Αισθητήρες EMCCD: Ο διάδοχος του CCD για χαμηλό φωτισμό |

Ο αισθητήρας CCD πολλαπλασιασμού ηλεκτρονίων αποτελεί εξέλιξη του αισθητήρα CCD για να επιτρέπει τη λειτουργία σε χαμηλότερο φωτισμό. Συνήθως προορίζονται για σήματα μερικών εκατοντάδων φωτοηλεκτρονίων, μέχρι το επίπεδο καταμέτρησης μεμονωμένων φωτονίων.

Αυτό το άρθρο εξηγεί τι είναι οι αισθητήρες EMCCD, πώς λειτουργούν, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους και γιατί θεωρούνται η επόμενη εξέλιξη της τεχνολογίας CCD για απεικόνιση χαμηλού φωτισμού.

Τι είναι ένας αισθητήρας EMCCD;

Ένας αισθητήρας EMCCD (Electron-Multiplying Charge-Coupled Device) είναι ένας εξειδικευμένος τύπος αισθητήρα CCD που ενισχύει τα ασθενή σήματα πριν αυτά διαβαστούν, επιτρέποντας εξαιρετικά υψηλή ευαισθησία σε περιβάλλοντα χαμηλού φωτισμού.

Αρχικά αναπτυχθέντες για εφαρμογές όπως η αστρονομία και η προηγμένη μικροσκοπία, οι ηλεκτρομαγνητικές δομές (EMCCD) μπορούν να ανιχνεύσουν μεμονωμένα φωτόνια, μια εργασία με την οποία δυσκολεύονται οι παραδοσιακοί αισθητήρες CCD. Αυτή η ικανότητα ανίχνευσης μεμονωμένων φωτονίων καθιστά τις EMCCD κρίσιμες για πεδία που απαιτούν ακριβή απεικόνιση υπό πολύ χαμηλά επίπεδα φωτισμού.

Πώς λειτουργούν οι αισθητήρες EMCCD;

Μέχρι το σημείο της ένδειξης, οι αισθητήρες EMCCD λειτουργούν με τις ίδιες αρχές με τους αισθητήρες CCD. Ωστόσο, πριν από τη μέτρηση με τον ADC, τα ανιχνευόμενα φορτία πολλαπλασιάζονται μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται ενσφήνωση, σε έναν «καταχωρητή πολλαπλασιασμού ηλεκτρονίων». Σε μια σειρά αρκετών εκατοντάδων βημάτων, τα φορτία από ένα εικονοστοιχείο μετακινούνται κατά μήκος μιας σειράς μασκαρισμένων εικονοστοιχείων σε υψηλή τάση. Κάθε ηλεκτρόνιο σε κάθε βήμα έχει την πιθανότητα να φέρει μαζί του επιπλέον ηλεκτρόνια. Επομένως, το σήμα πολλαπλασιάζεται εκθετικά.

Το τελικό αποτέλεσμα ενός καλά βαθμονομημένου EMCCD είναι η δυνατότητα επιλογής ενός ακριβούς ποσού μέσου πολλαπλασιασμού, συνήθως περίπου 300 έως 400 για εργασία σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού. Αυτό επιτρέπει στα σήματα που ανιχνεύονται να πολλαπλασιάζονται πολύ περισσότερο από τον θόρυβο ανάγνωσης της κάμερας, μειώνοντας ουσιαστικά τον θόρυβο ανάγνωσης της κάμερας. Δυστυχώς, η στοχαστική φύση αυτής της διαδικασίας πολλαπλασιασμού σημαίνει ότι κάθε pixel πολλαπλασιάζεται με διαφορετική ποσότητα, γεγονός που εισάγει έναν επιπλέον παράγοντα θορύβου, μειώνοντας τον λόγο σήματος προς θόρυβο (SNR) του EMCCD.

Ακολουθεί μια ανάλυση του τρόπου λειτουργίας των αισθητήρων EMCCD. Μέχρι το Βήμα 6, η διαδικασία είναι ουσιαστικά η ίδια με αυτή των αισθητήρων CCD.

Διαδικασία ανάγνωσης για τον αισθητήρα EMCCD

Στο τέλος της έκθεσής τους, οι αισθητήρες EMCCD μετακινούν πρώτα γρήγορα τα συλλεγμένα φορτία σε μια καλυμμένη διάταξη pixel με τις ίδιες διαστάσεις με τη διάταξη φωτοευαίσθητης διάταξης (μεταφορά καρέ). Στη συνέχεια, μία σειρά κάθε φορά, τα φορτία μετακινούνται σε έναν καταχωρητή ανάγνωσης. Μία στήλη κάθε φορά, τα φορτία εντός του καταχωρητή ανάγνωσης διαβιβάζονται σε έναν καταχωρητή πολλαπλασιασμού. Σε κάθε στάδιο αυτού του καταχωρητή (έως 1000 στάδια σε πραγματικές κάμερες EMCCD), κάθε ηλεκτρόνιο έχει μια μικρή πιθανότητα να απελευθερώσει ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο, πολλαπλασιάζοντας το σήμα εκθετικά. Στο τέλος, το πολλαπλασιασμένο σήμα διαβάζεται.

1. Εκκαθάριση χρεώσεωνΓια να ξεκινήσει η λήψη, η φόρτιση διαγράφεται ταυτόχρονα από ολόκληρο τον αισθητήρα (καθολικό κλείστρο).
2. Συσσώρευση Φορτίου: Το φορτίο συσσωρεύεται κατά την έκθεση.
3. Αποθήκευση φόρτισηςΜετά την έκθεση, τα συλλεγμένα φορτία μετακινούνται σε μια καλυμμένη περιοχή του αισθητήρα, όπου μπορούν να περιμένουν την ανάγνωση χωρίς να καταμετρηθούν τα νέα φωτόνια που ανιχνεύθηκαν. Αυτή είναι η διαδικασία «Μεταφοράς Πλαισίου».
4. Επόμενη έκθεση καρέΜε τα ανιχνευμένα φορτία αποθηκευμένα στα μασκαρισμένα pixel, τα ενεργά pixel μπορούν να ξεκινήσουν την έκθεση του επόμενου καρέ (λειτουργία επικάλυψης).
5. Διαδικασία ανάγνωσηςΜία σειρά κάθε φορά, τα φορτία για κάθε σειρά του τελικού πλαισίου μετακινούνται σε ένα «μητρώο ανάγνωσης».
6. Μία στήλη τη φορά, τα φορτία από κάθε εικονοστοιχείο μεταφέρονται στον κόμβο ανάγνωσης.
7. Πολλαπλασιασμός ηλεκτρονίωνΣτη συνέχεια, όλα τα φορτία ηλεκτρονίων από το εικονοστοιχείο εισέρχονται στον καταχωρητή πολλαπλασιασμού ηλεκτρονίων και κινούνται βήμα προς βήμα, πολλαπλασιάζοντας εκθετικά τον αριθμό τους σε κάθε βήμα.
8. ΑνάγνωσηΤο πολλαπλασιασμένο σήμα διαβάζεται από τον ADC και η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι να διαβαστεί ολόκληρο το πλαίσιο.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των αισθητήρων EMCCD

Πλεονεκτήματα των αισθητήρων EMCCD

Πλεονέκτημα	Περιγραφή
Καταμέτρηση φωτονίων	Ανιχνεύει μεμονωμένα φωτοηλεκτρόνια με εξαιρετικά χαμηλό θόρυβο ανάγνωσης (<0,2e⁻), επιτρέποντας ευαισθησία σε ένα μόνο φωτόνιο.
Ευαισθησία σε εξαιρετικά χαμηλό φωτισμό	Σημαντικά καλύτερο από τα παραδοσιακά CCD, ξεπερνώντας μερικές φορές ακόμη και τις κορυφαίες κάμερες sCMOS σε πολύ χαμηλά επίπεδα φωτισμού.
Χαμηλό σκοτεινό ρεύμα	Η βαθιά ψύξη μειώνει τον θερμικό θόρυβο, επιτρέποντας καθαρότερες εικόνες κατά τη διάρκεια μεγάλων εκθέσεων.
«Ημι-Παγκόσμιο» Κλείστρο	Η μεταφορά καρέ επιτρέπει σχεδόν ολική έκθεση με πολύ γρήγορη μετατόπιση φορτίου (~1 μικροδευτερόλεπτο).

● Καταμέτρηση φωτονίωνΜε αρκετά υψηλό πολλαπλασιασμό ηλεκτρονίων, ο θόρυβος ανάγνωσης μπορεί πρακτικά να εξαλειφθεί (<0,2e-). Αυτό, σε συνδυασμό με την υψηλή τιμή κέρδους και την σχεδόν τέλεια κβαντική απόδοση, σημαίνει ότι είναι δυνατή η διάκριση μεμονωμένων φωτοηλεκτρονίων.
● Ευαισθησία σε εξαιρετικά χαμηλό φωτισμόΣε σύγκριση με τα CCD, η απόδοση των EMCCD σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού είναι δραστικά καλύτερη. Μπορεί να υπάρχουν ορισμένες εφαρμογές όπου το EMCCD παρέχει καλύτερη ικανότητα ανίχνευσης και αντίθεση ακόμη και από το sCMOS υψηλής τεχνολογίας στα χαμηλότερα δυνατά επίπεδα φωτισμού.
● Χαμηλό σκοτεινό ρεύμαΌπως και με τους CCD, οι EMCCD συνήθως ψύχονται σε βάθος και είναι σε θέση να παρέχουν πολύ χαμηλές τιμές ρεύματος σκότους.
● Κλείστρο «Ημι-Παγκόσμιο»Η διαδικασία μεταφοράς καρέ για την έναρξη και το τέλος της έκθεσης δεν είναι πραγματικά ταυτόχρονη, αλλά συνήθως διαρκεί της τάξης του 1 μικροδευτερολέπτου.

Μειονεκτήματα των αισθητήρων EMCCD

Μειονέκτημα	Περιγραφή
Περιορισμένη ταχύτητα	Οι μέγιστοι ρυθμοί καρέ (~30 fps στα 1 MP) είναι πολύ πιο αργοί από τις σύγχρονες εναλλακτικές λύσεις CMOS.
Θόρυβος ενίσχυσης	Η τυχαία φύση του πολλαπλασιασμού των ηλεκτρονίων εισάγει υπερβολικό θόρυβο, μειώνοντας το SNR.
Φόρτιση που προκαλείται από το ρολόι (CIC)	Η γρήγορη κίνηση φόρτισης μπορεί να εισαγάγει ψευδή σήματα που ενισχύονται.
Μειωμένο δυναμικό εύρος	Το υψηλό κέρδος μειώνει το μέγιστο σήμα που μπορεί να χειριστεί ο αισθητήρας πριν από τον κορεσμό.
Μεγάλο μέγεθος εικονοστοιχείων	Τα συνηθισμένα μεγέθη pixel (13–16 μm) ενδέχεται να μην ευθυγραμμίζονται με πολλές απαιτήσεις οπτικών συστημάτων.
Ισχυρή απαίτηση ψύξης	Απαιτείται σταθερή βαθιά ψύξη για την επίτευξη συνεπούς πολλαπλασιασμού και χαμηλού θορύβου.
Ανάγκες βαθμονόμησης	Το κέρδος EM υποβαθμίζεται με την πάροδο του χρόνου (πολλαπλασιαστική αποσύνθεση), απαιτώντας τακτική βαθμονόμηση.
Αστάθεια βραχείας έκθεσης	Πολύ σύντομες εκθέσεις μπορούν να προκαλέσουν απρόβλεπτη ενίσχυση σήματος και θόρυβο.
Υψηλό κόστος	Η πολύπλοκη κατασκευή και η βαθιά ψύξη καθιστούν αυτούς τους αισθητήρες πιο ακριβούς από τους sCMOS.
Περιορισμένη διάρκεια ζωής	Ο καταχωρητής πολλαπλασιασμού ηλεκτρονίων φθείρεται, διαρκώντας συνήθως 5-10 χρόνια.
Προκλήσεις στις εξαγωγές	Υπόκειται σε αυστηρούς κανονισμούς λόγω πιθανών στρατιωτικών εφαρμογών.

● Περιορισμένη ταχύτηταΟι γρήγορες EMCCD παρέχουν περίπου 30 fps στα 1 MP, παρόμοια με τις CCD, τάξεις μεγέθους πιο αργές από τις κάμερες CMOS.
● Εισαγωγή στον θόρυβοΟ «παράγοντας υπερβολικού θορύβου» που προκαλείται από τον τυχαίο πολλαπλασιασμό ηλεκτρονίων, σε σύγκριση με μια κάμερα sCMOS χαμηλού θορύβου με την ίδια κβαντική απόδοση, μπορεί να δώσει στις EMCCDs δραστικά υψηλότερο θόρυβο ανάλογα με τα επίπεδα σήματος. Το SNR για sCMOS υψηλού επιπέδου είναι συνήθως καλύτερο για σήματα περίπου 3e-, ακόμη περισσότερο για υψηλότερα σήματα.
● Φόρτιση που προκαλείται από το ρολόι (CIC)Εκτός εάν ελεγχθεί προσεκτικά, η κίνηση των φορτίων κατά μήκος του αισθητήρα μπορεί να εισαγάγει επιπλέον ηλεκτρόνια στα pixel. Αυτός ο θόρυβος στη συνέχεια πολλαπλασιάζεται από τον καταχωρητή πολλαπλασιασμού ηλεκτρονίων. Οι υψηλότερες ταχύτητες κίνησης φορτίου (ρυθμοί ρολογιού) οδηγούν σε υψηλότερους ρυθμούς καρέ, αλλά σε περισσότερο CIC.
● Μειωμένο Δυναμικό ΕύροςΟι πολύ υψηλές τιμές πολλαπλασιασμού ηλεκτρονίων που απαιτούνται για την υπερνίκηση του θορύβου ανάγνωσης EMCCD οδηγούν σε πολύ μειωμένο δυναμικό εύρος.
● Μεγάλο μέγεθος pixelΤο μικρότερο κοινό μέγεθος pixel για κάμερες EMCCD είναι 10 μm, αλλά τα 13 ή 16 μm είναι το πιο συνηθισμένο. Αυτό είναι πολύ μεγάλο για να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις ανάλυσης των περισσότερων οπτικών συστημάτων.
● Απαιτήσεις βαθμονόμησηςΗ διαδικασία πολλαπλασιασμού ηλεκτρονίων φθείρει τον καταχωρητή EM με τη χρήση, μειώνοντας την ικανότητά του να πολλαπλασιάζεται σε μια διαδικασία που ονομάζεται «απόσβεση πολλαπλασιασμού ηλεκτρονίων». Αυτό σημαίνει ότι το κέρδος της κάμερας αλλάζει συνεχώς και η κάμερα απαιτεί τακτική βαθμονόμηση για την εκτέλεση οποιασδήποτε ποσοτικής απεικόνισης.
● Ασυνεπής έκθεση σε σύντομο χρονικό διάστημαΌταν χρησιμοποιούνται πολύ σύντομοι χρόνοι έκθεσης, οι κάμερες EMCCD ενδέχεται να παράγουν ασυνεπή αποτελέσματα επειδή το ασθενές σήμα κατακλύζεται από θόρυβο και η διαδικασία ενίσχυσης εισάγει στατιστικές διακυμάνσεις.
● Απαιτήσεις υψηλής ψύξηςΗ διαδικασία πολλαπλασιασμού ηλεκτρονίων επηρεάζεται έντονα από τη θερμοκρασία. Η ψύξη του αισθητήρα αυξάνει τον διαθέσιμο πολλαπλασιασμό ηλεκτρονίων. Συνεπώς, η βαθιά ψύξη του αισθητήρα, διατηρώντας παράλληλα τη σταθερότητα της θερμοκρασίας, είναι κρίσιμη για τις αναπαραγώγιμες μετρήσεις EMCCD.
● Υψηλό κόστοςΗ δυσκολία κατασκευής αυτών των αισθητήρων πολλαπλών στοιχείων, σε συνδυασμό με την βαθιά ψύξη, οδηγεί σε τιμές συνήθως υψηλότερες από τις κάμερες με αισθητήρες sCMOS υψηλότερης ποιότητας.
● Περιορισμένη διάρκεια ζωήςΗ πολλαπλασιαστική αποσύνθεση ηλεκτρονίων θέτει ένα όριο στη διάρκεια ζωής αυτών των ακριβών αισθητήρων, συνήθως 5-10 ετών, ανάλογα με το επίπεδο χρήσης.
● Προκλήσεις στις εξαγωγέςΗ εισαγωγή και εξαγωγή αισθητήρων EMCCD τείνει να αποτελεί υλικοτεχνική πρόκληση λόγω της πιθανής χρήσης τους σε στρατιωτικές εφαρμογές.

Γιατί το EMCCD είναι ο διάδοχος του CCD

Χαρακτηριστικό	CCD	EMCCD
Ευαισθησία	Ψηλά	Υπερβολικά υψηλό (ειδικά σε χαμηλό φωτισμό)
Θόρυβος ανάγνωσης	Μέτριος	Εξαιρετικά χαμηλό (λόγω κέρδους)
Δυναμικό εύρος	Ψηλά	Μέτριο (περιορισμένο από κέρδος)
Κόστος	Χαμηλότερος	Υψηλότερο
Ψύξη	Προαιρετικός	Συνήθως απαιτείται για βέλτιστη απόδοση
Περιπτώσεις χρήσης	Γενική απεικόνιση	Ανίχνευση μεμονωμένου φωτονίου σε χαμηλό φωτισμό

Οι αισθητήρες EMCCD βασίζονται στην παραδοσιακή τεχνολογία CCD ενσωματώνοντας ένα βήμα πολλαπλασιασμού ηλεκτρονίων. Αυτό ενισχύει την ικανότητα ενίσχυσης ασθενών σημάτων και μείωσης του θορύβου, καθιστώντας τους EMCCD την προτιμώμενη επιλογή για εφαρμογές απεικόνισης σε εξαιρετικά χαμηλό φωτισμό, όπου οι αισθητήρες CCD δεν επαρκούν.

Βασικές εφαρμογές των αισθητήρων EMCCD

Οι αισθητήρες EMCCD χρησιμοποιούνται συνήθως σε επιστημονικούς και βιομηχανικούς τομείς που απαιτούν υψηλή ευαισθησία και την ικανότητα ανίχνευσης αμυδρών σημάτων:

● Φανταστείτε τις Επιστήμες της Ζωήςg: Για εφαρμογές όπως η μικροσκοπία φθορισμού μονομοριακού μεγέθους και η μικροσκοπία φθορισμού ολικής εσωτερικής ανάκλασης (TIRF).
● ΑστρονομίαΧρησιμοποιείται για τη λήψη αμυδρού φωτός από μακρινά αστέρια, γαλαξίες και έρευνα εξωπλανητών.
● Κβαντική ΟπτικήΓια πειράματα εμπλοκής φωτονίων και κβαντικών πληροφοριών.

● Εγκληματολογία και Ασφάλεια: Χρησιμοποιείται σε επιτήρηση σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού και ανάλυση ιχνών.
● ΦασματοσκοπίαΣτη φασματοσκοπία Raman και την ανίχνευση φθορισμού χαμηλής έντασης.

Πότε πρέπει να επιλέξετε έναν αισθητήρα EMCCD;

Με τις βελτιώσεις στους αισθητήρες CMOS τα τελευταία χρόνια, το πλεονέκτημα του θορύβου ανάγνωσης των αισθητήρων EMCCD έχει μειωθεί, καθώς πλέον ακόμη και οι κάμερες sCMOS είναι ικανές για θόρυβο ανάγνωσης υποηλεκτρονίων, μαζί με μια τεράστια γκάμα άλλων πλεονεκτημάτων. Εάν μια εφαρμογή έχει χρησιμοποιήσει προηγουμένως EMCCD, αξίζει να εξεταστεί εάν αυτή είναι η καλύτερη επιλογή δεδομένων των εξελίξεων στο sCMOS.

Ιστορικά, οι ηλεκτρομαγνητικές δομές (EMCCD) μπορούσαν ακόμα να εκτελούν την καταμέτρηση φωτονίων με μεγαλύτερη επιτυχία, παράλληλα με μερικές άλλες εξειδικευμένες εφαρμογές με τυπικά επίπεδα σήματος μικρότερα από 3-5e- ανά pixel στην κορυφή. Ωστόσο, με μεγαλύτερα μεγέθη pixel και θόρυβο ανάγνωσης υποηλεκτρονίων να γίνονται διαθέσιμοι σε...επιστημονικές κάμερεςΜε βάση την τεχνολογία sCMOS, είναι πιθανό και αυτές οι εφαρμογές να μπορούν σύντομα να εκτελούνται με sCMOS υψηλής τεχνολογίας.

Συχνές ερωτήσεις

Ποιος είναι ο ελάχιστος χρόνος έκθεσης για τις κάμερες μεταφοράς καρέ;

Για όλους τους αισθητήρες μεταφοράς καρέ, συμπεριλαμβανομένων των EMCCD, το ζήτημα του ελάχιστου δυνατού χρόνου έκθεσης είναι περίπλοκο. Για λήψεις μεμονωμένων εικόνων, η έκθεση μπορεί να τερματιστεί με την ανακάτεψη των ληφθέντων φορτίων στην περιοχή μάσκας για ανάγνωση πολύ γρήγορα, και είναι δυνατοί σύντομοι ελάχιστοι χρόνοι έκθεσης (υπο-μικροδευτερολέπτων).

Ωστόσο, μόλις η κάμερα ξεκινήσει τη ροή σε πλήρη ταχύτητα, δηλαδή λαμβάνει πολλά καρέ / μια ταινία σε πλήρη ρυθμό καρέ, μόλις ολοκληρωθεί η έκθεση της πρώτης εικόνας, η περιοχή με μάσκα καταλαμβάνεται από αυτό το καρέ μέχρι να ολοκληρωθεί η ανάγνωση. Επομένως, η έκθεση δεν μπορεί να ολοκληρωθεί. Αυτό σημαίνει ότι, ανεξάρτητα από τον χρόνο έκθεσης που ζητείται στο λογισμικό, ο πραγματικός χρόνος έκθεσης των επόμενων καρέ μετά το πρώτο από μια λήψη πολλαπλών καρέ πλήρους ταχύτητας δίνεται από τον χρόνο καρέ, δηλαδή 1 / Ρυθμό καρέ, της κάμερας.

Αντικαθιστά η τεχνολογία sCMOS τους αισθητήρες EMCCD;

Οι κάμερες EMCCD είχαν δύο προδιαγραφές που τις βοήθησαν να διατηρήσουν το πλεονέκτημά τους σε σενάρια απεικόνισης με εξαιρετικά χαμηλό φωτισμό (με μέγιστα επίπεδα σήματος 5 φωτοηλεκτρονίων ή λιγότερο). Πρώτον, τα μεγάλα pixel τους, έως 16 μm, και δεύτερον, ο θόρυβος ανάγνωσης <1e.

Μια νέα γενιάκάμερα sCMOSΈχει αναδειχθεί μια κάμερα που προσφέρει τα ίδια χαρακτηριστικά, χωρίς τα πολυάριθμα μειονεκτήματα των EMCCD, ειδικά τον υπερβολικό συντελεστή θορύβου. Κάμερες όπως η Aries 16 από το Tucsen προσφέρουν εικονοστοιχεία οπίσθιου φωτισμού 16 μm με θόρυβο ανάγνωσης 0,8e-. Με χαμηλό θόρυβο και «εγγενώς» μεγάλα εικονοστοιχεία, αυτές οι κάμερες ξεπερνούν επίσης σε απόδοση τις περισσότερες κάμερες sCMOS που έχουν συσσωρευτεί σε ομαδοποίηση, λόγω της σχέσης μεταξύ συσσώρευσης και θορύβου ανάγνωσης.

Αν θέλετε να μάθετε περισσότερα για το EMCCD, κάντε κλικ:

Μπορεί το EMCCD να αντικατασταθεί και θα το θέλαμε ποτέ αυτό;