25/08/01U sensore CCD à multiplicazione di l'elettroni hè un'evoluzione di u sensore CCD per permette un funziunamentu in cundizioni di luce più basse. Sò tipicamente destinati à signali di qualchì centinaia di fotoelettroni, finu à u livellu di cuntamentu individuale di fotoni.
Questu articulu spiega ciò chì sò i sensori EMCCD, cumu funzionanu, i so vantaghji è svantaghji, è perchè sò cunsiderati a prossima evoluzione di a tecnulugia CCD per l'imaghjini in poca luce.
Chì ghjè un sensore EMCCD?
Un sensore EMCCD (Electron-Moplying Charge-Coupled Device) hè un tipu specializatu di sensore CCD chì amplifica i signali debuli prima ch'elli sianu letti, permettendu una sensibilità estremamente alta in ambienti cù poca luce.
Inizialmente sviluppati per applicazioni cum'è l'astronomia è a microscopia avanzata, l'EMCDD ponu rilevà fotoni singuli, un compitu cù u quale i sensori CCD tradiziunali anu difficultà. Sta capacità di rilevà fotoni individuali rende l'EMCDD cruciali per i campi chì richiedenu immagini precise sottu livelli di luce assai bassi.
Cumu funzionanu i sensori EMCCD?
Finu à u puntu di lettura, i sensori EMCCD funzionanu secondu i stessi principii di i sensori CCD. Tuttavia, prima di a misurazione cù l'ADC, e cariche rilevate sò multiplicate per mezu di un prucessu chjamatu impattazione, in un "registru di multiplicazione elettronica". In una seria di parechji centinaia di passi, e cariche di un pixel sò spostate longu una seria di pixel mascherati à alta tensione. Ogni elettrone à ogni passu hà a pussibilità di purtà cun ellu elettroni supplementari. U signale hè dunque multiplicatu esponenzialmente.
U risultatu finale di un EMCCD ben calibratu hè a capacità di sceglie una quantità precisa di multiplicazione media, tipicamente intornu à 300 à 400 per u travagliu in poca luce. Questu permette à i signali rilevati di esse multiplicati assai più altu ch'è u rumore di lettura di a camera, riducendu in effetti u rumore di lettura di a camera. Sfurtunatamente, a natura stocastica di stu prucessu di multiplicazione significa chì ogni pixel hè multiplicatu per una quantità diversa, ciò chì introduce un fattore di rumore supplementu, riducendu u rapportu segnale-rumore (SNR) di l'EMCCD.
Eccu un riassuntu di cumu funzionanu i sensori EMCCD. Finu à u Passu 6, u prucessu hè praticamente listessu cum'è quellu di i sensori CCD.
Figura: Prucessu di lettura per u sensore EMCCD
À a fine di a so esposizione, i sensori EMCCD prima movenu rapidamente e cariche raccolte versu una matrice mascherata di pixel di e stesse dimensioni di a matrice sensibile à a luce (trasferimentu di fotogramma). Dopu, una riga à a volta, e cariche sò spostate in un registru di lettura. Una colonna à a volta, e cariche in u registru di lettura sò passate à un registru di moltiplicazione. À ogni tappa di stu registru (finu à 1000 tappe in e vere camere EMCCD), ogni elettrone hà una piccula chance di liberà un elettrone supplementu, multiplicendu u signale in modu esponenziale. À a fine, u signale multiplicatu hè lettu.
1. Cancellazione di caricaPer principià l'acquisizione, a carica hè simultaneamente eliminata da tuttu u sensore (otturatore globale).
2. Accumulazione di caricaA carica s'accumula durante l'esposizione.
3. Carica di almacenamentuDopu l'esposizione, e cariche raccolte sò spostate in una zona mascherata di u sensore, induve ponu aspittà a lettura senza chì i novi fotoni rilevati sianu cuntati. Questu hè u prucessu di "Trasferimentu di Quadru".
4. Esposizione di u prossimu quadruCù e cariche rilevate almacenate in i pixel mascherati, i pixel attivi ponu cumincià l'esposizione di u prossimu quadru (modalità di sovrapposizione).
5. Prucessu di letturaUna fila à a volta, i carichi per ogni fila di u quadru finitu sò spostati in un "registru di lettura".
6. Una colonna à a volta, e cariche di ogni pixel sò mandate in u nodu di lettura.
7. Moltiplicazione di l'elettroniDopu, tutte e cariche elettroniche di u pixel entrenu in u registru di multiplicazione elettronica, è si movenu passu à passu, multiplicendu in numeru in modu esponenziale à ogni passu.
8. LetturaU signale multiplicatu hè lettu da l'ADC, è u prucessu hè ripetutu finu à chì tuttu u quadru sia lettu.
Vantaghji è svantaghji di i sensori EMCCD
Vantaghji di i sensori EMCCD
| Vantaghju | Descrizzione |
| Cuntà i fotoni | Detecta i singoli fotoelettroni cù un rumore di lettura ultra bassu (<0,2e⁻), chì permette a sensibilità di un solu fotone. |
| Sensibilità à a Luce Ultra Bassa | Significativamente megliu cà i CCD tradiziunali, à volte superendu ancu e camere sCMOS di fascia alta à livelli di luce assai bassi. |
| Bassa corrente scura | U raffreddamentu prufondu riduce u rumore termicu, permettendu immagini più pulite durante lunghe esposizioni. |
| Otturatore "Mezzu Globale" | U trasferimentu di quadru permette una esposizione quasi globale cù un cambiamentu di carica assai rapidu (~ 1 microsecondu). |
● Cuntà i fotoniCù una multiplicazione elettronica abbastanza alta, u rumore di lettura pò esse praticamente eliminatu (<0.2e-). Questu, accumpagnatu da l'altu valore di guadagnu è l'efficienza quantica quasi perfetta, significa chì hè pussibule distingue i singoli fotoelettroni.
● Sensibilità à a luce ultra bassaIn paragone cù i CCD, e prestazioni in poca luce di l'EMCCD sò drasticamente megliu. Ci ponu esse alcune applicazioni induve l'EMCCD furnisce una capacità di rilevazione è un cuntrastu megliu ancu cà u sCMOS di fascia alta à i livelli di luce più bassi pussibuli.
● Bassa corrente di bughjuraCum'è cù i CCD, l'EMCDD sò tipicamente raffreddati in prufundità è capaci di furnisce valori di corrente di bughjura assai bassi.
● Otturatore "Mezzu Globale"U prucessu di trasferimentu di fotogramma per inizià è finisce l'esposizione ùn hè micca veramente simultaneu, ma dura tipicamente circa 1 microsecondu.
Svantaghji di i sensori EMCCD
| Svantaghju | Descrizzione |
| Velocità Limitata | I frame rate massimi (~30 fps à 1 MP) sò assai più lenti cà l'alternative CMOS muderne. |
| Rumore di amplificazione | A natura aleatoria di a multiplicazione di l'elettroni introduce un rumore eccessivu, riducendu u rapportu segnale-rumore (SNR). |
| Carica indotta da l'orologio (CIC) | U muvimentu di carica rapida pò introduce falsi segnali chì sò amplificati. |
| Gamma Dinamica Ridotta | Un guadagnu altu riduce u signale massimu chì u sensore pò gestisce prima di saturassi. |
| Grande dimensione di pixel | E dimensioni cumuni di i pixel (13-16 μm ùn ponu micca esse in linea cù parechji requisiti di u sistema otticu. |
| Esigenza di raffreddamentu pesante | Un raffreddamentu prufondu stabile hè necessariu per ottene una multiplicazione consistente è un rumore bassu. |
| Bisogni di calibrazione | U guadagnu EM si degrada cù u tempu (decadimentu di multiplicazione), ciò chì richiede una calibrazione regulare. |
| Instabilità à breve esposizione | L'esposizioni assai brevi ponu causà una amplificazione di u signale è un rumore imprevedibili. |
| Costu altu | A fabricazione cumplessa è u raffreddamentu prufondu rendenu questi sensori più cari cà sCMOS. |
| Durata di vita limitata | U registru di multiplicazione di l'elettroni si consuma, durà tipicamente 5-10 anni. |
| Sfide di l'esportazione | Sottumessu à regulamenti stretti per via di putenziali applicazioni militari. |
● Velocità LimitataI EMCCD veloci furniscenu circa 30 fps à 1 MP, simile à i CCD, ordini di grandezza più lenti cà e camere CMOS.
● Introduzione à u rumoreU "fattore di rumore in eccessu" causatu da a multiplicazione aleatoria di l'elettroni, paragunatu à una camera sCMOS à bassu rumore cù a stessa efficienza quantica, pò dà à l'EMCCD un rumore drasticamente più altu secondu i livelli di signale. L'SNR per sCMOS di fascia alta hè tipicamente megliu per i signali di circa 3e-, ancu di più per i signali più alti.
● Carica indotta da l'orologio (CIC)À menu chì ùn sia cuntrullatu attentamente, u muvimentu di cariche à traversu u sensore pò introduce elettroni supplementari in i pixel. Stu rumore hè tandu multiplicatu da u registru di multiplicazione di l'elettroni. Velocità di muvimentu di carica più elevate (frequenze di clock) portanu à frequenze di fotogrammi più elevate, ma più CIC.
● Gamma dinamica riduttaI valori assai alti di multiplicazione di l'elettroni richiesti per superà u rumore di lettura EMCCD portanu à una gamma dinamica assai ridutta.
● Grande dimensione di pixelA dimensione di pixel più chjuca cumuna per e camere EMCCD hè 10 μm, ma 13 o 16 μm hè a più cumuna. Questu hè troppu grande per currisponde à i requisiti di risoluzione di a maiò parte di i sistemi ottici.
● Requisiti di calibrazioneU prucessu di multiplicazione di l'elettroni consuma u registru EM cù l'usu, riducendu a so capacità di multiplicà si in un prucessu chjamatu "decadimentu di a multiplicazione di l'elettroni". Questu significa chì u guadagnu di a camera cambia constantemente, è a camera richiede una calibrazione regulare per realizà qualsiasi imaging quantitativu.
● Esposizione inconsistente à tempi breviQuandu si utilizanu tempi d'esposizione assai corti, e camere EMCCD ponu pruduce risultati inconsistenti perchè u signale debule hè sopraffattu da u rumore, è u prucessu di amplificazione introduce fluttuazioni statistiche.
● Esigenza di raffreddamentu pesanteU prucessu di multiplicazione di l'elettroni hè fortemente influenzatu da a temperatura. U raffreddamentu di u sensore aumenta a multiplicazione di l'elettroni dispunibile. Dunque, u raffreddamentu prufondu di u sensore mantenendu a stabilità di a temperatura hè dunque criticu per e misurazioni EMCCD riproducibili.
● Costu altuA difficultà di fabricazione di sti sensori multi-cumponenti, cumminata cù un raffreddamentu prufondu, porta à prezzi tipicamente più alti cà e camere cù sensori sCMOS di a più alta qualità.
● Durata di vita limitataU decadimentu di a multiplicazione elettronica mette un limite à a durata di vita di sti sensori costosi di solitu 5-10 anni, secondu u livellu d'usu.
● Sfide d'esportazioneL'impurtazione è l'esportazione di sensori EMCCD tende à esse logisticamente difficiule per via di u so usu putenziale in applicazioni militari.
Perchè EMCCD hè u successore di CCD
| Funziunalità | CCD | EMCCD |
| Sensibilità | Altu | Ultra-alta (in particulare poca luce) |
| Rumore di lettura | Moderatu | Estremamente bassu (per via di u guadagnu) |
| Gamma Dinamica | Altu | Moderatu (limitatu da u guadagnu) |
| Costu | Più bassu | Più altu |
| Raffreddamentu | Opzionale | Tipicamente necessariu per una prestazione ottimale |
| Casi d'usu | Imaging generale | Rilevazione di un solu fotone in poca luce |
I sensori EMCCD si basanu nantu à a tecnulugia CCD tradiziunale incorporendu una tappa di multiplicazione di l'elettroni. Questu migliora a capacità di amplificà i signali debuli è di riduce u rumore, rendendu l'EMCCD a scelta preferita per l'applicazioni di imaging in cundizioni di luce estremamente scarsa induve i sensori CCD sò debuli.
Applicazioni chjave di i sensori EMCCD
I sensori EMCCD sò cumunemente usati in campi scientifichi è industriali chì necessitanu una alta sensibilità è a capacità di rilevà segnali debuli:
● Scienze di a Vita Imaging: Per applicazioni cum'è a microscopia di fluorescenza à molecula unica è a microscopia di fluorescenza à riflessione interna tutale (TIRF).
● AstronomiaAdupratu per catturà a luce debule da stelle luntane, galassie è ricerca di esopianeti.
● Ottica QuantisticaPer esperimenti d'intricciamentu di fotoni è d'infurmazione quantica.
● Forensica è SicurezzaImpiegatu in a surveglianza in poca luce è in l'analisi di tracce.
● SpettroscopiaIn spettroscopia Raman è rilevazione di fluorescenza à bassa intensità.
Quandu duvete sceglie un sensore EMCCD?
Cù i miglioramenti di i sensori CMOS in l'ultimi anni, u vantaghju di u rumore di lettura di i sensori EMCCD hè diminuitu postu chì avà ancu e camere sCMOS sò capaci di rumore di lettura subelettronica, à fiancu à una vasta gamma di altri vantaghji. Se una applicazione hà digià utilizatu EMCCD, vale a pena verificà se questa hè a megliu scelta datu i sviluppi in sCMOS.
Storicamente, l'EMCCD pudianu ancu fà u contu di i fotoni cù più successu, à fiancu à qualchì altra applicazione di nicchia cù livelli di signale tipici inferiori à 3-5e- per pixel à u piccu. Tuttavia, cù dimensioni di pixel più grande è rumore di lettura subelettronica chì diventanu dispunibili incamere scientificheBasatu annantu à a tecnulugia sCMOS, hè pussibule chì ancu queste applicazioni possinu esse prestu realizate cù sCMOS di alta gamma.
FAQ
Chì ghjè u tempu minimu di esposizione per e camere di trasferimentu di fotogramma?
Per tutti i sensori di trasferimentu di fotogrammi, cumpresi l'EMCCD, a quistione di u tempu di esposizione minimu pussibule hè cumplicata. Per l'acquisizioni di una sola imagine, l'esposizione pò esse finita mischjendu e cariche acquistate in a regione mascherata per a lettura assai rapidamente, è sò pussibuli tempi di esposizione minimi brevi (sub-microsecondu).
Tuttavia, appena a camera trasmette in streaming à piena velocità, vale à dì acquistendu parechji fotogrammi / un filmu à piena frequenza di fotogrammi, appena a prima maghjina finisce di espone, a regione mascherata hè occupata da quellu fotogramma finu à chì a lettura sia cumpleta. L'esposizione ùn pò dunque micca finisce. Questu significa chì, indipendentemente da u tempu di esposizione dumandatu in u software, u tempu di esposizione reale di i fotogrammi successivi dopu à u primu di una acquisizione multi-fotogramma à piena velocità hè datu da u tempu di fotogramma, vale à dì 1 / Frequenza di fotogrammi, di a camera.
A tecnulugia sCMOS rimpiazza i sensori EMCCD?
E camere EMCCD avianu duie specificazioni chì l'anu aiutata à mantene u so vantaghju in scenarii d'imaghjini cù poca luce (cù livelli di signale di piccu di 5 fotoelettroni o menu). Prima, i so pixel grandi, finu à 16 μm, è secondu u so rumore di lettura <1e.
Una nova generazione dicamera sCMOShè emersu un pruduttu chì offre e stesse caratteristiche, senza i numerosi inconvenienti di l'EMCCD, in particulare u fattore di rumore eccessivu. E camere cum'è l'Aries 16 di Tucsen offrenu pixel retroilluminati di 16 μm cù un rumore di lettura di 0,8e-. Cù un rumore bassu è pixel "nativamente" grandi, queste camere superanu ancu a maiò parte di e camere sCMOS binnate, per via di a relazione trà u binning è u rumore di lettura.
Sè vo vulete sapè ne di più nantu à EMCCD, cliccate nant'à:
L'EMCCD pò esse rimpiazzatu è u vuleriamu mai?
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