24/05/22現階段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的王者時代結束了嗎？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別，作為產品選型時的參考。
》》EMCCD的崛起之路《《
EMCCD的出現曾是一場技術革命，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，并在業內產生了深遠影響。
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，因為這個過程發生在芯片數據讀出前，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美，這個過程會放大信號的不確定性，還會使得散粒噪聲、暗電流噪聲等變為1.4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無可匹敵，和當時的CCD不是一個層級的競爭關系。
》》EMCCD面臨的挑戰《《
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，在個位數的極弱光領域得不償失。
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圖3 sCMOS Binning功能示意圖：sCMOS技術目前僅能進行數字Binning，因為像素合并發生在芯片數據讀出后，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勢現階段仍然不可替代。即使sCMOS和EMCCD的讀出噪聲已經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2-4個灰度的轉化比，這使得EMCCD的圖像有更佳的對比度。
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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，和在復雜的系統中非常好用。現階段，大部分sCMOS相機為了保持在弱光成像時的靈敏度，仍然首選卷簾快門，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，但還是無法完全達到EMCCD全局快門的優勢。
![1月29日 00_00_00-00_00_30 [640i]](http://m.dfbanjia.cn/uploads/1月29日-00_00_00-00_00_30-640i.gif)
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。
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圖6 鑫圖Aries 16產品圖及主要參數
》》EMCCD時代真的結束了嗎《《
不，EMCCD還沒有完全被替代，直到有一天我們能夠再次創造這么偉大的發明。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好比一架協和超音速飛機（Concorde），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。
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圖7 協和超音速飛機（Concorde）是世界上少數曾投入商業使用的超音速客機，于1976年進行商業首飛，但因載客量有限，最終于2003年退役。（圖片來源網絡，如有侵權，請聯系刪除）。
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，總是驅動著進步發生。向時代潮流中所有偉大的發明創造者們致敬！
