25/08/01El sensor CCD multiplicador d'electrons és una evolució del sensor CCD per permetre el funcionament amb menys llum. Normalment estan pensats per a senyals d'uns quants centenars de fotoelectrons, fins al nivell de recompte de fotons individuals.
Aquest article explica què són els sensors EMCCD, com funcionen, els seus avantatges i desavantatges, i per què es consideren la propera evolució de la tecnologia CCD per a imatges amb poca llum.
Què és un sensor EMCCD?
Un sensor EMCCD (Electron-Multiplying Charge-Coupled Device) és un tipus especialitzat de sensor CCD que amplifica els senyals febles abans de ser llegits, permetent una sensibilitat extremadament alta en entorns amb poca llum.
Inicialment desenvolupats per a aplicacions com l'astronomia i la microscòpia avançada, els EMCCD poden detectar fotons individuals, una tasca amb la qual els sensors CCD tradicionals tenen dificultats. Aquesta capacitat de detectar fotons individuals fa que els EMCCD siguin crucials per a camps que requereixen imatges precises sota nivells de llum molt baixos.
Com funcionen els sensors EMCCD?
Fins al punt de lectura, els sensors EMCCD funcionen amb els mateixos principis que els sensors CCD. Tanmateix, abans de la mesura amb l'ADC, les càrregues detectades es multipliquen mitjançant un procés anomenat impactació, en un "registre de multiplicació d'electrons". Durant una sèrie de diversos centenars de passos, les càrregues d'un píxel es mouen al llarg d'una sèrie de píxels emmascarats a alt voltatge. Cada electró a cada pas té la possibilitat de portar electrons addicionals. Per tant, el senyal es multiplica exponencialment.
El resultat final d'un EMCCD ben calibrat és la capacitat d'escollir una quantitat precisa de multiplicació mitjana, normalment al voltant de 300 a 400 per a treballs amb poca llum. Això permet que els senyals detectats es multipliquin molt més que el soroll de lectura de la càmera, reduint en efecte el soroll de lectura de la càmera. Malauradament, la naturalesa estocàstica d'aquest procés de multiplicació significa que cada píxel es multiplica per una quantitat diferent, cosa que introdueix un factor de soroll addicional, reduint la relació senyal-soroll (SNR) de l'EMCCD.
Aquí teniu un desglossament de com funcionen els sensors EMCCD. Fins al pas 6, el procés és pràcticament el mateix que per als sensors CCD.
Figura: Procés de lectura per al sensor EMCCD
Al final de la seva exposició, els sensors EMCCD primer mouen ràpidament les càrregues recollides a una matriu emmascarada de píxels de les mateixes dimensions que la matriu fotosensible (transferència de fotograma). A continuació, fila rere fila, les càrregues es mouen a un registre de lectura. Columna rere columna, les càrregues dins del registre de lectura es passen a un registre de multiplicació. A cada etapa d'aquest registre (fins a 1000 etapes en càmeres EMCCD reals), cada electró té una petita possibilitat d'alliberar un electró addicional, multiplicant el senyal exponencialment. Al final, es llegeix el senyal multiplicat.
1. Liquidació de càrrecsPer començar l'adquisició, la càrrega s'elimina simultàniament de tot el sensor (obturador global).
2. Acumulació de càrregaLa càrrega s'acumula durant l'exposició.
3. Emmagatzematge de càrregaDesprés de l'exposició, les càrregues recollides es mouen a una zona emmascarada del sensor, on poden esperar la lectura sense que es comptin els nous fotons detectats. Aquest és el procés de "transferència de fotogrames".
4. Exposició del següent fotogramaAmb les càrregues detectades emmagatzemades als píxels emmascarats, els píxels actius poden començar l'exposició del següent fotograma (mode de superposició).
5. Procés de lecturaUna fila a la vegada, els càrrecs de cada fila del marc acabat es mouen a un "registre de lectura".
6. Una columna a la vegada, les càrregues de cada píxel es transmeten al node de lectura.
7. Multiplicació d'electronsA continuació, totes les càrregues d'electrons del píxel entren al registre de multiplicació d'electrons i es mouen pas a pas, multiplicant-se en nombre exponencialment a cada pas.
8. LecturaEl senyal multiplicat és llegit pel ADC i el procés es repeteix fins que es llegeix tota la trama.
Avantatges i inconvenients dels sensors EMCCD
Avantatges dels sensors EMCCD
| Avantatge | Descripció |
| Recompte de fotons | Detecta fotoelectrons individuals amb un soroll de lectura ultrabaix (<0,2e⁻), cosa que permet la sensibilitat d'un sol fotó. |
| Sensibilitat a la llum ultrabaixa | Significativament millor que els CCD tradicionals, superant de vegades fins i tot les càmeres sCMOS d'alta gamma a nivells de llum molt baixos. |
| Corrent fosc baix | El refredament profund redueix el soroll tèrmic, permetent imatges més netes durant exposicions llargues. |
| Obturador 'mig global' | La transferència de fotograma permet una exposició gairebé global amb un canvi de càrrega molt ràpid (~1 microsegon). |
● Recompte de fotonsAmb una multiplicació d'electrons prou alta, el soroll de lectura es pot eliminar pràcticament (<0,2e-). Això, juntament amb l'alt valor de guany i l'eficiència quàntica gairebé perfecta, significa que és possible distingir fotoelectrons individuals.
● Sensibilitat a la llum ultrabaixaEn comparació amb els CCD, el rendiment en condicions de poca llum dels EMCCD és dràsticament millor. Pot haver-hi algunes aplicacions on l'EMCCD ofereixi una millor capacitat de detecció i contrast fins i tot que el sCMOS d'alta gamma als nivells de llum més baixos possibles.
● Baix corrent de foscorIgual que amb els CCD, els EMCCD solen estar refredats profundament i són capaços de proporcionar valors de corrent de foscor molt baixos.
● Obturador 'Mig Global'El procés de transferència de fotogramas per iniciar i finalitzar l'exposició no és realment simultani, sinó que normalment triga de l'ordre d'1 microsegon.
Contres dels sensors EMCCD
| Desavantatge | Descripció |
| Velocitat limitada | Les velocitats màximes de fotogrames (~30 fps a 1 MP) són molt més lentes que les alternatives CMOS modernes. |
| Soroll d'amplificació | La naturalesa aleatòria de la multiplicació d'electrons introdueix un excés de soroll, reduint la relació senyal-soroll (SNR). |
| Càrrega induïda per rellotge (CIC) | El moviment de càrrega ràpida pot introduir senyals falsos que s'amplifiquen. |
| Rang dinàmic reduït | Un guany alt redueix el senyal màxim que el sensor pot gestionar abans de saturar-se. |
| Mida de píxel gran | Les mides de píxel habituals (13–16 μm) poden no coincidir amb els requisits de molts sistemes òptics. |
| Requisits de refrigeració elevats | Cal un refredament profund i estable per aconseguir una multiplicació consistent i un baix soroll. |
| Necessitats de calibratge | El guany EM es degrada amb el temps (decaïment per multiplicació), cosa que requereix una calibració regular. |
| Inestabilitat de curta exposició | Les exposicions molt breus poden causar una amplificació del senyal i un soroll imprevisibles. |
| Cost elevat | La fabricació complexa i el refredament profund fan que aquests sensors siguin més cars que els sCMOS. |
| Vida útil limitada | El registre de multiplicació d'electrons es desgasta, normalment durant 5-10 anys. |
| Reptes de l'exportació | Subjecte a regulacions estrictes a causa de possibles aplicacions militars. |
● Velocitat limitadaEls EMCCD ràpids proporcionen uns 30 fps a 1 MP, similars als CCD, ordres de magnitud més lents que les càmeres CMOS.
● Introducció de sorollEl "factor de soroll excessiu" causat per la multiplicació aleatòria d'electrons, en comparació amb una càmera sCMOS de baix soroll amb la mateixa eficiència quàntica, pot donar als EMCCD un soroll dràsticament més alt depenent dels nivells de senyal. La relació senyal-soroll (SNR) per a sCMOS d'alta gamma sol ser millor per a senyals d'uns 3e-, i encara més per a senyals més alts.
● Càrrega induïda per rellotge (CIC)Si no es controla acuradament, el moviment de càrregues a través del sensor pot introduir electrons addicionals als píxels. Aquest soroll es multiplica pel registre de multiplicació d'electrons. Velocitats de moviment de càrrega (freqüències de rellotge) més altes condueixen a freqüències de fotogrames més altes, però més CIC.
● Rang dinàmic reduïtEls valors de multiplicació d'electrons molt elevats necessaris per superar el soroll de lectura EMCCD condueixen a un rang dinàmic molt reduït.
● Mida de píxel granLa mida de píxel més petita comuna per a les càmeres EMCCD és de 10 μm, però 13 o 16 μm és la més comuna. Això és massa gran per complir amb els requisits de resolució de la majoria de sistemes òptics.
● Requisits de calibratgeEl procés de multiplicació d'electrons desgasta el registre EM amb l'ús, reduint la seva capacitat de multiplicar-se en un procés anomenat "decaïment de la multiplicació d'electrons". Això significa que el guany de la càmera canvia constantment i que la càmera requereix una calibració regular per realitzar qualsevol imatge quantitativa.
● Exposició inconsistent en períodes curtsQuan s'utilitzen temps d'exposició molt curts, les càmeres EMCCD poden produir resultats inconsistents perquè el senyal feble es veu superat pel soroll i el procés d'amplificació introdueix fluctuacions estadístiques.
● Requisits de refrigeració elevatsEl procés de multiplicació d'electrons està fortament influenciat per la temperatura. El refredament del sensor augmenta la multiplicació d'electrons disponible. Per tant, un refredament profund del sensor mantenint l'estabilitat de la temperatura és fonamental per a mesures EMCCD reproduïbles.
● Cost elevatLa dificultat de fabricació d'aquests sensors multicomponent, combinada amb un refredament profund, fa que els preus siguin normalment superiors als de les càmeres amb sensors sCMOS de més alta qualitat.
● Vida útil limitadaLa decadència de la multiplicació d'electrons posa un límit a la vida útil d'aquests sensors cars, que normalment és d'entre 5 i 10 anys, depenent del nivell d'ús.
● Reptes de l'exportacióLa importació i exportació de sensors EMCCD sol ser logísticament difícil a causa del seu ús potencial en aplicacions militars.
Per què l'EMCCD és el successor del CCD
| Característica | CCD | EMCCD |
| Sensibilitat | Alt | Ultraalta (especialment amb poca llum) |
| Soroll de lectura | Moderat | Extremadament baix (a causa del guany) |
| Rang dinàmic | Alt | Moderat (limitat pel guany) |
| Cost | Baix | Superior |
| Refrigeració | Opcional | Normalment necessari per a un rendiment òptim |
| Casos d'ús | Imatges generals | Detecció de fotó únic amb poca llum |
Els sensors EMCCD es basen en la tecnologia CCD tradicional incorporant un pas de multiplicació d'electrons. Això millora la capacitat d'amplificar senyals febles i reduir el soroll, cosa que converteix els EMCCD en l'opció preferida per a aplicacions d'imatges amb poca llum on els sensors CCD són insuficients.
Aplicacions clau dels sensors EMCCD
Els sensors EMCCD s'utilitzen habitualment en camps científics i industrials que requereixen una alta sensibilitat i la capacitat de detectar senyals febles:
● Ciències de la Vida Imaging: Per a aplicacions com la microscòpia de fluorescència d'una sola molècula i la microscòpia de fluorescència per reflexió interna total (TIRF).
● Astronomia: S'utilitza per capturar llum tènue d'estrelles distants, galàxies i per a la investigació d'exoplanetes.
● Òptica quànticaPer a experiments d'entrellaçament de fotons i informació quàntica.
● Anàlisi forense i seguretatS'utilitza en la vigilància amb poca llum i l'anàlisi de traces.
● EspectroscòpiaEn espectroscòpia Raman i detecció de fluorescència de baixa intensitat.
Quan s'ha de triar un sensor EMCCD?
Amb les millores dels sensors CMOS dels darrers anys, l'avantatge del soroll de lectura dels sensors EMCCD ha disminuït, ja que ara fins i tot les càmeres sCMOS són capaces de llegir soroll de subelectrons, a més d'una àmplia gamma d'altres avantatges. Si una aplicació ha utilitzat EMCCD anteriorment, val la pena revisar si aquesta és la millor opció, tenint en compte els desenvolupaments en sCMOS.
Històricament, els EMCCD encara podien realitzar el recompte de fotons amb més èxit, juntament amb algunes altres aplicacions de nínxol amb nivells de senyal típics inferiors a 3-5 e- per píxel al pic. Tot i això, amb mides de píxel més grans i soroll de lectura de subelectrons disponible encàmeres científiquesBasant-se en la tecnologia sCMOS, és possible que aquestes aplicacions també es puguin dur a terme aviat amb sCMOS d'alta gamma.
Preguntes freqüents
Quin és el temps d'exposició mínim per a les càmeres de transferència de fotograma?
Per a tots els sensors de transferència de fotogrames, inclosos els EMCCD, la qüestió del temps d'exposició mínim possible és complicada. Per a adquisicions d'imatges individuals, l'exposició es pot finalitzar barrejant les càrregues adquirides a la regió emmascarada per a la lectura molt ràpidament, i són possibles temps d'exposició mínims curts (inferiors a microsegons).
Tanmateix, tan bon punt la càmera està transmetent a tota velocitat, és a dir, adquirint diversos fotogrames / una pel·lícula a la velocitat de fotogrames completa, tan bon punt la primera imatge acaba d'exposar-se, la regió emmascarada queda ocupada per aquest fotograma fins que es completa la lectura. Per tant, l'exposició no pot finalitzar. Això significa que, independentment del temps d'exposició sol·licitat al programari, el temps d'exposició real dels fotogrames posteriors al primer d'una adquisició de diversos fotogrames a velocitat completa ve donat pel temps de fotograma, és a dir, 1 / velocitat de fotogramas, de la càmera.
La tecnologia sCMOS està substituint els sensors EMCCD?
Les càmeres EMCCD tenien dues especificacions que els ajudaven a mantenir el seu avantatge en escenaris d'imatges amb poca llum extrema (amb nivells de senyal màxims de 5 fotoelectrons o menys). En primer lloc, els seus píxels grans, de fins a 16 μm, i en segon lloc, el seu soroll de lectura <1 e.
Una nova generació decàmera sCMOSha sorgit una tecnologia que ofereix aquestes mateixes característiques, sense els nombrosos inconvenients dels EMCCD, especialment el factor de soroll excessiu. Càmeres com l'Aries 16 de Tucsen ofereixen píxels retroil·luminats de 16 μm amb un soroll de lectura de 0,8e-. Amb baix soroll i píxels "nativament" grans, aquestes càmeres també superen la majoria de les càmeres sCMOS amb agrupament, a causa de la relació entre l'agrupament i el soroll de lectura.
Si voleu saber-ne més sobre l'EMCCD, feu clic a:
Es pot substituir l'EMCCD i ho voldríem mai?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Tots els drets reservats. Quan citeu, si us plau, indiqueu la font:www.tucsen.com
