現(xiàn)階段EMCCD在弱光成像領域的地位似乎正面臨sCMOS技術的全面威脅，屬于EMCCD的時代結束了嗎,？本篇文章不會在原理上做過多深度解析,，而是對大家更關心的結論性問題做了總結性輸出，相信能幫助使用者理解兩者之間的區(qū)別,，作為產(chǎn)品選型時的參考,。
》》EMCCD的崛起之路《《
EMCCD的出現(xiàn)曾是一場技術革命，它通過降低讀出噪聲來大幅提高相機的靈敏度,，或者更準確地說是通過放大信號使讀出噪聲相對變小,，在單分子級別的極弱光應用中備受推崇。
早在1990年代初,，e2V（現(xiàn)在的Teledyne e2V）和德州儀器（TI）就推出了EMCCD的第一代技術,，但這項技術直到1990年代末才最終取得實質性進展。其中512x512分辨率,、16μm像元以及背照式設計方案逐漸成為EMCCD的主流技術方案,，并在業(yè)內產(chǎn)生了深遠影響。
圖1 EMCCD工作原理示意圖：EMCCD的增益寄存器可以對信號進行成百上千倍的放大,，因為這個過程發(fā)生在芯片數(shù)據(jù)讀出前,，所以不會放大讀出噪聲。
16μm像元在顯微鏡下收集到的信號是當時主流CCD（Sony ICX285芯片）的6倍,，再加上背照式的設計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個電子以下也是EMCCD崛起的關鍵，這使得它在單光子等極限信號探測領域里所向披靡,。即使它的增益技術并不完善,，這個過程會放大信號的不確定性，還會使得散粒噪聲,、暗電流噪聲等變?yōu)?.4倍,；但好在它僅為極弱光而生，高達3萬美元的售價就足見其實力優(yōu)勢,，和當時的CCD不是一個層級的競爭關系,。
》》EMCCD面臨的挑戰(zhàn)《《
EMCCD技術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，開始替代一部分高靈敏度應用,；接著是2016年的背照式sCMOS面世,，像元尺寸和背照式技術優(yōu)勢的疊加使其靈敏度較前照式技術提高了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時代即將終結,。
》》EMCCD和sCMOS的較量《《
但實際上,，sCMOS的臨門一腳首先還是和像元大小有關。雖然前文提到的6.5μm像元可以進行更高分辨率的成像,，但我們不得不承認其收集光子的能力要遠小于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一差距,，但別忘了這同時也會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,，而不會通過像素合并把它合并成一個更大的像元使用，因為這會將讀出噪聲從原本的1.5e-增加到3e-以上,，在個位數(shù)的極弱光領域得不償失,。
圖3 sCMOS Binning功能示意圖：sCMOS技術目前僅能進行數(shù)字Binning,，因為像素合并發(fā)生在芯片數(shù)據(jù)讀出后,，所以Binning不僅會合并信號，也會合并讀出噪聲,。
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)可以達到一致的水平,，但對比一下兩者的電子,、灰度的轉化比例，你就不得不感嘆EMCCD增益的威力了：理論上EMCCD單個電子通常會轉化為上百個灰度,，但sCMOS每個電子只能實現(xiàn)2-4個灰度的轉化比,，這使得EMCCD的圖像有更佳的對比度。
圖4 sCMOS和EMCCD灰度轉化比示意圖,。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,。
最后,，我們還要提一下全局快門,。這種快門方式在采集轉瞬即逝的高速信號，和在復雜的系統(tǒng)中非常好用?，F(xiàn)階段,，大部分sCMOS相機為了保持在弱光成像時的靈敏度，仍然優(yōu)先選擇卷簾快門,，即使提供了全局重置（Global Reset）功能,，能夠適用于一部分同步拍攝的需求，但還是無法復刻EMCCD全局快門的優(yōu)勢,。
圖5 卷簾和全局快門的曝光示意圖
上述所列的幾個技術點都和sCMOS所采用的芯片底層技術邏輯有關,。目前的背照式sCMOS產(chǎn)品中，鑫圖Aries 16是一款和EMCCD（512 x 512）技術性能較為相近的sCMOS相機,。它具有16μm大像元,，0.9e-的讀出噪聲，無需使用binning就可以直接應用在差不多5個光子級的弱信號探測中,，而且價格僅為EMCCD的一半,。
圖6 鑫圖Aries 16產(chǎn)品圖及主要參數(shù)
》》EMCCD時代真的結束了嗎《《
不，EMCCD還沒有被全部替代,，直到有一天我們能夠再次創(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好比一架協(xié)和超音速飛機（Concorde — 是世界上少數(shù)曾投入商業(yè)使用的超音速客機,，于1976年進行商業(yè)首飛，但因載客量有限,，最終于2003年退役）,，每個人都會喜歡它，但并不是所有人都真的需要它,。如果有個新選擇也能成功到達大洋彼岸,，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小時,，我想大部分人都會考慮換乘吧。
EMCCD始終會是一小部分應用的選擇,，只是這部分應用越來越少了,。我們感嘆EMCCD成就的同時，也不得不感嘆時代的車輪滾滾向前,，總是驅動著進步發(fā)生,。向時代潮流中所有偉大的發(fā)明創(chuàng)造者們致敬！
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