25/08/01El sensor CCD Multiplicador de Electrones es una evolución del sensor CCD que permite operar con menor luminosidad. Suele estar diseñado para señales de unos pocos cientos de fotoelectrones, hasta el nivel de conteo de fotones individuales.
Este artículo explica qué son los sensores EMCCD, cómo funcionan, sus ventajas y desventajas, y por qué se consideran la próxima evolución de la tecnología CCD para imágenes con poca luz.
¿Qué es un sensor EMCCD?
Un sensor de dispositivo acoplado a carga multiplicador de electrones (EMCCD) es un tipo especializado de sensor CCD que amplifica señales débiles antes de ser leídas, lo que permite una sensibilidad extremadamente alta en entornos con poca luz.
Inicialmente desarrollados para aplicaciones como la astronomía y la microscopía avanzada, los EMCCD pueden detectar fotones individuales, una tarea con la que los sensores CCD tradicionales tienen dificultades. Esta capacidad de detectar fotones individuales hace que los EMCCD sean cruciales en campos que requieren imágenes precisas con niveles de luz muy bajos.
¿Cómo funcionan los sensores EMCCD?
Hasta el momento de la lectura, los sensores EMCCD funcionan con los mismos principios que los sensores CCD. Sin embargo, antes de la medición con el ADC, las cargas detectadas se multiplican mediante un proceso llamado impactación en un registro de multiplicación de electrones. A lo largo de varios cientos de pasos, las cargas de un píxel se desplazan a alto voltaje a lo largo de una serie de píxeles enmascarados. Cada electrón en cada paso tiene la posibilidad de atraer electrones adicionales. Por lo tanto, la señal se multiplica exponencialmente.
El resultado final de un EMCCD bien calibrado es la capacidad de elegir una cantidad precisa de multiplicación promedio, típicamente entre 300 y 400 para trabajos con poca luz. Esto permite que las señales detectadas se multipliquen mucho más que el ruido de lectura de la cámara, reduciendo así dicho ruido. Desafortunadamente, la naturaleza estocástica de este proceso de multiplicación implica que cada píxel se multiplica por una cantidad diferente, lo que introduce un factor de ruido adicional y reduce la relación señal-ruido (SNR) del EMCCD.
A continuación se detalla el funcionamiento de los sensores EMCCD. Hasta el paso 6, el proceso es prácticamente el mismo que para los sensores CCD.
Figura: Proceso de lectura del sensor EMCCD
Al final de su exposición, los sensores EMCCD transfieren rápidamente las cargas recolectadas a una matriz enmascarada de píxeles de las mismas dimensiones que la matriz fotosensible (transferencia de fotogramas). Luego, fila por fila, las cargas se transfieren a un registro de lectura. Columna por columna, las cargas dentro del registro de lectura se transfieren a un registro de multiplicación. En cada etapa de este registro (hasta 1000 etapas en las cámaras EMCCD reales), cada electrón tiene una pequeña probabilidad de liberar un electrón adicional, multiplicando la señal exponencialmente. Finalmente, se lee la señal multiplicada.
1. Compensación de cargos:Para iniciar la adquisición, se borra simultáneamente la carga de todo el sensor (obturador global).
2. Acumulación de carga:La carga se acumula durante la exposición.
3. Almacenamiento de cargaTras la exposición, las cargas recolectadas se trasladan a una zona enmascarada del sensor, donde pueden esperar la lectura sin que se contabilicen los nuevos fotones detectados. Este es el proceso de «Transferencia de Fotogramas».
4. Exposición del siguiente cuadro:Con las cargas detectadas almacenadas en los píxeles enmascarados, los píxeles activos pueden comenzar la exposición del siguiente fotograma (modo de superposición).
5. Proceso de lectura:Una fila a la vez, las cargas de cada fila del marco terminado se mueven a un 'registro de lectura'.
6. Una columna a la vez, las cargas de cada píxel se envían al nodo de lectura.
7. Multiplicación de electrones:A continuación, todas las cargas de electrones del píxel ingresan al registro de multiplicación de electrones y avanzan paso a paso, multiplicándose en número exponencialmente en cada paso.
8. LeerEl ADC lee la señal multiplicada y el proceso se repite hasta leer todo el marco.
Pros y contras de los sensores EMCCD
Ventajas de los sensores EMCCD
| Ventaja | Descripción |
| Conteo de fotones | Detecta fotoelectrones individuales con ruido de lectura ultrabajo (<0,2e⁻), lo que permite una sensibilidad de fotón único. |
| Sensibilidad a la luz ultrabaja | Significativamente mejor que los CCD tradicionales, a veces superando incluso a las cámaras sCMOS de gama alta en niveles de luz muy bajos. |
| Corriente oscura baja | El enfriamiento profundo reduce el ruido térmico, lo que permite obtener imágenes más limpias durante exposiciones prolongadas. |
| Obturador 'medio global' | La transferencia de fotogramas permite una exposición casi global con un cambio de carga muy rápido (~1 microsegundo). |
● Conteo de fotonesCon una multiplicación de electrones suficientemente alta, el ruido de lectura se puede eliminar prácticamente (<0,2 e-). Esto, junto con la alta ganancia y la eficiencia cuántica casi perfecta, permite distinguir fotoelectrones individuales.
● Sensibilidad a la luz ultrabajaEn comparación con los CCD, el rendimiento de los EMCCD en condiciones de poca luz es considerablemente mejor. En algunas aplicaciones, los EMCCD pueden ofrecer una mejor capacidad de detección y contraste, incluso que los sCMOS de gama alta, incluso con los niveles de luz más bajos posibles.
● Corriente oscura baja:Al igual que los CCD, los EMCCD generalmente están profundamente enfriados y pueden ofrecer valores de corriente oscura muy bajos.
● Obturador 'Half Global':El proceso de transferencia de fotogramas para iniciar y finalizar la exposición no es verdaderamente simultáneo, sino que suele tardar alrededor de 1 microsegundo.
Desventajas de los sensores EMCCD
| Desventaja | Descripción |
| Velocidad limitada | Las velocidades de cuadro máximas (~30 fps a 1 MP) son mucho más lentas que las alternativas CMOS modernas. |
| Ruido de amplificación | La naturaleza aleatoria de la multiplicación de electrones introduce un exceso de ruido, lo que reduce la relación señal-ruido (SNR). |
| Carga inducida por reloj (CIC) | El movimiento de carga rápida puede introducir señales falsas que se amplifican. |
| Rango dinámico reducido | La ganancia alta reduce la señal máxima que el sensor puede manejar antes de saturarse. |
| Tamaño de píxel grande | Es posible que los tamaños de píxeles comunes (13–16 μm) no se ajusten a los requisitos de muchos sistemas ópticos. |
| Requerimientos de enfriamiento intensivos | Se requiere un enfriamiento profundo estable para lograr una multiplicación consistente y bajo nivel de ruido. |
| Necesidades de calibración | La ganancia EM se degrada con el tiempo (decadencia por multiplicación), lo que requiere una calibración regular. |
| Inestabilidad por exposición corta | Exposiciones muy breves pueden provocar una amplificación de señal y ruido impredecibles. |
| Alto costo | La fabricación compleja y el enfriamiento profundo hacen que estos sensores sean más caros que los sCMOS. |
| Vida útil limitada | El registro de multiplicación de electrones se desgasta y su desgaste suele durar entre 5 y 10 años. |
| Desafíos de la exportación | Sujeto a estrictas regulaciones debido a posibles aplicaciones militares. |
● Velocidad limitada:Los EMCCD rápidos proporcionan alrededor de 30 fps a 1 MP, similar a los CCD, órdenes de magnitud más lentos que las cámaras CMOS.
● Introducción al ruidoEl "factor de ruido excesivo" causado por la multiplicación aleatoria de electrones, en comparación con una cámara sCMOS de bajo ruido con la misma eficiencia cuántica, puede generar en los EMCCD un ruido considerablemente mayor según los niveles de señal. La relación señal/ruido (SNR) de los sCMOS de gama alta suele ser mejor para señales de alrededor de 3e, e incluso más para señales más altas.
● Carga inducida por el reloj (CIC)A menos que se controle cuidadosamente, el movimiento de cargas a través del sensor puede introducir electrones adicionales en los píxeles. Este ruido se multiplica por el registro de multiplicación de electrones. Una mayor velocidad de movimiento de carga (frecuencia de reloj) conlleva una mayor velocidad de fotogramas, pero mayor CIC.
● Rango dinámico reducido:Los valores muy altos de multiplicación de electrones necesarios para superar el ruido de lectura EMCCD dan lugar a un rango dinámico muy reducido.
● Tamaño de píxel grandeEl tamaño de píxel más pequeño y común para las cámaras EMCCD es de 10 μm, pero los más comunes son 13 o 16 μm. Este tamaño es demasiado grande para cumplir con los requisitos de resolución de la mayoría de los sistemas ópticos.
● Requisitos de calibraciónEl proceso de multiplicación de electrones desgasta el registro EM con el uso, lo que reduce su capacidad de multiplicación en un proceso denominado "decaimiento por multiplicación de electrones". Esto significa que la ganancia de la cámara cambia constantemente y requiere calibración regular para obtener imágenes cuantitativas.
● Exposición inconsistente en tiempos cortosAl utilizar tiempos de exposición muy cortos, las cámaras EMCCD pueden producir resultados inconsistentes porque la señal débil se ve superada por el ruido y el proceso de amplificación introduce fluctuaciones estadísticas.
● Requerimientos de enfriamiento intensivosEl proceso de multiplicación de electrones está fuertemente influenciado por la temperatura. Enfriar el sensor aumenta la multiplicación de electrones disponible. Por lo tanto, un enfriamiento profundo del sensor, manteniendo la estabilidad de la temperatura, es crucial para obtener mediciones EMCCD reproducibles.
● Alto costo:La dificultad de fabricación de estos sensores multicomponentes, combinada con un enfriamiento profundo, hace que los precios sean típicamente más altos que los de las cámaras con sensor sCMOS de la más alta calidad.
● Vida útil limitada:La desintegración por multiplicación de electrones limita la vida útil de estos costosos sensores, que suele ser de entre 5 y 10 años, dependiendo del nivel de uso.
● Desafíos de la exportaciónLa importación y exportación de sensores EMCCD tiende a ser un desafío logístico debido a su posible uso en aplicaciones militares.
¿Por qué el EMCCD es el sucesor del CCD?
| Característica | CCD | EMCCD |
| Sensibilidad | Alto | Ultraalta (especialmente con poca luz) |
| Ruido de lectura | Moderado | Extremadamente bajo (debido a la ganancia) |
| Rango dinámico | Alto | Moderado (limitado por la ganancia) |
| Costo | Más bajo | Más alto |
| Enfriamiento | Opcional | Generalmente necesario para un rendimiento óptimo |
| Casos de uso | Imágenes generales | Detección de fotón único con poca luz |
Los sensores EMCCD se basan en la tecnología CCD tradicional al incorporar un paso de multiplicación de electrones. Esto mejora la capacidad de amplificar señales débiles y reducir el ruido, lo que los convierte en la opción preferida para aplicaciones de imágenes con muy poca luz, donde los sensores CCD no son suficientes.
Aplicaciones clave de los sensores EMCCD
Los sensores EMCCD se utilizan comúnmente en campos científicos e industriales que requieren alta sensibilidad y la capacidad de detectar señales débiles:
● Ciencias de la vida Imagineg: Para aplicaciones como microscopía de fluorescencia de molécula única y microscopía de fluorescencia de reflexión interna total (TIRF).
● Astronomía:Se utiliza para capturar luz tenue de estrellas distantes, galaxias e investigación de exoplanetas.
● Óptica cuántica:Para experimentos de entrelazamiento de fotones e información cuántica.
● Forense y Seguridad:Se emplea en vigilancia con poca luz y análisis de evidencias.
● Espectroscopia:En espectroscopia Raman y detección de fluorescencia de baja intensidad.
¿Cuándo debería elegir un sensor EMCCD?
Con las mejoras de los sensores CMOS en los últimos años, la ventaja de los sensores EMCCD en cuanto al ruido de lectura ha disminuido, ya que ahora incluso las cámaras sCMOS son capaces de detectar ruido de lectura subelectrónico, además de ofrecer una amplia gama de otras ventajas. Si una aplicación ha utilizado previamente EMCCD, conviene analizar si esta es la mejor opción, dados los avances en sCMOS.
Históricamente, los EMCCD aún podían realizar el conteo de fotones con mayor éxito, junto con algunas otras aplicaciones especializadas con niveles de señal típicos inferiores a 3-5 e- por píxel en el pico. Sin embargo, con tamaños de píxel más grandes y el ruido de lectura subelectrónico disponible encámaras científicasBasándonos en la tecnología sCMOS, es posible que estas aplicaciones también puedan realizarse pronto con sCMOS de alta gama.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es el tiempo mínimo de exposición para las cámaras de transferencia de fotogramas?
Para todos los sensores de transferencia de fotogramas, incluidos los EMCCD, la cuestión del tiempo mínimo de exposición posible es compleja. Para la adquisición de imágenes individuales, la exposición puede finalizarse redistribuyendo las cargas adquiridas en la región enmascarada para su lectura muy rápida, y se pueden alcanzar tiempos de exposición mínimos cortos (submicrosegundos).
Sin embargo, en cuanto la cámara transmite a máxima velocidad (es decir, adquiere varios fotogramas o una película a la velocidad máxima), al terminar la exposición de la primera imagen, la región enmascarada queda ocupada por ese fotograma hasta que finaliza la lectura. Por lo tanto, la exposición no puede finalizar. Esto significa que, independientemente del tiempo de exposición solicitado en el software, el tiempo de exposición real de los fotogramas posteriores al primero de una adquisición multifotograma a máxima velocidad viene dado por el tiempo de fotograma (es decir, 1/velocidad de fotogramas) de la cámara.
¿Está la tecnología sCMOS reemplazando a los sensores EMCCD?
Las cámaras EMCCD contaban con dos especificaciones que las ayudaban a conservar su ventaja en la captura de imágenes con luz extremadamente baja (con niveles de señal pico de 5 fotoelectrones o menos). En primer lugar, sus grandes píxeles, de hasta 16 μm, y en segundo lugar, su ruido de lectura <1e.
Una nueva generación decámara sCMOSHa surgido una cámara que ofrece estas mismas características, sin las numerosas desventajas de los EMCCD, especialmente el factor de ruido excesivo. Cámaras como la Aries 16 de Tucsen ofrecen píxeles retroiluminados de 16 μm con un ruido de lectura de 0,8 e-. Con bajo ruido y píxeles nativos grandes, estas cámaras también superan a la mayoría de las cámaras sCMOS binned, debido a la relación entre el binning y el ruido de lectura.
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