NuVu Cameras将延时积分（TDI）集成到EMCCD相机

加拿大NuVu Cameras基于为太空探索而开发的创新技术，是第一家也是唯一一家为空间环境开发EMCCD成像解决方案的企业。它也是唯一一家为所有类型的EMCCD探测器提供支持的企业，以服务于要求苛刻的低光成像的任何类型的应用，并提供定制服务。加拿大NuVu Cameras的光子计数成像专业知识满足了许多其他应用的苛刻需求，例如生物医学和医疗诊断、夜视、量子通信和制造质量控制。

在对快速移动的物体进行成像时，要在保持最小运动模糊或图像拖尾的同时捕获具有足够信号电平的图像是一项挑战。为了解决这个问题，延时积分（TDI，Time Delay Integration）是一种专门的读出模式，与传统的快照成像相比，它优化了快速移动物体的成像，灵敏度更高。虽然TDI CCD相机自1970年代以来就已经存在，但NuVu Cameras是第一家将该技术集成到EMCCD中的制造商，NuVu EMCCD相机具有显着更低的噪声和更快的读出率。

延时积分电荷转移：

TDI 允许以非常高的速度或在低光照水平下捕获移动物体的图像。在典型的CCD相机中，在曝光过程中，电荷会积聚在传感器上，整个画面被传输并立即读出，以使图像可用。但是，如果物体在曝光过程中移动，信号会分散在多个像素上，从而产生模糊。即使在适用于扫描应用的相机中，例如线阵扫描CCD相机，这也意味着曝光时间必须很短，以保持图像质量。因此，线扫描CCD需要高光照水平，以便能够足够快地捕获足够的信号以获得高质量的图像，以避免模糊。   

TDI 通过在集成传感器上移动图像来跟踪目标的运动，从而克服了照明水平的限制。在CCD上，传感器每条线上的信号电荷垂直传输到读出区域。TDI 将这种传输与物体的运动同步;这样可以减少模糊，因为传感器上的信号电荷会跟随目标物体。因此，只要目标在相机的视野中，目标的有效曝光时间就会持续。CCD传感器的垂直线越多，有效集成的时间越长。

为了成功实施TDI技术，信号电荷必须以与待成像物体相同的方向和相对速度传输。这通常通过使用与物体运动同步的相机的外部触发来处理。

由于线在整个传感器上的同步传输，在TDI模式下，成像的时基参考线速率而不是帧速率。因此，曝光时间设置为每行的曝光时间，外部触发输入控制色带单行的读出。从本质上讲，TDI相机输出的图像具有固定的水平尺寸，但无限的垂直尺寸。图像的有效曝光时间等于 CCD 的垂直像素线数乘以每线的曝光时间。还需要注意的是，在TDI模式下，帧数之间没有停机时间。

EMCCD的概念：

电子倍增CCD（EMCCD）是一种CCD相机，其中添加了一个特殊的电子倍增输出寄存器。它旨在消除成像设备固有的读出噪声的不利影响，使其更加灵敏。读出噪声产生的错误计数水平与几个光子的信号相当。当目标真实信号接近或低于此噪声限值时，相机无法可靠地识别该信号。通过使用EM Gain将信号放大数千倍，EMCCD相机使读出噪声可以有效地忽略不计。因此，EMCCD可以为观察最黑暗的场景提供极高的灵敏度，小到单个光子的信号。EMCCD还支持比CCD更快的帧速率，因此非常适合实时成像。NuVu Cameras彻底改造了 EMCCD 电子器件，以进一步降低任何其他噪声源，例如热噪声和时钟感应电荷，从而实现无与伦比的灵敏度。

EMCCD的架构：

EMCCD是电荷耦合器件技术的相对技术，其基础是光电效应。由阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）发现，并因此获得诺贝尔奖，光电效应由一种在暴露于光子（光）后产生电子（电荷）的材料定义。EMCCD的硅传感器芯片的设计和制造是为了最大限度地提高暴露在光线下时产生的光电子数量，高达95%的光子转化为电子。这是通过使用带有抗反射涂层的背薄设备来完成的。光子转换发生在传感器的特定部分：成像区域。该区域以像素的行和列组织，可以看作是收集光电效应产生的电荷的点。这个像素矩阵将形成一个可识别的图像。

曝光后，像素中的电荷通过传感器从成像区域传输到存储区域，屏蔽光线。此存储区域是读取图像的位置。使用这两个区域，NuVu Cameras EMCCD相机可以在读取前一帧时同时曝光新帧，从而加快采集速度。这种架构称为“帧传输”，而按顺序曝光和读取的相机称为“全帧”。

在存储区域中，探测器最底层行的电荷逐个像素地进入乘法寄存器。在那里，每个像素的电荷乘以数千倍。因此，即使是几个光子的输入信号也可以放大到数千个光电子。这就是所谓的电子倍增，也是使EMCCD中的读出噪声可以忽略不计的原因。

最后，光电子到达输出放大器，在那里它们被转换为电压并数字化以形成图像。在传统CCD中，这种读出必须缓慢完成，而NuVu EMCCD相机可以非常快速地驱动，因为读出噪声可以忽略不计。因此，EMCCD受益于更高的灵敏度和更高的帧速率。

市售的TDI相机通常是标准的CCD相机。EMCCD具有与CCD非常相似的探测器架构，其中增加了一个特殊的电子倍增输出寄存器。EMCCD旨在消除成像设备固有的读出噪声的不利影响，使其灵敏度大大提高，并能够支持更高的读出率。具有TDI读数的NuVu EMCCD相机是一种前所未有的组合，它能够同时使用EM增益（和光子计数），同时TDI增加了对移动物体的有效曝光时间。因此，可以更清晰地以更高的速度观察具有极微弱光发射的运动物体。

加拿大NuVu Cameras将其专利电子元件集成到CCD和EMCCD相机中，使用户能够通过专用TDI CCD传感器的大尺寸或EMCCD无与伦比的灵敏度来利用其出色的噪声控制。