25.8.2001Elektroneja monistava CCD-kenno on CCD-kennon kehitysaskel, joka mahdollistaa toiminnan heikossa valossa. Ne on tyypillisesti tarkoitettu muutaman sadan fotoelektronin signaaleille aina yksittäisten fotonien laskentatasolle asti.
Tässä artikkelissa selitetään, mitä EMCCD-anturit ovat, miten ne toimivat, niiden edut ja haitat sekä miksi niitä pidetään CCD-tekniikan seuraavana kehitysaskeleena hämäräkuvauksessa.
Mikä on EMCCD-anturi?
Elektronikertoisvarauskytketty laite (EMCCD) on erikoistunut CCD-anturi, joka vahvistaa heikkoja signaaleja ennen niiden lukemista, mikä mahdollistaa erittäin suuren herkkyyden hämärässä.
Alun perin tähtitieteen ja edistyneen mikroskopian kaltaisiin sovelluksiin kehitetyt EMCCD-laitteet pystyvät havaitsemaan yksittäisiä fotoneja, mikä on tehtävä, jossa perinteiset CCD-anturit kamppailevat. Tämä kyky havaita yksittäisiä fotoneja tekee EMCCD-laitteista ratkaisevan tärkeitä kentillä, jotka vaativat tarkkaa kuvantamista erittäin heikossa valaistuksessa.
Miten EMCCD-anturit toimivat?
Lukemaan asti EMCCD-anturit toimivat samoilla periaatteilla kuin CCD-anturit. Ennen ADC-mittausta havaitut varaukset kuitenkin kerrotaan elektronien kertolaskurekisterissä niin kutsutun törmäyksen avulla. Useiden satojen vaiheiden sarjassa pikselin varauksia siirretään maskattujen pikselien sarjaa pitkin korkealla jännitteellä. Jokaisella elektronilla on mahdollisuus tuoda mukanaan lisää elektroneja jokaisessa vaiheessa. Signaali kerrotaan siis eksponentiaalisesti.
Hyvin kalibroidun EMCCD:n lopputuloksena on kyky valita tarkka keskimääräinen kertolaskumäärä, tyypillisesti noin 300–400 hämärässä työskentelyä varten. Tämä mahdollistaa havaittujen signaalien kertomisen paljon suuremmaksi kuin kameran lukukohina, mikä vähentää kameran lukukohinaa. Valitettavasti tämän kertolaskuprosessin stokastinen luonne tarkoittaa, että jokainen pikseli kerrotaan eri määrällä, mikä lisää kohinakerrointa ja pienentää EMCCD:n signaali-kohinasuhdetta (SNR).
Tässä on erittely EMCCD-antureiden toiminnasta. Vaiheeseen 6 asti prosessi on käytännössä sama kuin CCD-antureilla.
Valotuksen lopussa EMCCD-anturit siirtävät ensin nopeasti kerätyt varaukset maskattuun pikselimatriisiin, jonka mitat ovat samat kuin valoherkän pikselimatriisin (kuvansiirto). Sitten varaukset siirretään rivi kerrallaan lukurekisteriin. Lukurekisterin varaukset johdetaan kertolaskurekisteriin sarake kerrallaan. Jokaisella rekisterin vaiheella (jopa 1000 vaihetta oikeissa EMCCD-kameroissa) jokaisella elektronilla on pieni mahdollisuus vapauttaa ylimääräinen elektroni, mikä kertoo signaalin eksponentiaalisesti. Lopuksi kerrottu signaali luetaan.
1. Veloitusten selvitysKuvan keräämisen aloittamiseksi koko anturista tyhjennetään samanaikaisesti varaus (yleissuljin).
2. Varauksen kertyminenVaraus kertyy valotuksen aikana.
3. LatausvarastointiValotuksen jälkeen kerätyt varaukset siirretään anturin peitetylle alueelle, jossa ne voivat odottaa lukemaa ilman, että uusia havaittuja fotoneja lasketaan. Tätä kutsutaan kehyksen siirtoprosessiksi.
4. Seuraavan kuvan valotusKun havaitut varaukset on tallennettu maskattuihin pikseleihin, aktiiviset pikselit voivat aloittaa seuraavan kuvan valotuksen (päällekkäisyystila).
5. LukemisprosessiYksi rivi kerrallaan, valmiin kehyksen jokaisen rivin varaukset siirretään 'lukurekisteriin'.
6. Yksi sarake kerrallaan, kunkin pikselin varaukset siirretään lukusolmuun.
7. Elektronien kertolaskuSeuraavaksi kaikki pikselin elektronivaraukset siirtyvät elektronien kertorekisteriin ja liikkuvat askel askeleelta kertoen lukumääränsä eksponentiaalisesti jokaisella askeleella.
8. LukemaADC lukee kerrotun signaalin, ja prosessi toistetaan, kunnes koko kehys on luettu.
EMCCD-antureiden hyvät ja huonot puolet
EMCCD-antureiden edut
| Etu | Kuvaus |
| Fotonien laskenta | Havaitsee yksittäisiä fotoelektroneja erittäin alhaisella lukukohinalla (<0,2e⁻), mikä mahdollistaa yksittäisten fotonien herkkyyden. |
| Erittäin heikko valoherkkyys | Merkittävästi parempi kuin perinteiset CCD-kennot, joskus jopa huippuluokan sCMOS-kamerat erittäin hämärässä. |
| Alhainen pimeä virta | Syväjäähdytys vähentää lämpökohinaa, mikä mahdollistaa selkeämmät kuvat pitkillä valotusajoilla. |
| 'Puolimaailmanlaajuinen' suljin | Kehyksen siirto mahdollistaa lähes globaalin valotuksen erittäin nopealla varauksenvaihdolla (~1 mikrosekunti). |
● Fotonien laskentaRiittävän suurella elektronien monistumiskertoimella lukukohina voidaan käytännössä poistaa (<0,2e-). Tämä yhdessä suuren vahvistusarvon ja lähes täydellisen kvanttitehokkuuden kanssa tarkoittaa, että yksittäisten fotoelektronien erottaminen on mahdollista.
● Erittäin heikko valoherkkyysCCD-kennoihin verrattuna EMCCD-kennojen suorituskyky hämärässä on huomattavasti parempi. Joissakin sovelluksissa EMCCD voi tarjota paremman havaitsemiskyvyn ja kontrastin jopa huippuluokan sCMOS-kennoja alhaisimmilla mahdollisilla valaistustasoilla.
● Alhainen pimeävirtaKuten CCD-kennoja, myös EMCCD-kennoja on tyypillisesti syväjäähdytetty, ja ne pystyvät tuottamaan erittäin alhaisia pimeävirran arvoja.
● 'Puolimaailmanlaajuinen' SuljinKuvansiirtoprosessi valotuksen aloittamiseksi ja lopettamiseksi ei ole aidosti samanaikainen, vaan se kestää tyypillisesti noin yhden mikrosekunnin.
EMCCD-antureiden haitat
| Haittapuoli | Kuvaus |
| Rajoitettu nopeus | Suurimmat kuvataajuudet (~30 fps 1 MP:llä) ovat paljon hitaampia kuin nykyaikaisissa CMOS-vaihtoehdoissa. |
| Vahvistuskohina | Elektronien moninkertaistumisen satunnainen luonne aiheuttaa ylimääräistä kohinaa, mikä vähentää signaali-kohinaa. |
| Kellon indusoima varaus (CIC) | Nopea latausliike voi aiheuttaa vääriä signaaleja, jotka vahvistuvat. |
| Rajallinen dynaaminen alue | Suuri vahvistus pienentää anturin käsittelemää maksimisignaalia ennen saturaatiota. |
| Suuri pikselikoko | Yleiset pikselikoot (13–16 μm) eivät välttämättä vastaa monien optisten järjestelmien vaatimuksia. |
| Raskas jäähdytysvaatimus | Tasaisen kertolaskun ja alhaisen kohinan saavuttamiseksi tarvitaan vakaa syväjäähdytys. |
| Kalibrointitarpeet | Sähkömagneettinen vahvistus heikkenee ajan myötä (kertolaskuvaikutus), mikä vaatii säännöllistä kalibrointia. |
| Lyhyen valotuksen epävakaus | Hyvin lyhyet valotusajat voivat aiheuttaa arvaamatonta signaalin vahvistumista ja kohinaa. |
| Korkeat kustannukset | Monimutkainen valmistus ja syväjäähdytys tekevät näistä antureista kalliimpia kuin sCMOS-anturit. |
| Rajoitettu käyttöikä | Elektronien kertolaskurekisteri kuluu loppuun, ja se kestää tyypillisesti 5–10 vuotta. |
| Vientihaasteet | Tiukkojen määräysten alainen mahdollisten sotilaallisten sovellusten vuoksi. |
● Rajoitettu nopeusNopeat EMCCD-kennot tarjoavat noin 30 kuvaa sekunnissa 1 megapikselin tarkkuudella, mikä on samanlaista kuin CCD-kennot ja suuruusluokkaa hitaampaa kuin CMOS-kamerat.
● Melun esittelySatunnaisen elektronien moninkertaistumisen aiheuttama "ylimääräinen kohinakerroin" voi aiheuttaa EMCCD-piireille huomattavasti suurempaa kohinaa signaalitasoista riippuen verrattuna saman kvanttihyötysuhteen omaavaan, kohinaa tuottavaan sCMOS-kameraan. Huippuluokan sCMOS-piirien signaali-kohinasuhde on tyypillisesti parempi noin 3e- signaaleilla, varsinkin suuremmilla signaaleilla.
● Kello-indusoitu lataus (CIC)Ellei varausten liikettä sensorin poikki kontrolloida huolellisesti, se voi tuoda lisää elektroneja pikseleihin. Tämä kohina kerrotaan sitten elektronien kertolaskurekisterillä. Suuremmat varausten liikenopeudet (kellotaajuudet) johtavat suurempiin kuvataajuuksiin, mutta enemmän CIC-arvoja.
● Rajallinen dynaaminen alueEMCCD-lukukohinan voittamiseksi tarvittavat erittäin suuret elektronien kertolaskuarvot johtavat huomattavasti pienempään dynaamiseen alueeseen.
● Suuri pikselikokoEMCCD-kameroiden pienin yleinen pikselikoko on 10 μm, mutta yleisin on 13 tai 16 μm. Tämä on aivan liian suuri useimpien optisten järjestelmien resoluutiovaatimuksiin.
● KalibrointivaatimuksetElektronien moninkertaistumisprosessi kuluttaa sähkömagneettista rekisteriä käytössä, mikä heikentää sen kykyä moninkertaistua prosessissa, jota kutsutaan elektronien moninkertaistumisen hajoamiseksi. Tämä tarkoittaa, että kameran vahvistus muuttuu jatkuvasti, ja kamera vaatii säännöllistä kalibrointia kvantitatiivisen kuvantamisen suorittamiseksi.
● Epätasainen valotus lyhyinä aikoinaHyvin lyhyitä valotusaikoja käytettäessä EMCCD-kamerat saattavat tuottaa epäjohdonmukaisia tuloksia, koska heikko signaali peittyy kohinaan ja vahvistusprosessi aiheuttaa tilastollisia vaihteluita.
● Suuri jäähdytystarveLämpötila vaikuttaa voimakkaasti elektronien lisääntymisprosessiin. Anturin jäähdytys lisää käytettävissä olevaa elektronien lisääntymistä. Siksi anturin syväjäähdytys lämpötilan vakautta ylläpitäen on ratkaisevan tärkeää toistettavien EMCCD-mittausten kannalta.
● Korkeat kustannuksetNäiden monikomponenttisten antureiden valmistuksen vaikeus yhdistettynä syväjäähdytykseen johtaa hintoihin, jotka ovat tyypillisesti korkeammat kuin korkealaatuisimmissa sCMOS-kennokameroissa.
● Rajoitettu käyttöikäElektronien moninkertaistumisen hajoaminen rajoittaa näiden kalliiden antureiden käyttöikää, joka on yleensä 5–10 vuotta käyttömäärästä riippuen.
● VientihaasteetEMCCD-antureiden tuonti ja vienti on yleensä logistisesti haastavaa niiden mahdollisen sotilaskäytön vuoksi.
Miksi EMCCD on CCD:n seuraaja
| Ominaisuus | CCD-levy | EMCCD |
| Herkkyys | Korkea | Erittäin kirkas (erityisesti hämärässä) |
| Lukemaääni | Kohtalainen | Erittäin alhainen (vahvistuksen vuoksi) |
| Dynaaminen alue | Korkea | Kohtalainen (rajoitettu vahvistuksen vuoksi) |
| Maksaa | Alentaa | Korkeampi |
| Jäähdytys | Valinnainen | Yleensä vaaditaan optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi |
| Käyttötapaukset | Yleinen kuvantaminen | Hämärässä, yksittäisten fotonien havaitseminen |
EMCCD-anturit perustuvat perinteiseen CCD-tekniikkaan sisällyttämällä siihen elektronien monistusvaiheen. Tämä parantaa heikkojen signaalien vahvistamista ja kohinan vähentämistä, mikä tekee EMCCD-antureista ensisijaisen vaihtoehdon erittäin hämärässä tehtäviin kuvantamissovelluksiin, joissa CCD-anturit eivät riitä.
EMCCD-antureiden tärkeimmät sovellukset
EMCCD-antureita käytetään yleisesti tieteen ja teollisuuden aloilla, jotka vaativat suurta herkkyyttä ja kykyä havaita heikkoja signaaleja:
● Elämäntieteiden mielikuvitusg: Sovelluksiin, kuten yksimolekyylisen fluoresenssimikroskopia ja kokonaisheijastusfluoresenssimikroskopia (TIRF).
● TähtitiedeKäytetään kaukaisten tähtien, galaksien ja eksoplaneettatutkimuksen himmeän valon tallentamiseen.
● KvanttioptiikkaFotonien lomittumis- ja kvantti-informaatiokokeisiin.
● Oikeuslääketiede ja turvallisuusKäytetään hämärässä valvonnassa ja jälkien analysoinnissa.
● SpektroskopiaRaman-spektroskopiassa ja matalan intensiteetin fluoresenssidetektorissa.
Milloin sinun pitäisi valita EMCCD-anturi?
CMOS-kennojen viime vuosien parannusten myötä EMCCD-kennojen lukukohinan etu on pienentynyt, sillä nykyään jopa sCMOS-kamerat pystyvät käsittelemään alielektronien lukukohinaa lukutaidon lisäksi monilla muilla eduilla. Jos sovelluksessa on aiemmin käytetty EMCCD-kennoja, kannattaa tarkistaa, onko tämä paras vaihtoehto sCMOS-kennojen kehityksen huomioon ottaen.
Historiallisesti EMCCD:t pystyivät edelleen suorittamaan fotonien laskennan onnistuneemmin muutamien muiden niche-sovellusten ohella, joiden tyypilliset signaalitasot olivat alle 3–5 e- pikseliä kohden huipputasolla. Suurempien pikselikokojen ja alielektronien lukukohinan tullessa saatavilletieteelliset kameratsCMOS-teknologian ansiosta on mahdollista, että myös nämä sovellukset voidaan pian suorittaa huippuluokan sCMOS-tekniikalla.
Usein kysytyt kysymykset
Mikä on kuvansiirtokameroiden vähimmäisvalotusaika?
Kaikilla kuvansiirtoantureilla, mukaan lukien EMCCD-antureilla, lyhimmän mahdollisen valotusajan kysymys on monimutkainen. Yksittäisten kuvien ottamisessa valotus voidaan lopettaa siirtämällä hankitut varaukset maskatulle alueelle erittäin nopeasti lukemista varten, ja lyhyet (alle mikrosekunnin) lyhimmät valotusajat ovat mahdollisia.
Heti kun kamera suoratoistaa täydellä nopeudella eli tallentaa useita kuvia / elokuvan täydellä kuvataajuudella, heti ensimmäisen kuvan valotuksen päätyttyä maskattu alue varataan kyseiselle kuvalle, kunnes luku on valmis. Valotus ei siis voi päättyä. Tämä tarkoittaa, että ohjelmistossa pyydetystä valotusajasta riippumatta täyden nopeuden monikuvakuvauksen ensimmäisen kuvan jälkeen seuraavien kuvien todellinen valotusaika määräytyy kameran kuva-ajan, eli 1 / kuvataajuus, mukaan.
Korvaako sCMOS-teknologia EMCCD-anturit?
EMCCD-kameroilla oli kaksi ominaisuutta, jotka auttoivat säilyttämään niiden edun äärimmäisen hämäräkuvaustilanteissa (huippusignaalitasojen ollessa 5 fotoelektronia tai vähemmän). Ensinnäkin niiden suuret pikselit, jopa 16 μm, ja toiseksi niiden <1e-lukukohina.
Uusi sukupolvisCMOS-kameraon ilmestynyt kamera, joka tarjoaa samat ominaisuudet ilman EMCCD-laitteiden lukuisia haittoja, erityisesti liiallista kohinaa. Kamerat, kuten Tucsenin Aries 16, tarjoavat 16 μm:n taustavalaistuja pikseleitä, joiden lukukohina on 0,8e-. Alhaisen kohinan ja "natiivisti" suurten pikselien ansiosta nämä kamerat myös päihittävät useimmat binaarit sCMOS-kamerat binaarin ja lukukohinan välisen suhteen ansiosta.
Jos haluat lisätietoja EMCCD:stä, napsauta:
