步提高靈敏度。此外，應使用高靈敏度放大器的增益設置來優(yōu)化動態(tài)范圍和 SNR，以實現所需的圖像對比度。X 射線能量本身也可以調整以獲得所需的對比度。

硬 X 射線應用

硬 X 射線的光子能量大于 1000 eV (1 keV)。在此范圍內，一種越來越流行的 X 射線成像應用是相干 X 射線衍射成像，也稱為無透鏡 X 射線衍射成像。在這種技術中，CCD 相機用于檢測粉紅色 X 射線束照射非晶體樣本時產生的連續(xù)衍射圖案。相干 X 射線衍射成像的使用范圍正在從軟 X 射線范圍(用于對生物樣本進行成像)擴展到 5 keV 至 7 keV 范圍(用于對納米顆粒進行成像)。

另一個使用硬 X 射線的應用是X 射線光子相關光譜法(XPCS)。在這種技術中，樣品中散射光的頻率和強度波動(由溫度和壓力變化引起)在 8 keV 下成像。

即使在 1 keV 左右的中能 X 射線范圍下限，CCD 檢測到的每個光子也會產生 274 個電子。因此，由于不需要額外的靈敏度來提高信噪比，研究人員在處理硬 X 射線時應使用高容量放大器。由于靈敏度已經足夠，信號充足，較慢的讀出速度和較高的增益設置通常對這種能量范圍沒有太大幫助。

拉曼光譜

拉曼光譜是一種非常流行的研究固體、液體和氣體的技術，它基于單色光的散射。激發(fā)光被樣品吸收，然后重新發(fā)射;由此產生的“拉曼位移”提供了有關振動、旋轉和其他分子模式的信息。由于這種光子匱乏的應用所采用的像素合并會增加噪聲和信號，因此應使用高靈敏度放大器以及較慢的讀出速度和中高增益來提高 SNR，同時保持寬動態(tài)范圍。

結論

Teledyne Princeton Instruments 科學級 CCD 具有靈活的電子結構，提供兩個不同的輸出放大器，分別用于實現比較好的高容量和高靈敏度讀出?？梢允褂妹總€放大器的軟件可選速度和增益設置進一步優(yōu)化相機性能。這種內置的多功能性使研究人員能夠將單個科學相機用于更廣泛的應用，而不會犧牲高性能。

審核編輯 黃宇