圖 1：兩個(gè)獨(dú)立的放大器針對高容量讀出和高靈敏度讀出進(jìn)行了優(yōu)化，擴(kuò)展了 CCD 相機(jī)的實(shí)用性。

介紹

歸根結(jié)底，科學(xué)相機(jī)的真正價(jià)值取決于其是否能夠靈活地滿足特定研究人員認(rèn)為最有用的性能要求。近年來，隨著許多學(xué)科不斷發(fā)展，涵蓋了更多不同的調(diào)查技術(shù)，關(guān)鍵要求也不斷擴(kuò)大。在尋找滿足各種需求的科學(xué)相機(jī)時(shí)，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(xué) CCD 相機(jī)靈活的電子結(jié)構(gòu)如何擴(kuò)展應(yīng)用效用，以促進(jìn)多個(gè)領(lǐng)域的研究。這些 CCD 相機(jī)的獨(dú)特設(shè)計(jì)具有一對輸出放大器，每個(gè)放大器都有自己的軟件可選速度和增益設(shè)置，從而使研究人員能夠根據(jù)各種 x 射線、成像和光譜應(yīng)用定制性能。

雙放大器設(shè)計(jì)

Teledyne Princeton Instruments 獨(dú)有的雙放大器配置提供了兩個(gè)獨(dú)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(jìn)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(dòng)態(tài)范圍，實(shí)際上允許 CCD 陣列的每個(gè)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(yīng)用。同時(shí)，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(yīng)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(dú)立的、可通過軟件選擇的速度和增益設(shè)置，使研究人員能夠微調(diào)相機(jī)性能。當(dāng)入射光或能量足以快速獲取圖像而不會影響結(jié)果時(shí)，或者在聚焦模式下設(shè)置實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(dòng)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(gè)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(zhǔn)確計(jì)算 SNR 必須考慮CCD 相機(jī)中的三個(gè)主要噪聲源：與光子通量相關(guān)的散粒噪聲、熱產(chǎn)生的暗噪聲和上述讀取噪聲，以及幾個(gè)額外的噪聲源。高 SNR 在需要精確光測量的應(yīng)用中尤為重要。

與可選讀出速度一樣，可選增益設(shè)置也為研究人員提供了調(diào)整相機(jī)性能的寶貴工具。增益定義與單個(gè)模擬/數(shù)字單元(e-/ADU) 相對應(yīng)的電子數(shù)量。例如，增益為 4 表示相機(jī)將 CCD 信號數(shù)字化，以便每個(gè) ADU 對應(yīng) 4 個(gè)電子。在應(yīng)用增益之前，CCD 檢測到的每個(gè)光子都會根據(jù)光子的能量產(chǎn)生給定數(shù)量的電子。

軟X射線應(yīng)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(shù)，該技術(shù)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(jī)材料(例如蛋白質(zhì))和水之間的出色內(nèi)在對比度來實(shí)現(xiàn)樣本的元素分析。

在 250 eV 時(shí)，CCD 檢測到的每個(gè)光子僅產(chǎn)生 68.5 個(gè)電子;在 100 eV 時(shí)，檢測到的每個(gè)光子僅產(chǎn)生 27.4 個(gè)電子。因此，在使用軟 X 射線時(shí)，應(yīng)使用高靈敏度放大器。較慢的速度設(shè)置可以進(jìn)一步提高靈敏度。此外，應(yīng)使用高靈敏度放大器的增益設(shè)置來優(yōu)化動(dòng)態(tài)范圍和 SNR，以實(shí)現(xiàn)所需的圖像對比度。X 射線能量本身也可以調(diào)整以獲得所需的對比度。

硬 X 射線應(yīng)用

硬 X 射線的光子能量大于 1000 eV (1 keV)。在此范圍內(nèi)，一種越來越流行的 X 射線成像應(yīng)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(shù)中，CCD 相機(jī)用于檢測粉紅色 X 射線束照射非晶體樣本時(shí)產(chǎn)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(jìn)行成像)擴(kuò)展到 5 keV 至 7 keV 范圍(用于對納米顆粒進(jìn)行成像)。

另一個(gè)使用硬 X 射線的應(yīng)用是X 射線光子相關(guān)光譜法(XPCS)。在這種技術(shù)中，樣品中散射光的頻率和強(qiáng)度波動(dòng)(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(gè)光子也會產(chǎn)生 274 個(gè)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(shí)應(yīng)使用高容量放大器。由于靈敏度已經(jīng)足夠，信號充足，較慢的讀出速度和較高的增益設(shè)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(shù)，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(chǎn)生的“拉曼位移”提供了有關(guān)振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和其他分子模式的信息。由于這種光子匱乏的應(yīng)用所采用的像素合并會增加噪聲和信號，因此應(yīng)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(shí)保持寬動(dòng)態(tài)范圍。

結(jié)論

Teledyne Princeton Instruments 科學(xué)級 CCD 具有靈活的電子結(jié)構(gòu)，提供兩個(gè)不同的輸出放大器，分別用于實(shí)現(xiàn)比較好的高容量和高靈敏度讀出。可以使用每個(gè)放大器的軟件可選速度和增益設(shè)置進(jìn)一步優(yōu)化相機(jī)性能。這種內(nèi)置的多功能性使研究人員能夠?qū)蝹€(gè)科學(xué)相機(jī)用于更廣泛的應(yīng)用，而不會犧牲高性能。

審核編輯 黃宇