25. 8. 2001CCD senzor s elektronovým násobením je vývojovým stupněm CCD senzoru, který umožňuje provoz za slabého osvětlení. Obvykle je určen pro signály několika stovek fotoelektronů až do úrovně počítání jednotlivých fotonů.
Tento článek vysvětluje, co jsou senzory EMCCD, jak fungují, jaké jsou jejich výhody a nevýhody a proč jsou považovány za další vývoj technologie CCD pro zobrazování za slabého osvětlení.
Co je to senzor EMCCD?
Senzor EMCCD (Electron-Multiplying Charge-Coupled Device) je specializovaný typ CCD senzoru, který zesiluje slabé signály před jejich načtením, což umožňuje extrémně vysokou citlivost v prostředí se slabým osvětlením.
EMCCD, původně vyvinuté pro aplikace, jako je astronomie a pokročilá mikroskopie, dokáží detekovat jednotlivé fotony, což je úkol, s nímž se tradiční CCD senzory potýkají. Tato schopnost detekovat jednotlivé fotony činí EMCCD klíčové pro oblasti vyžadující přesné zobrazování za velmi slabého osvětlení.
Jak fungují senzory EMCCD?
Až do bodu odečtu fungují senzory EMCCD na stejných principech jako senzory CCD. Před měřením pomocí ADC se však detekované náboje násobí procesem zvaným impactionizace v „registru násobení elektronů“. V sérii několika stovek kroků se náboje z pixelu pohybují podél série maskovaných pixelů pod vysokým napětím. Každý elektron má v každém kroku šanci přivést s sebou další elektrony. Signál se proto exponenciálně násobí.
Konečným výsledkem dobře kalibrovaného EMCCD je schopnost zvolit přesnou míru průměrného násobení, obvykle kolem 300 až 400 pro práci za slabého osvětlení. To umožňuje vynásobit detekované signály mnohem více než je čtecí šum kamery, což ve skutečnosti snižuje čtecí šum kamery. Stochastická povaha tohoto procesu násobení bohužel znamená, že každý pixel je vynásoben jiným množstvím, což zavádí další šumový faktor a snižuje poměr signálu k šumu (SNR) EMCCD.
Zde je rozpis fungování senzorů EMCCD. Až do kroku 6 je proces v podstatě stejný jako u senzorů CCD.
Na konci expozice senzory EMCCD nejprve rychle přesunou nashromážděné náboje do maskovaného pole pixelů o stejných rozměrech jako světlocitlivé pole (přenos snímku). Poté jsou náboje, jeden řádek po druhém, přesouvány do čtecího registru. Jeden sloupec po druhém jsou náboje v čtecím registru předávány do násobicího registru. V každém stupni tohoto registru (až 1000 stupňů v reálných kamerách EMCCD) má každý elektron malou šanci uvolnit další elektron, čímž se signál exponenciálně znásobí. Nakonec je vynásobený signál přečten.
1. Zúčtování poplatkůPro zahájení snímání se náboj současně vymaže z celého senzoru (globální závěrka).
2. Akumulace nábojeNáboj se během expozice hromadí.
3. Úložiště nábojePo expozici jsou nashromážděné náboje přesunuty do maskované oblasti senzoru, kde mohou čekat na načtení, aniž by byly počítány nově detekované fotony. Jedná se o proces „přenosu snímku“.
4. Expozice dalšího snímku: Po uložení detekovaných nábojů v maskovaných pixelech mohou aktivní pixely zahájit expozici dalšího snímku (režim překrytí).
5. Proces odečtu: Řádek po řádku se náboje pro každý řádek hotového rámce přesouvají do „registru pro odečítání“.
6. Náboje z každého pixelu jsou postupně, jeden sloupec po druhém, přenášeny do čtecího uzlu.
7. Násobení elektronůDále všechny elektronové náboje z pixelu vstupují do registru pro násobení elektronů a pohybují se krok za krokem, přičemž se v každém kroku exponenciálně násobí.
8. OdečetVynásobený signál je přečten ADC a proces se opakuje, dokud není přečten celý rámec.
Výhody a nevýhody senzorů EMCCD
Výhody senzorů EMCCD
| Výhoda | Popis |
| Počítání fotonů | Detekuje jednotlivé fotoelektrony s ultranízkým čtecím šumem (<0,2e⁻), což umožňuje citlivost na jednotlivé fotony. |
| Citlivost pro extrémně slabé osvětlení | Výrazně lepší než tradiční CCD snímače, někdy překonává i špičkové sCMOS kamery při velmi slabém osvětlení. |
| Nízký temný proud | Hluboké chlazení snižuje tepelný šum, což umožňuje čistší snímky i při dlouhých expozicích. |
| „Pologlobální“ závěrka | Přenos snímku umožňuje téměř globální expozici s velmi rychlým posunem náboje (~1 mikrosekunda). |
● Počítání fotonůS dostatečně vysokým násobením elektronů lze šum při čtení prakticky eliminovat (<0,2e-). To spolu s vysokou hodnotou zesílení a téměř dokonalou kvantovou účinností znamená, že je možné rozlišit jednotlivé fotoelektrony.
● Citlivost pro extrémně slabé osvětleníVe srovnání s CCD je výkon EMCCD za slabého osvětlení výrazně lepší. Mohou existovat aplikace, kde EMCCD poskytuje lepší detekční schopnost a kontrast i při nejnižších možných úrovních osvětlení než špičkové sCMOS.
● Nízký temný proudStejně jako CCD jsou i EMCCD obvykle hluboce chlazeny a schopny dosahovat velmi nízkých hodnot tmavého proudu.
● „Poloviční globální“ závěrkaProces přenosu snímku na začátek a konec expozice není skutečně simultánní, ale obvykle trvá řádově 1 mikrosekundu.
Nevýhody senzorů EMCCD
| Nevýhoda | Popis |
| Omezená rychlost | Maximální snímková frekvence (~30 fps při 1 MP) je mnohem pomalejší než u moderních alternativ CMOS. |
| Zesilovací šum | Náhodná povaha násobení elektronů zavádí nadměrný šum, což snižuje poměr signálu k šumu (SNR). |
| Nabíjení indukované hodinami (CIC) | Rychlý pohyb náboje může způsobit falešné signály, které se zesilují. |
| Snížený dynamický rozsah | Vysoký zisk snižuje maximální signál, který senzor dokáže zpracovat před saturací. |
| Velká velikost pixelu | Běžné velikosti pixelů (13–16 μm) nemusí odpovídat mnoha požadavkům na optické systémy. |
| Požadavek na silné chlazení | Pro dosažení konzistentního násobení a nízkého šumu je nutné stabilní hluboké chlazení. |
| Potřeby kalibrace | Zesílení elektromagnetické kompatibility se časem snižuje (násobicí útlum), což vyžaduje pravidelnou kalibraci. |
| Krátkodobá nestabilita expozice | Velmi krátké expozice mohou způsobit nepředvídatelné zesílení signálu a šum. |
| Vysoké náklady | Složitá výroba a hluboké chlazení činí tyto senzory dražšími než sCMOS. |
| Omezená životnost | Registr pro násobení elektronů se opotřebovává, obvykle po 5–10 letech. |
| Výzvy v oblasti exportu | Podléhá přísným předpisům z důvodu možného vojenského využití. |
● Omezená rychlostRychlé EMCCD snímače poskytují přibližně 30 snímků za sekundu při rozlišení 1 MP, podobně jako CCD snímače, ale o řády pomalejší než CMOS kamery.
● Úvod do problematiky hluku„Nadměrný šumový faktor“ způsobený náhodným násobením elektronů může ve srovnání s nízkošumovou sCMOS kamerou se stejnou kvantovou účinností způsobit u EMCCD drasticky vyšší šum v závislosti na úrovních signálu. Poměr signálu k šumu (SNR) u špičkových sCMOS kamer je obvykle lepší pro signály okolo 3e-, a ještě více pro vyšší signály.
● Nabíjení indukované hodinami (CIC)Pokud není pohyb nábojů přes senzor pečlivě kontrolován, může do pixelů vnést další elektrony. Tento šum je poté znásoben registrem pro násobení elektronů. Vyšší rychlosti pohybu náboje (taktovací frekvence) vedou k vyšším snímkovým frekvencím, ale k větší CIC.
● Zmenšený dynamický rozsahVelmi vysoké hodnoty násobení elektronů potřebné k překonání čtecího šumu EMCCD vedou k výrazně omezenému dynamickému rozsahu.
● Velká velikost pixeluNejmenší běžná velikost pixelu pro kamery EMCCD je 10 μm, ale nejběžnější je 13 nebo 16 μm. To je příliš velká velikost na to, aby splňovala požadavky na rozlišení většiny optických systémů.
● Požadavky na kalibraciProces násobení elektronů opotřebovává elektromagnetický registr používáním, čímž se snižuje jeho schopnost násobení v procesu zvaném „rozpad násobení elektronů“. To znamená, že zesílení kamery se neustále mění a kamera vyžaduje pravidelnou kalibraci pro provedení jakéhokoli kvantitativního zobrazování.
● Nekonzistentní expozice v krátkých časechPři použití velmi krátkých expozičních časů mohou kamery EMCCD produkovat nekonzistentní výsledky, protože slabý signál je přehlušen šumem a proces zesílení zavádí statistické fluktuace.
● Požadavek na silné chlazeníProces násobení elektronů je silně ovlivněn teplotou. Chlazení senzoru zvyšuje dostupné násobení elektronů. Proto je pro reprodukovatelná měření EMCCD zásadní důkladné ochlazení senzoru při zachování teplotní stability.
● Vysoká cenaObtížnost výroby těchto vícekomponentních senzorů v kombinaci s hlubokým chlazením vede k cenám, které jsou obvykle vyšší než u nejkvalitnějších kamer s CMOS senzory.
● Omezená životnostRozpad v důsledku násobení elektronů omezuje životnost těchto drahých senzorů, obvykle na 5–10 let, v závislosti na míře používání.
● Výzvy v oblasti exportuDovoz a vývoz senzorů EMCCD bývá logisticky náročný kvůli jejich potenciálnímu využití ve vojenských aplikacích.
Proč je EMCCD nástupcem CCD
| Funkce | CCD | EMCCD |
| Citlivost | Vysoký | Ultravysoké (zejména slabé osvětlení) |
| Hluk při odečítání | Mírný | Extrémně nízké (kvůli zisku) |
| Dynamický rozsah | Vysoký | Střední (omezeno ziskem) |
| Náklady | Spodní | Vyšší |
| Chlazení | Volitelný | Obvykle nutné pro optimální výkon |
| Případy použití | Obecné zobrazování | Detekce jednotlivých fotonů za slabého osvětlení |
Snímače EMCCD staví na tradiční technologii CCD začleněním kroku násobení elektronů. To zlepšuje schopnost zesilovat slabé signály a snižovat šum, což z EMCCD činí preferovanou volbu pro zobrazovací aplikace v extrémně slabém osvětlení, kde CCD snímače selhávají.
Klíčové aplikace senzorů EMCCD
Senzory EMCCD se běžně používají ve vědeckých a průmyslových oblastech, které vyžadují vysokou citlivost a schopnost detekovat slabé signály:
● Představy z biologických vědg: Pro aplikace jako fluorescenční mikroskopie jednotlivých molekul a mikroskopie s totálním vnitřním reflexem (TIRF).
● AstronomiePoužívá se pro zachycení slabého světla vzdálených hvězd, galaxií a výzkum exoplanet.
● Kvantová optikaPro experimenty s provázáním fotonů a kvantovou informací.
● Forenzní a bezpečnostní službyZaměstnán v oblasti dohledu za slabého osvětlení a analýzy stopových důkazů.
● SpektroskopieV Ramanově spektroskopii a detekci fluorescence s nízkou intenzitou.
Kdy byste si měli vybrat senzor EMCCD?
S vylepšeními CMOS senzorů v posledních letech se výhoda EMCCD senzorů v oblasti čtecího šumu zmenšila, protože nyní jsou i sCMOS kamery schopny dosáhnout subelektronového čtecího šumu, spolu s celou řadou dalších výhod. Pokud aplikace dříve používala EMCCD, je vhodné zvážit, zda je to vzhledem k vývoji sCMOS nejlepší volba.
Historicky mohly EMCCD stále provádět počítání fotonů úspěšněji, spolu s několika dalšími specializovanými aplikacemi s typickými úrovněmi signálu menšími než 3-5e- na pixel ve špičce. S většími velikostmi pixelů a subelektronovým čtecím šumem se však v...vědecké kameryVzhledem k technologii sCMOS je možné, že i tyto aplikace budou brzy realizovány s využitím špičkových sCMOS.
Často kladené otázky
Jaký je minimální expoziční čas pro kamery s přenosem snímků?
U všech senzorů s přenosem snímků, včetně EMCCD, je otázka minimální možné doby expozice složitá. U pořízení jednoho snímku lze expozici ukončit přesunutím získaných nábojů do maskované oblasti pro velmi rychlé načtení a jsou možné i krátké (submikrosekundové) minimální doby expozice.
Jakmile však kamera začne streamovat plnou rychlostí, tj. pořizuje více snímků / film s plnou snímkovou frekvencí, jakmile první snímek dokončí expozici, maskovaná oblast je tímto snímkem obsazena, dokud není dokončeno načítání. Expozice proto nemůže být ukončena. To znamená, že bez ohledu na dobu expozice požadovanou v softwaru je skutečná doba expozice následujících snímků po prvním z vícesnímkového pořízení plnou rychlostí dána časem snímku kamery, tj. 1 / snímková frekvence.
Nahrazuje technologie sCMOS senzory EMCCD?
Kamery EMCCD měly dvě specifikace, které jim pomohly udržet si výhodu v extrémně slabých světelných podmínkách (s maximální úrovní signálu 5 fotoelektronů nebo méně). Zaprvé, jejich velké pixely, až 16 μm, a zadruhé jejich šum při čtení <1e.
Nová generacesCMOS kameraObjevila se technologie, která nabízí stejné vlastnosti, ale bez četných nevýhod EMCCD, zejména nadměrného šumového faktoru. Kamery jako Aries 16 od Tucsenu nabízejí 16 μm podsvícené pixely s čtecím šumem 0,8e-. Díky nízkému šumu a „nativně“ velkým pixelům tyto kamery také překonávají většinu binningových sCMOS kamer, a to díky vztahu mezi binningem a čtecím šumem.
Pokud se chcete dozvědět více o EMCCD, klikněte prosím:
