25/08/01Elektronmultiplikator-CCD-sensoren er en videreudvikling af CCD-sensoren, der muliggør drift i lavere lysniveau. De er typisk beregnet til signaler på et par hundrede fotoelektroner, helt ned til det individuelle fotontællingsniveau.
Denne artikel forklarer, hvad EMCCD-sensorer er, hvordan de fungerer, deres fordele og ulemper, og hvorfor de betragtes som den næste udvikling inden for CCD-teknologi til billeddannelse i svagt lys.
Hvad er en EMCCD-sensor?
En EMCCD-sensor (Electron-Multiplying Charge-Coupled Device) er en specialiseret type CCD-sensor, der forstærker svage signaler, før de aflæses, hvilket giver mulighed for ekstremt høj følsomhed i omgivelser med svagt lys.
EMCCD'er, der oprindeligt blev udviklet til anvendelser som astronomi og avanceret mikroskopi, kan detektere enkelte fotoner, en opgave som traditionelle CCD-sensorer kæmper med. Denne evne til at detektere individuelle fotoner gør EMCCD'er afgørende for felter, der kræver præcis billeddannelse under meget lave lysniveauer.
Hvordan fungerer EMCCD-sensorer?
Indtil aflæsningspunktet fungerer EMCCD-sensorer efter de samme principper som CCD-sensorer. Før måling med ADC'en multipliceres de detekterede ladninger dog gennem en proces kaldet impaktionisering i et 'elektronmultiplikationsregister'. Over en serie på flere hundrede trin bevæges ladningerne fra en pixel langs en serie maskerede pixels ved høj spænding. Hver elektron i hvert trin har en chance for at medbringe yderligere elektroner. Signalet multipliceres derfor eksponentielt.
Slutresultatet af en velkalibreret EMCCD er evnen til at vælge en præcis mængde gennemsnitlig multiplikation, typisk omkring 300 til 400 til arbejde i svagt lys. Dette gør det muligt at multiplicere de detekterede signaler langt højere end kameraets læsestøj, hvilket i realiteten reducerer kameraets læsestøj. Desværre betyder den stokastiske natur af denne multiplikationsproces, at hver pixel multipliceres med en forskellig mængde, hvilket introducerer en yderligere støjfaktor, der reducerer EMCCD'ens signal-støjforhold (SNR).
Her er en oversigt over, hvordan EMCCD-sensorer fungerer. Indtil trin 6 er processen reelt den samme som for CCD-sensorer.
Ved afslutningen af deres eksponering flytter EMCCD-sensorer først hurtigt de indsamlede ladninger til et maskeret array af pixels med samme dimensioner som det lysfølsomme array (billedoverførsel). Derefter flyttes ladningerne, én række ad gangen, til et udlæsningsregister. En kolonne ad gangen sendes ladninger i udlæsningsregisteret til et multiplikationsregister. På hvert trin i dette register (op til 1000 trin i rigtige EMCCD-kameraer) har hver elektron en lille chance for at frigive en yderligere elektron og dermed multiplicere signalet eksponentielt. Til sidst aflæses det multiplicerede signal.
1. Clearing af opkrævningFor at starte optagelsen fjernes ladningen samtidig fra hele sensoren (global lukker).
2. OpladningsakkumuleringLadning akkumuleres under eksponering.
3. Opbevaring af opladningEfter eksponering flyttes de indsamlede ladninger til et maskeret område af sensoren, hvor de kan afvente aflæsning uden at nye fotoner, der registreres, tælles. Dette er 'Frame Transfer'-processen.
4. Eksponering af næste billedeNår de detekterede ladninger er gemt i de maskerede pixels, kan de aktive pixels begynde eksponeringen af det næste billede (overlapningstilstand).
5. UdlæsningsprocesÉn række ad gangen flyttes ladninger for hver række i den færdige ramme til et 'udlæsningsregister'.
6. En kolonne ad gangen sendes ladninger fra hver pixel ind i udlæsningsnoden.
7. ElektronmultiplikationDernæst går alle elektronladninger fra pixelen ind i elektronmultiplikationsregisteret og bevæger sig trin for trin og multipliceres eksponentielt i antal ved hvert trin.
8. UdlæsningDet multiplicerede signal læses af ADC'en, og processen gentages, indtil hele rammen er læst ud.
Fordele og ulemper ved EMCCD-sensorer
Fordele ved EMCCD-sensorer
| Fordel | Beskrivelse |
| Fotontælling | Detekterer individuelle fotoelektroner med ultralav læsestøj (<0,2e⁻), hvilket muliggør følsomhed over for enkelte fotoner. |
| Ultra-lav lysfølsomhed | Væsentligt bedre end traditionelle CCD'er og overgår nogle gange selv avancerede sCMOS-kameraer ved meget lave lysniveauer. |
| Lav mørk strøm | Dyb køling reducerer termisk støj, hvilket muliggør renere billeder under lange eksponeringer. |
| 'Halvglobal' lukker | Billedoverføring muliggør næsten global eksponering med meget hurtig ladningsforskydning (~1 mikrosekund). |
● FotontællingMed tilstrækkelig høj elektronmultiplikation kan læsestøj praktisk talt elimineres (<0,2e-). Dette, sammen med den høje forstærkningsværdi og næsten perfekte kvanteeffektivitet, betyder, at det er muligt at skelne individuelle fotoelektroner.
● Ultra-lav lysfølsomhedSammenlignet med CCD'er er EMCCD'ers ydeevne i svagt lys drastisk bedre. Der kan være nogle anvendelser, hvor EMCCD giver bedre detektionskapacitet og kontrast, selv end avancerede sCMOS'er ved de lavest mulige lysniveauer.
● Lav mørk strømLigesom CCD'er er EMCCD'er typisk dybkølede og i stand til at levere meget lave mørkestrømsværdier.
● 'Halvglobal' lukkerBilledoverførselsprocessen for at starte og afslutte eksponeringen er ikke helt samtidig, men tager typisk omkring 1 mikrosekund.
Ulemper ved EMCCD-sensorer
| Ulempe | Beskrivelse |
| Begrænset hastighed | Maksimale billedhastigheder (~30 fps ved 1 MP) er meget langsommere end moderne CMOS-alternativer. |
| Forstærkningsstøj | Den tilfældige natur af elektronmultiplikation introducerer overskydende støj, hvilket reducerer signal-støj-forholdet. |
| Ur-induceret ladning (CIC) | Hurtig opladningsbevægelse kan introducere falske signaler, der forstærkes. |
| Reduceret dynamisk område | Høj forstærkning reducerer det maksimale signal, som sensoren kan håndtere, før den mættes. |
| Stor pixelstørrelse | Almindelige pixelstørrelser (13-16 μm) stemmer muligvis ikke overens med mange krav til optiske systemer. |
| Krav til kraftig køling | Stabil dybdekøling er nødvendig for at opnå ensartet multiplikation og lav støj. |
| Kalibreringsbehov | EM-forstærkningen forringes over tid (multiplikationshenfald), hvilket kræver regelmæssig kalibrering. |
| Instabilitet ved kort eksponering | Meget korte eksponeringer kan forårsage uforudsigelig signalforstærkning og støj. |
| Høje omkostninger | Kompleks fremstilling og dybdekøling gør disse sensorer dyrere end sCMOS. |
| Begrænset levetid | Elektronmultiplikationsregisteret slides op, typisk i 5-10 år. |
| Eksportudfordringer | Underlagt strenge regler på grund af potentielle militære anvendelser. |
● Begrænset hastighedHurtige EMCCD'er yder omkring 30 fps ved 1 MP, svarende til CCD'er, størrelsesordener langsommere end CMOS-kameraer.
● StøjintroduktionDen 'overskydende støjfaktor', der forårsages af den tilfældige elektronmultiplikation, kan, sammenlignet med et sCMOS-kamera med lav støj og samme kvanteeffektivitet, give EMCCD'er drastisk højere støj afhængigt af signalniveauer. SNR for high-end sCMOS er typisk bedre for signaler på omkring 3e-, og endnu mere for højere signaler.
● Urinduceret ladning (CIC)Medmindre ladningers bevægelse hen over sensoren kontrolleres omhyggeligt, kan den introducere yderligere elektroner i pixels. Denne støj ganges derefter med elektronmultiplikationsregisteret. Højere ladningsbevægelseshastigheder (urhastigheder) fører til højere billedhastigheder, men mere CIC.
● Reduceret dynamisk områdeDe meget høje elektronmultiplikationsværdier, der kræves for at overvinde EMCCD-læsestøjen, fører til et stærkt reduceret dynamisk område.
● Stor pixelstørrelseDen mindste almindelige pixelstørrelse for EMCCD-kameraer er 10 μm, men 13 eller 16 μm er mest almindelig. Dette er alt for stort til at matche de fleste optiske systemers opløsningskrav.
● KalibreringskravElektronmultiplikationsprocessen slider på EM-registeret med tiden, hvilket reducerer dets evne til at multiplicere i en proces kaldet 'elektronmultiplikationshenfald'. Det betyder, at kameraets forstærkning konstant ændrer sig, og kameraet kræver regelmæssig kalibrering for at udføre kvantitativ billeddannelse.
● Inkonsekvent eksponering over korte perioderNår der anvendes meget korte eksponeringstider, kan EMCCD-kameraer give inkonsistente resultater, fordi det svage signal overvældes af støj, og forstærkningsprocessen introducerer statistiske udsving.
● Krav til kraftig kølingElektronmultiplikationsprocessen er stærkt påvirket af temperaturen. Afkøling af sensoren øger den tilgængelige elektronmultiplikation. Derfor er dybdegående afkøling af sensoren, samtidig med at temperaturstabilitet opretholdes, afgørende for reproducerbare EMCCD-målinger.
● Høje omkostningerVanskeligheden ved at fremstille disse flerkomponentsensorer kombineret med dybdekøling fører til priser, der typisk er højere end sCMOS-sensorkameraer af højeste kvalitet.
● Begrænset levetidElektronmultiplikationshenfald sætter en grænse for levetiden for disse dyre sensorer på normalt 5-10 år, afhængigt af brugsniveauet.
● EksportudfordringerImport og eksport af EMCCD-sensorer kan være logistisk udfordrende på grund af deres potentielle anvendelse i militære applikationer.
Hvorfor EMCCD er efterfølgeren til CCD
| Funktion | CCD-nummer | EMCCD |
| Følsomhed | Høj | Ultrahøj (især svagt lys) |
| Aflæsningsstøj | Moderat | Ekstremt lav (på grund af gevinst) |
| Dynamisk område | Høj | Moderat (begrænset af gevinst) |
| Koste | Sænke | Højere |
| Køling | Valgfri | Typisk nødvendigt for optimal ydeevne |
| Brugsscenarier | Generel billeddannelse | Detektion af enkeltfoton i svagt lys |
EMCCD-sensorer bygger på traditionel CCD-teknologi ved at inkorporere et elektronmultiplikationstrin. Dette forbedrer evnen til at forstærke svage signaler og reducere støj, hvilket gør EMCCD'er til det foretrukne valg til billeddannelsesapplikationer i ekstremt svagt lys, hvor CCD-sensorer ikke lever op til forventningerne.
Nøgleanvendelser af EMCCD-sensorer
EMCCD-sensorer anvendes almindeligvis inden for videnskabelige og industrielle områder, der kræver høj følsomhed og evnen til at detektere svage signaler:
● Biovidenskabelig fantasig: Til anvendelser som enkeltmolekylefluorescensmikroskopi og total intern refleksionsfluorescensmikroskopi (TIRF).
● AstronomiBruges til at opfange svagt lys fra fjerne stjerner, galakser og til forskning i exoplaneter.
● KvanteoptikTil fotonsammenfiltring og kvanteinformationseksperimenter.
● Retsmedicin og sikkerhedAnvendes i overvågning i svagt lys og analyse af spor af beviser.
● SpektroskopiI Ramanspektroskopi og lavintensitetsfluorescensdetektion.
Hvornår skal du vælge en EMCCD-sensor?
Med forbedringerne af CMOS-sensorer i de senere år er fordelen ved EMCCD-sensorer med hensyn til læsestøj blevet mindre, da selv sCMOS-kameraer nu er i stand til at aflæse subelektronstøj, sammen med en lang række andre fordele. Hvis en applikation tidligere har brugt EMCCD'er, er det værd at overveje, om dette er det bedste valg i betragtning af udviklingen inden for sCMOS.
Historisk set kunne EMCCD'er stadig udføre fotontælling med større succes, sammen med et par andre nicheapplikationer med typiske signalniveauer på mindre end 3-5e- pr. pixel ved maksimal belastning. Men med større pixelstørrelser og subelektronlæsestøj, der bliver tilgængelig ividenskabelige kameraerBaseret på sCMOS-teknologi er det muligt, at disse applikationer snart også kan udføres med avanceret sCMOS.
Ofte stillede spørgsmål
Hvad er den minimale eksponeringstid for billedoverføringskameraer?
For alle billedoverføringssensorer, inklusive EMCCD'er, er spørgsmålet om den mindst mulige eksponeringstid kompliceret. For enkeltbilledoptagelser kan eksponeringen afsluttes ved at blande de optagne ladninger ind i det maskerede område til aflæsning meget hurtigt, og korte (sub-mikrosekund) minimale eksponeringstider er mulige.
Men så snart kameraet streamer med fuld hastighed, dvs. optager flere billeder/en film med fuld billedhastighed, optages det maskerede område af det første billede, så snart eksponeringen er færdig, af det pågældende billede, indtil udlæsningen er fuldført. Eksponeringen kan derfor ikke afsluttes. Det betyder, at uanset den eksponeringstid, der anmodes om i softwaren, er den reelle eksponeringstid for efterfølgende billeder efter det første af en fuldhastigheds multi-billedoptagelse givet af kameraets billedtid, dvs. 1 / billedhastighed.
Erstatter sCMOS-teknologi EMCCD-sensorer?
EMCCD-kameraer havde to specifikationer, der hjalp med at bevare deres fordel i billeddannelsesscenarier med ekstremt svagt lys (med peak-signalniveauer på 5 fotoelektroner eller mindre). For det første deres store pixels, op til 16 μm, og for det andet deres <1e-læsestøj.
En ny generation afsCMOS-kameraer dukket op, der tilbyder de samme egenskaber, uden de mange ulemper ved EMCCD'er, især den overdrevne støjfaktor. Kameraer som Aries 16 fra Tucsen tilbyder 16 μm baggrundsbelyste pixels med en læsestøj på 0,8e-. Med lav støj og 'naturligt' store pixels overgår disse kameraer også de fleste binned sCMOS-kameraer på grund af forholdet mellem binning og læsestøj.
Hvis du vil vide mere om EMCCD, kan du klikke på:
