了解增强型sCMOS成像一：图像增强的动因和原理
【序言】
图像增强器能增加系统中的光强，进而在弱光下实现更好的图像重现。然而，鉴于相机技术的巨大进步，仍然存在关于图像增强技术是否必要的疑问。本白皮书探究了必需这种复杂技术来应对的挑战，同时提及了包括下一代增强成像技术的多种方法。
1. 图像增强的动因
图像增强器能增加系统中的光强，从而在弱光下实现更好的图像重现。但是随着相机技术的进步，我们仍然需要图像增强型相机吗？我们一起来探究那些必需这种复杂技术来应对的挑战，也许会有助于回答这个问题。
有史以来，对于实际的科学应用而言，图像增强技术是从仅仅几个发射的光子中提取有价值信息的最佳方法，不过这已成为过去。现如今，当要捕获的光子很少时，emCCD和新出现的sCMOS由于具有多种优点（如高图像质量、高分辨率和易于操作等）已成为首选方案。
但是，如果必须在极短的几纳秒曝光时间内检测到几个光子，则图像增强技术仍然有用，这是emCCD和sCMOS无可比拟的。图像增强器可实现极快的曝光时间——通常被称为门控。
即使增强器单元与最快最先进的sCMOS传感器耦合，纳秒级的曝光时间也比相应传感器的读出时间快了约6个数量级。因此，读出过程中 “漏光”极少是至关重要的，用术语“快门比”可以最好地定量描述该漏光率。对形成光信号路径的不同组件进行适当的同步和控制可以获得优于10-9的快门比。
典型的CCD或CMOS对外触发的反应时间至少为几微秒。这是可以理解的，在开始积累光电子之前有效地清空像元需要这些时间。将图像增强器的光电阴极从关闭状态切换到打开状态的延迟时间则可以短得多——响应时间可快至小于50纳秒。因而图像增强技术可被用来捕获具有非常短的预报时间的光学事件，而这是CCD和CMOS传感器所不能及的。
图像增强技术应用在检测低至120 nm的VUV辐射中也具有科学上的重要性。
2. 图像增强原理
由于难以直接增强输入光的强度，所以必须选择循环方式——即将光转换为电子、放大电子信号并将电子重新转换为光子信号的方式。完成这种增强过程的图像增强器由三个主要功能组件组成：光电阴极，微通道板和磷光体。我们将在以下三个子章节中仔细研究每个组件。
2.1 光电阴极
光电阴极是直接沉积在图像增强管输入窗口背面的几微米的薄层。光电阴极根据所选的材料和入射光子的波长吸收相应的光子，并作为交换将电子发射到输入窗口和微通道板之间的真空中。产生自由电子（或光电子）的基本机制是基于外部光电效应。
图1显示了3种不同的光电阴极材料的量子效率光谱，这些材料均具有较低的逸出功，从而可以轻松地将激发态电子发射到真空带中，在真空带中它们成为自由电子且不再被光电阴极束缚。
S20材料被广泛使用，它在深紫外线下具有高响应能力，灵敏度范围可至800 nm。相比之下，GaAsP材料非常适合450 nm至700 nm的可见光范围，并且GaAs的响应能力覆盖VIS和NIR波段。
用户应根据计划中的用途仔细选择合适的光电阴极材料。光电阴极不能单独更换——必须换掉整个昂贵的图像增强器单元。
光电阴极是快门比的关键——快门比被定义为在连续且恒定的照明下，门开启时磷光体上的亮度与门关闭时磷光体上的亮度之比。图像增强器的快门比可以达到较高的数值，但在很大程度上取决于入射光的波长和光电阴极的材料。除了将光子转换为电子外，光电阴极还是门控的功能部分。门控被理解为在光电阴极和MCP输入中，进行+80 V（OFF）和-180 V（ON）电位之间的超快速切换（见图2）。必须使用非常特殊的电子电路来获得上升时间为260 V/ns的脉冲。
2.2 微通道板（MCP）
MCP是一种电子倍增器，可检测和倍增二维空间的电子。当从光电阴极发射的加速光电子进入倾斜的MCP通道时，MCP偏压会进一步加速光电子并使其撞击通道壁（见图3）。由于光电子们携带多余能量，撞击会产生二次电子，该二次电子沿抛物线轨迹行进并撞击对壁，进而产生更多的二次电子，电子沿通道重复此过程多次。最终，MCP输出端会发射大量电子。
图4显示了高分辨率MCP在显微镜下呈现的结构，可以观察到一排细小的6μm玻璃通道。在PCO摄像机中使用的直径25毫米高分辨率MCP约0.5毫米厚（等于通道的长度），此MCP具有约10,000,000个通道，每个通道均作为一个独立的由高达1100 V的电压驱动的电子倍增器。理论上将MTF上限设为83 lp/mm，不过考虑到几何效应，高质量图像增强器的最大MTF值在5％的视觉对比度下可达到64 lp/mm。通道直径与通道总长度之间的比值决定了可能达到的最大增益效果。
电子信号的高增益消耗了微通道壁的电子，因而MCP的一个重要特性是具有20至30 MΩ的低电阻，在反复操作期间，它能承受短时重启所需的高剥离电流。如果MCP电阻太高，或者信号增强的频率太快，则受影响的MCP通道的电子最终耗尽，并将显示为空间层面上的增益减小。具有倒置强度分布的负像图像是一个明显的信号，表明MCP重启未能足够快地完成。
2.3 磷光体
磷光体是图像增强器单元的第三部分，负责光学输出。它的功能是吸收MCP输出的高度加速的电子（6–7 kV静态电压）并将其转换回光子。像光电阴极一样，磷光体是输出窗口内侧的薄层。与名称不同，这些薄层并不包含磷元素。例如，P46磷光体由钇铝石榴石（YAG）制成——而众所周知，YAG是一种著名的激光材料。图5给出了5种不同磷光体材料的光谱发射特性，灰色区域是人眼可见的光谱曲线。选择磷光体的关键要求是可产生足够的亮度以及拥有与相机模块的QE曲线相匹配的发射波段范围。
请注意，磷光体的光学质量也存在差异。例如，P43具有均一的微晶尺寸，而P46则更不均匀。P43的发射比P46的发射更均匀、更亮。选择磷光体的第二个重要标准是其衰减时间。这意味着在电子撞击停止后磷光体发光衰减的特征时间范围（见图6）。当需要在几百纳秒内连续捕捉两个图像（通常称为“双帧模式”或“PIV模式”）时，磷光体的快速衰减非常实用。如图7所示，缓慢衰减的磷光体可能会将曝光1的图像信息混合到曝光2中，因此破坏了图像2的内容。
2.4 增强型相机的功能示意图
一个功能齐全的集成式增强型相机系统要求将图像增强器单元（由光电阴极，MCP和磷光体组成）光学耦合到相机模块的CCD或sCMOS探测器上（见图8），同时与相机模块的图像采集同步，以便相机模块在恰好合适的时间捕获磷光体上的图像内容。
广州市元奥仪器有限公司成立于2007年，是一家专注于图像成像与处理技术领域的科技型企业。
公司自成立以来，致力于引进欧、美先进光电相关领域的仪器设备，并为客户提供专业综合系统集成服务，是国内经验丰富的服务商。经过多年的发展，元奥仪器已构建涉及面较广的服务网络，国内总部设立在广州，同时在北京、上海、西安、武汉、长春等地设有办事处，能够高效响应全国各地客户的需求。
元奥仪器凭借深厚的行业资源与专业能力，成为众多国际品牌产品的中国代理商，代理产品涵盖了从高速摄像机、工业相机到显微镜数字相机、专业图像分析系统等多个领域，并根据市场需求进行知识转化，投入自主研发， 为客户提供质量优异，可靠可信的产品。目前我司的这些产品普及应用于各大学院校、中国科学院所属各研究所、工业企业、机械工业等各个行业，助力客户解决复杂的视觉系统难题，提供高性能的产品和完善的解决方案。以其高分辨率的成像质量和性能，在科研领域备受赞。
展望未来，广州市元奥仪器有限公司将继续秉承其发展理念，不断提升自身实力，加强与国际品牌的合作，引进更多先进的仪器设备与自，为中国各行业的科研和生产提供更专业的产品和服务，助力行业的创新与发展。如对相关产品感到兴趣，欢迎随时联系交流，公司网址：www.gzyaco.com、电话：400-860-2677。
图像增强器能增加系统中的光强，进而在弱光下实现更好的图像重现。然而，鉴于相机技术的巨大进步，仍然存在关于图像增强技术是否必要的疑问。本白皮书探究了必需这种复杂技术来应对的挑战，同时提及了包括下一代增强成像技术的多种方法。
1. 图像增强的动因
图像增强器能增加系统中的光强，从而在弱光下实现更好的图像重现。但是随着相机技术的进步，我们仍然需要图像增强型相机吗？我们一起来探究那些必需这种复杂技术来应对的挑战，也许会有助于回答这个问题。
有史以来，对于实际的科学应用而言，图像增强技术是从仅仅几个发射的光子中提取有价值信息的最佳方法，不过这已成为过去。现如今，当要捕获的光子很少时，emCCD和新出现的sCMOS由于具有多种优点（如高图像质量、高分辨率和易于操作等）已成为首选方案。
但是，如果必须在极短的几纳秒曝光时间内检测到几个光子，则图像增强技术仍然有用，这是emCCD和sCMOS无可比拟的。图像增强器可实现极快的曝光时间——通常被称为门控。
即使增强器单元与最快最先进的sCMOS传感器耦合，纳秒级的曝光时间也比相应传感器的读出时间快了约6个数量级。因此，读出过程中 “漏光”极少是至关重要的，用术语“快门比”可以最好地定量描述该漏光率。对形成光信号路径的不同组件进行适当的同步和控制可以获得优于10-9的快门比。
典型的CCD或CMOS对外触发的反应时间至少为几微秒。这是可以理解的，在开始积累光电子之前有效地清空像元需要这些时间。将图像增强器的光电阴极从关闭状态切换到打开状态的延迟时间则可以短得多——响应时间可快至小于50纳秒。因而图像增强技术可被用来捕获具有非常短的预报时间的光学事件，而这是CCD和CMOS传感器所不能及的。
图像增强技术应用在检测低至120 nm的VUV辐射中也具有科学上的重要性。
2. 图像增强原理
由于难以直接增强输入光的强度，所以必须选择循环方式——即将光转换为电子、放大电子信号并将电子重新转换为光子信号的方式。完成这种增强过程的图像增强器由三个主要功能组件组成：光电阴极，微通道板和磷光体。我们将在以下三个子章节中仔细研究每个组件。
2.1 光电阴极
光电阴极是直接沉积在图像增强管输入窗口背面的几微米的薄层。光电阴极根据所选的材料和入射光子的波长吸收相应的光子，并作为交换将电子发射到输入窗口和微通道板之间的真空中。产生自由电子（或光电子）的基本机制是基于外部光电效应。
图1显示了3种不同的光电阴极材料的量子效率光谱，这些材料均具有较低的逸出功，从而可以轻松地将激发态电子发射到真空带中，在真空带中它们成为自由电子且不再被光电阴极束缚。
S20材料被广泛使用，它在深紫外线下具有高响应能力，灵敏度范围可至800 nm。相比之下，GaAsP材料非常适合450 nm至700 nm的可见光范围，并且GaAs的响应能力覆盖VIS和NIR波段。
用户应根据计划中的用途仔细选择合适的光电阴极材料。光电阴极不能单独更换——必须换掉整个昂贵的图像增强器单元。
光电阴极是快门比的关键——快门比被定义为在连续且恒定的照明下，门开启时磷光体上的亮度与门关闭时磷光体上的亮度之比。图像增强器的快门比可以达到较高的数值，但在很大程度上取决于入射光的波长和光电阴极的材料。除了将光子转换为电子外，光电阴极还是门控的功能部分。门控被理解为在光电阴极和MCP输入中，进行+80 V（OFF）和-180 V（ON）电位之间的超快速切换（见图2）。必须使用非常特殊的电子电路来获得上升时间为260 V/ns的脉冲。
2.2 微通道板（MCP）
MCP是一种电子倍增器，可检测和倍增二维空间的电子。当从光电阴极发射的加速光电子进入倾斜的MCP通道时，MCP偏压会进一步加速光电子并使其撞击通道壁（见图3）。由于光电子们携带多余能量，撞击会产生二次电子，该二次电子沿抛物线轨迹行进并撞击对壁，进而产生更多的二次电子，电子沿通道重复此过程多次。最终，MCP输出端会发射大量电子。
图4显示了高分辨率MCP在显微镜下呈现的结构，可以观察到一排细小的6μm玻璃通道。在PCO摄像机中使用的直径25毫米高分辨率MCP约0.5毫米厚（等于通道的长度），此MCP具有约10,000,000个通道，每个通道均作为一个独立的由高达1100 V的电压驱动的电子倍增器。理论上将MTF上限设为83 lp/mm，不过考虑到几何效应，高质量图像增强器的最大MTF值在5％的视觉对比度下可达到64 lp/mm。通道直径与通道总长度之间的比值决定了可能达到的最大增益效果。
电子信号的高增益消耗了微通道壁的电子，因而MCP的一个重要特性是具有20至30 MΩ的低电阻，在反复操作期间，它能承受短时重启所需的高剥离电流。如果MCP电阻太高，或者信号增强的频率太快，则受影响的MCP通道的电子最终耗尽，并将显示为空间层面上的增益减小。具有倒置强度分布的负像图像是一个明显的信号，表明MCP重启未能足够快地完成。
2.3 磷光体
磷光体是图像增强器单元的第三部分，负责光学输出。它的功能是吸收MCP输出的高度加速的电子（6–7 kV静态电压）并将其转换回光子。像光电阴极一样，磷光体是输出窗口内侧的薄层。与名称不同，这些薄层并不包含磷元素。例如，P46磷光体由钇铝石榴石（YAG）制成——而众所周知，YAG是一种著名的激光材料。图5给出了5种不同磷光体材料的光谱发射特性，灰色区域是人眼可见的光谱曲线。选择磷光体的关键要求是可产生足够的亮度以及拥有与相机模块的QE曲线相匹配的发射波段范围。
请注意，磷光体的光学质量也存在差异。例如，P43具有均一的微晶尺寸，而P46则更不均匀。P43的发射比P46的发射更均匀、更亮。选择磷光体的第二个重要标准是其衰减时间。这意味着在电子撞击停止后磷光体发光衰减的特征时间范围（见图6）。当需要在几百纳秒内连续捕捉两个图像（通常称为“双帧模式”或“PIV模式”）时，磷光体的快速衰减非常实用。如图7所示，缓慢衰减的磷光体可能会将曝光1的图像信息混合到曝光2中，因此破坏了图像2的内容。
2.4 增强型相机的功能示意图
一个功能齐全的集成式增强型相机系统要求将图像增强器单元（由光电阴极，MCP和磷光体组成）光学耦合到相机模块的CCD或sCMOS探测器上（见图8），同时与相机模块的图像采集同步，以便相机模块在恰好合适的时间捕获磷光体上的图像内容。
【关于埃赛力达科技Excelitas Technologies Corp.】
埃赛力达是一家技术经验丰富供应商，致力于提供先进的、改善生活的革新技术，为生命科学、先进工业、新一代半导体、航空航天等各终端市场的全球企业提供服务。公司总部位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡。埃赛力达是光子技术设计、开发和制造领域的重要合作伙伴，为全球客户提供传感、检测、成像、光学和特种光源方面的前沿创新技术。
广州市元奥仪器有限公司作为埃赛力达在国内的核心代理商，根据用户的不同需求提供具备高性能、高质量的产品，为客户提供专业的方案与报价，欢迎咨询！
埃赛力达是一家技术经验丰富供应商，致力于提供先进的、改善生活的革新技术，为生命科学、先进工业、新一代半导体、航空航天等各终端市场的全球企业提供服务。公司总部位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡。埃赛力达是光子技术设计、开发和制造领域的重要合作伙伴，为全球客户提供传感、检测、成像、光学和特种光源方面的前沿创新技术。
广州市元奥仪器有限公司作为埃赛力达在国内的核心代理商，根据用户的不同需求提供具备高性能、高质量的产品，为客户提供专业的方案与报价，欢迎咨询！
【关于元奥仪器】
广州市元奥仪器有限公司成立于2007年，是一家专注于图像成像与处理技术领域的科技型企业。
公司自成立以来，致力于引进欧、美先进光电相关领域的仪器设备，并为客户提供专业综合系统集成服务，是国内经验丰富的服务商。经过多年的发展，元奥仪器已构建涉及面较广的服务网络，国内总部设立在广州，同时在北京、上海、西安、武汉、长春等地设有办事处，能够高效响应全国各地客户的需求。
元奥仪器凭借深厚的行业资源与专业能力，成为众多国际品牌产品的中国代理商，代理产品涵盖了从高速摄像机、工业相机到显微镜数字相机、专业图像分析系统等多个领域，并根据市场需求进行知识转化，投入自主研发， 为客户提供质量优异，可靠可信的产品。目前我司的这些产品普及应用于各大学院校、中国科学院所属各研究所、工业企业、机械工业等各个行业，助力客户解决复杂的视觉系统难题，提供高性能的产品和完善的解决方案。以其高分辨率的成像质量和性能，在科研领域备受赞。
展望未来，广州市元奥仪器有限公司将继续秉承其发展理念，不断提升自身实力，加强与国际品牌的合作，引进更多先进的仪器设备与自，为中国各行业的科研和生产提供更专业的产品和服务，助力行业的创新与发展。如对相关产品感到兴趣，欢迎随时联系交流，公司网址：www.gzyaco.com、电话：400-860-2677。
