25/08/01CCD сензорът с електронно-умножаващо действие е еволюция на CCD сензора, позволяваща работа при по-слаба светлина. Те обикновено са предназначени за сигнали от няколкостотин фотоелектрона, до ниво на броене на отделни фотони.
Тази статия обяснява какво представляват EMCCD сензорите, как функционират, техните предимства и недостатъци и защо се считат за следващата еволюция на CCD технологията за изображения при слаба светлина.
Какво е EMCCD сензор?
Сензорът с електронно-умножаващо зарядно-свързано устройство (EMCCD) е специализиран тип CCD сензор, който усилва слабите сигнали, преди да бъдат прочетени, което позволява изключително висока чувствителност в условия на слаба осветеност.
Първоначално разработени за приложения като астрономия и съвременна микроскопия, EMCCD могат да откриват единични фотони, задача, с която традиционните CCD сензори се затрудняват. Тази способност за откриване на отделни фотони прави EMCCD ключови за области, изискващи прецизно изобразяване при много ниски нива на осветеност.
Как работят EMCCD сензорите?
До точката на отчитане, EMCCD сензорите работят на същите принципи като CCD сензорите. Преди измерването с аналогово-цифровия преобразувател (ADC) обаче, откритите заряди се умножават чрез процес, наречен импакционизация, в „регистър за умножение на електрони“. В серия от няколкостотин стъпки зарядите от пиксел се преместват по серия от маскирани пиксели под високо напрежение. Всеки електрон на всяка стъпка има шанс да донесе допълнителни електрони. Следователно сигналът се умножава експоненциално.
Крайният резултат от добре калибрирания EMCCD е възможността за избор на прецизна стойност на средното умножение, обикновено около 300 до 400 за работа при слаба светлина. Това позволява засечените сигнали да бъдат умножени много по-високо от шума при четене на камерата, като по този начин се намалява шумът при четене на камерата. За съжаление, стохастичният характер на този процес на умножение означава, че всеки пиксел се умножава с различна стойност, което въвежда допълнителен коефициент на шум, намалявайки съотношението сигнал/шум (SNR) на EMCCD.
Ето е разбивка на това как работят EMCCD сензорите. До стъпка 6 процесът е на практика същият като този за CCD сензорите.
Фигура: Процес на отчитане за EMCCD сензор
В края на експозицията си, EMCCD сензорите първо бързо преместват събраните заряди към маскиран масив от пиксели със същите размери като светлочувствителния масив (пренос на кадър). След това, ред по ред, зарядите се преместват в регистър за отчитане. Колонка по колона, зарядите в регистъра за отчитане се предават към регистър за умножение. На всеки етап от този регистър (до 1000 етапа в реалните EMCCD камери), всеки електрон има малък шанс да освободи допълнителен електрон, умножавайки сигнала експоненциално. Накрая умноженият сигнал се отчита.
1. Изчистване на такситеЗа да започне събирането на данни, зарядът се изчиства едновременно от целия сензор (глобален затвор).
2. Натрупване на зарядЗарядът се натрупва по време на експозиция.
3. Зареждане на съхранениеСлед експозиция, събраните заряди се преместват в маскирана област на сензора, където могат да изчакат отчитане, без да се броят нови фотони. Това е процесът на „прехвърляне на кадър“.
4. Експозиция на следващия кадърСлед като засечените заряди се съхраняват в маскираните пиксели, активните пиксели могат да започнат експозицията на следващия кадър (режим на припокриване).
5. Процес на отчитанеРед по ред, зарядите за всеки ред от готовата рамка се преместват в „регистър за отчитане“.
6. Зарядите от всеки пиксел се прехвърлят към възела за отчитане, колона по колона.
7. Умножение на електрониСлед това всички електронни заряди от пиксела влизат в регистъра за умножение на електрони и се движат стъпка по стъпка, умножавайки се експоненциално на всяка стъпка.
8. ОтчитанеУмноженият сигнал се чете от аналогово-цифровия преобразувател (ADC) и процесът се повтаря, докато се прочете целият кадър.
Плюсове и минуси на EMCCD сензорите
Предимства на EMCCD сензорите
| Предимство | Описание |
| Броене на фотони | Открива отделни фотоелектрони с ултранисък шум при четене (<0.2e⁻), което позволява чувствителност към единични фотони. |
| Чувствителност при ултраниска светлина | Значително по-добри от традиционните CCD, понякога превъзхождащи дори висок клас sCMOS камери при много ниски нива на осветление. |
| Нисък тъмен ток | Дълбокото охлаждане намалява топлинния шум, което позволява по-чисти изображения при дълги експозиции. |
| „Полуглобален“ затвор | Прехвърлянето на кадри позволява почти глобална експозиция с много бързо изместване на заряда (~1 микросекунда). |
● Броене на фотониС достатъчно високо умножение на електроните, шумът от четене може да бъде практически елиминиран (<0.2e-). Това, наред с високата стойност на усилване и почти перфектната квантова ефективност, означава, че е възможно разграничаването на отделни фотоелектрони.
● Чувствителност при ултраслаба светлинаВ сравнение с CCD, производителността на EMCCD при слаба светлина е драстично по-добра. Възможно е да има някои приложения, при които EMCCD осигурява по-добра способност за откриване и контраст дори от висок клас sCMOS при най-ниските възможни нива на светлина.
● Нисък тъмен токКакто при CCD, EMCCD обикновено са с дълбоко охлаждане и са способни да осигуряват много ниски стойности на тъмния ток.
● Затвор „Полуглобален“Процесът на прехвърляне на кадъра към началото и края на експозицията не е наистина едновременен, но обикновено отнема от порядъка на 1 микросекунда.
Недостатъци на EMCCD сензорите
| Недостатък | Описание |
| Ограничена скорост | Максималните честоти на кадрите (~30 кадъра в секунда при 1 MP) са много по-бавни от съвременните CMOS алтернативи. |
| Усилващ шум | Случайният характер на електронното умножение въвежда излишен шум, намалявайки съотношението сигнал/шум (SNR). |
| Тактов индуциран заряд (CIC) | Бързото движение на заряда може да въведе фалшиви сигнали, които се усилват. |
| Намален динамичен диапазон | Високото усилване намалява максималния сигнал, който сензорът може да обработи преди насищане. |
| Голям размер на пиксела | Често срещаните размери на пикселите (13–16 μm) може да не съответстват на много от изискванията на оптичните системи. |
| Изискване за силно охлаждане | За постигане на постоянно умножение и нисък шум е необходимо стабилно дълбоко охлаждане. |
| Нужди от калибриране | Електромагнитното усилване намалява с времето (затихване на умножението), което изисква редовно калибриране. |
| Нестабилност при краткотрайна експозиция | Много кратките експозиции могат да причинят непредсказуемо усилване на сигнала и шум. |
| Висока цена | Сложното производство и дълбокото охлаждане правят тези сензори по-скъпи от sCMOS. |
| Ограничен живот | Регистърът за умножение на електрони се износва, обикновено за 5-10 години. |
| Предизвикателства пред износа | Подлежи на строги разпоредби поради потенциални военни приложения. |
● Ограничена скоростБързите EMCCD осигуряват около 30 кадъра в секунда при 1 MP, подобно на CCD, но с порядъци по-бавни от CMOS камерите.
● Въведение в шума„Факторът на излишен шум“, причинен от случайното умножение на електрони, в сравнение с нискошумова sCMOS камера със същата квантова ефективност, може да даде на EMCCD драстично по-висок шум в зависимост от нивата на сигнала. SNR за висок клас sCMOS обикновено е по-добро за сигнали от около 3e-, още повече за по-високи сигнали.
● Заряд, индуциран от часовника (CIC)Освен ако не е внимателно контролирано, движението на заряди през сензора може да въведе допълнителни електрони в пикселите. Този шум след това се умножава от регистъра за умножение на електрони. По-високите скорости на движение на заряда (тактова честота) водят до по-висока честота на кадрите, но по-голям CIC.
● Намален динамичен диапазонМного високите стойности на умножение на електроните, необходими за преодоляване на шума от четене на EMCCD, водят до значително намален динамичен диапазон.
● Голям размер на пикселитеНай-малкият често срещан размер на пиксела за EMCCD камери е 10 μm, но 13 или 16 μm са най-често срещаните. Това е твърде голямо, за да отговори на изискванията за разделителна способност на повечето оптични системи.
● Изисквания за калибриранеПроцесът на умножение на електроните износва електромагнитния регистър с употреба, намалявайки способността му да се умножава в процес, наречен „затихване от умножението на електроните“. Това означава, че усилването на камерата се променя постоянно и камерата изисква редовно калибриране, за да извършва количествено изобразяване.
● Непоследователна експозиция при кратки временаПри използване на много кратки времена на експозиция, EMCCD камерите могат да дадат противоречиви резултати, тъй като слабият сигнал се заглушава от шум и процесът на усилване въвежда статистически флуктуации.
● Изискване за интензивно охлажданеПроцесът на умножение на електрони е силно повлиян от температурата. Охлаждането на сензора увеличава наличното умножение на електрони. Следователно, дълбокото охлаждане на сензора, като същевременно се поддържа температурна стабилност, е от решаващо значение за възпроизводимите EMCCD измервания.
● Висока ценаТрудността при производството на тези многокомпонентни сензори, съчетана с дълбоко охлаждане, води до цени, които обикновено са по-високи от тези на най-висококачествените sCMOS сензорни камери.
● Ограничен животРазпадът от умножение на електроните ограничава живота на тези скъпи сензори, обикновено до 5-10 години, в зависимост от нивото на употреба.
● Предизвикателства пред износаВносът и износът на EMCCD сензори обикновено е логистично предизвикателство поради потенциалното им използване във военни приложения.
Защо EMCCD е наследник на CCD
| Функция | CCD | EMCCD |
| Чувствителност | Високо | Ултрависока (особено слаба светлина) |
| Шум при отчитане | Умерено | Изключително ниско (поради усилване) |
| Динамичен диапазон | Високо | Умерено (ограничено от усилване) |
| Цена | Долна | По-високо |
| Охлаждане | По избор | Обикновено се изисква за оптимална производителност |
| Случаи на употреба | Обща образна диагностика | Детекция на единични фотони при слаба светлина |
EMCCD сензорите надграждат традиционната CCD технология, като включват стъпка на умножение на електрони. Това подобрява способността за усилване на слаби сигнали и намаляване на шума, което прави EMCCD предпочитания избор за приложения за изображения с изключително слаба светлина, където CCD сензорите не са достатъчни.
Ключови приложения на EMCCD сензорите
EMCCD сензорите се използват често в научни и промишлени области, които изискват висока чувствителност и способност за откриване на слаби сигнали:
● Въображение в науките за животаg: За приложения като флуоресцентна микроскопия с единични молекули и микроскопия с тотално вътрешно отражение (TIRF).
● АстрономияИзползва се за улавяне на слаба светлина от далечни звезди, галактики и изследвания на екзопланети.
● Квантова оптикаЗа експерименти с фотонно заплитане и квантова информация.
● Криминалистика и сигурностИзползва се за наблюдение при слаба светлина и анализ на следи от доказателства.
● СпектроскопияВ Раманова спектроскопия и нискоинтензивно флуоресцентно откриване.
Кога трябва да изберете EMCCD сензор?
С подобренията в CMOS сензорите през последните години, предимството на EMCCD сензорите по отношение на шума при четене намаля, тъй като сега дори sCMOS камерите са способни на субелектронен шум при четене, наред с огромен набор от други предимства. Ако дадено приложение преди това е използвало EMCCD, си струва да се прецени дали това е най-добрият избор, предвид развитието на sCMOS.
В исторически план, EMCCD все още можеха да извършват броене на фотони по-успешно, наред с няколко други нишови приложения с типични нива на сигнала по-малки от 3-5e- на пиксел в пик. Въпреки това, с по-големите размери на пикселите и шума от четене на субелектрони, които стават достъпни внаучни камериБазирани на sCMOS технология, е възможно тези приложения скоро да бъдат изпълнявани и с висок клас sCMOS.
Често задавани въпроси
Какво е минималното време на експозиция за камери с трансфер на кадри?
За всички сензори за пренос на кадри, включително EMCCD, въпросът за минималното възможно време на експозиция е сложен. При заснемане на единични изображения, експозицията може да бъде прекратена чрез разместване на придобитите заряди в маскираната област за много бързо отчитане, като са възможни и кратки (субмикросекундни) минимални времена на експозиция.
Въпреки това, веднага щом камерата започне да предава поточно с пълна скорост, т.е. заснема множество кадри / филм с пълна кадрова честота, веднага щом първото изображение приключи с експозицията, маскираната област се заема от този кадър, докато прочитането не приключи. Следователно експозицията не може да приключи. Това означава, че независимо от времето на експозиция, заявено в софтуера, реалното време на експозиция на следващите кадри след първия от заснемането на много кадри с пълна скорост се дава от времето на кадъра, т.е. 1 / кадрова честота, на камерата.
Ще замести ли sCMOS технологията EMCCD сензорите?
Камерите EMCCD имаха две спецификации, които им помогнаха да запазят предимството си в сценарии на изображения с изключително слаба светлина (с пикови нива на сигнала от 5 фотоелектрона или по-малко). Първо, големите им пиксели, до 16 μm, и второ, шумът при четене <1e.
Ново поколениеsCMOS камераПояви се камера, която предлага същите характеристики, без многобройните недостатъци на EMCCD, особено излишния фактор на шум. Камери като Aries 16 от Tucsen предлагат 16 μm пиксели с подсветка и шум при четене от 0.8e-. С нисък шум и „естествено“ големи пиксели, тези камери превъзхождат и повечето sCMOS камери с групиране, поради връзката между групирането и шума при четене.
Ако искате да научите повече за EMCCD, моля, кликнете върху:
Може ли EMCCD да бъде заменен и бихме ли искали някога това?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Всички права запазени. При цитиране, моля, посочете източника:www.tucsen.com
