25/08/01O sensor CCD multiplicador de electróns é unha evolución do sensor CCD para permitir o funcionamento con menos luz. Normalmente están pensados para sinais duns poucos centos de fotoelectróns, ata o nivel de reconto de fotóns individuais.
Este artigo explica que son os sensores EMCCD, como funcionan, as súas vantaxes e desvantaxes e por que se consideran a próxima evolución da tecnoloxía CCD para imaxes con pouca luz.
Que é un sensor EMCCD?
Un sensor de dispositivo de carga acoplado por multiplicación de electróns (EMCCD) é un tipo especializado de sensor CCD que amplifica os sinais débiles antes de seren lidos, o que permite unha sensibilidade extremadamente alta en ambientes con pouca luz.
Desenvolvidos inicialmente para aplicacións como a astronomía e a microscopía avanzada, os EMCCD poden detectar fotóns individuais, unha tarefa coa que os sensores CCD tradicionais teñen dificultades. Esta capacidade para detectar fotóns individuais fai que os EMCCD sexan cruciais para campos que requiren imaxes precisas en niveis de luz moi baixos.
Como funcionan os sensores EMCCD?
Ata o punto de lectura, os sensores EMCCD funcionan cos mesmos principios que os sensores CCD. Non obstante, antes da medición co ADC, as cargas detectadas multiplícanse mediante un proceso chamado impactación, nun "rexistro de multiplicación de electróns". Ao longo dunha serie de varios centos de pasos, as cargas dun píxel móvense ao longo dunha serie de píxeles enmascarados a alta tensión. Cada electrón en cada paso ten a posibilidade de traer consigo electróns adicionais. Polo tanto, o sinal multiplícase exponencialmente.
O resultado final dun EMCCD ben calibrado é a capacidade de escoller unha cantidade precisa de multiplicación media, normalmente arredor de 300 a 400 para traballos con pouca luz. Isto permite que os sinais detectados se multipliquen moito máis que o ruído de lectura da cámara, o que en efecto reduce o ruído de lectura da cámara. Desafortunadamente, a natureza estocástica deste proceso de multiplicación significa que cada píxel se multiplica por unha cantidade diferente, o que introduce un factor de ruído adicional, reducindo a relación sinal-ruído (SNR) do EMCCD.
Aquí tes un desglose de como funcionan os sensores EMCCD. Ata o paso 6, o proceso é practicamente o mesmo que para os sensores CCD.
Figura: Proceso de lectura para o sensor EMCCD
Ao final da súa exposición, os sensores EMCCD primeiro moven rapidamente as cargas recollidas a unha matriz enmascarada de píxeles das mesmas dimensións que a matriz fotosensible (transferencia de fotogramas). Despois, fila por fila, as cargas móvense a un rexistro de lectura. Columna por columna, as cargas dentro do rexistro de lectura pásanse a un rexistro de multiplicación. En cada etapa deste rexistro (ata 1000 etapas en cámaras EMCCD reais), cada electrón ten unha pequena oportunidade de liberar un electrón adicional, multiplicando o sinal exponencialmente. Ao final, lése o sinal multiplicado.
1. Compensación de cargosPara comezar a adquisición, a carga elimínase simultaneamente de todo o sensor (obturador global).
2. Acumulación de cargaAcumúlase carga durante a exposición.
3. Almacenamento de cargaDespois da exposición, as cargas recollidas móvense a unha área enmascarada do sensor, onde poden esperar a lectura sen que se conten os novos fotóns detectados. Este é o proceso de "Transferencia de fotogramas".
4. Exposición do seguinte fotogramaCoas cargas detectadas almacenadas nos píxeles enmascarados, os píxeles activos poden comezar a exposición do seguinte fotograma (modo de superposición).
5. Proceso de lecturaUnha fila á vez, as cargas de cada fila do cadro rematado móvense a un "rexistro de lectura".
6. Unha columna á vez, as cargas de cada píxel transfírense ao nodo de lectura.
7. Multiplicación de electrónsA continuación, todas as cargas de electróns do píxel entran no rexistro de multiplicación de electróns e móvense paso a paso, multiplicándose en número exponencialmente en cada paso.
8. LecturaO sinal multiplicado é lido polo ADC e o proceso repítese ata que se lea a trama completa.
Vantaxes e desvantaxes dos sensores EMCCD
Vantaxes dos sensores EMCCD
| Vantaxe | Descrición |
| Conteo de fotóns | Detecta fotoelectróns individuais cun ruído de lectura ultrabaixo (<0,2e⁻), o que permite a sensibilidade dun só fotón. |
| Sensibilidade a luz ultrabaixa | Significativamente mellor que os CCD tradicionais, superando ás veces incluso as cámaras sCMOS de gama alta con niveis de luz moi baixos. |
| Baixa corrente de escuridade | O arrefriamento profundo reduce o ruído térmico, o que permite imaxes máis nítidas durante exposicións longas. |
| Obturador "Semiglobal" | A transferencia de fotogramas permite unha exposición case global cun cambio de carga moi rápido (~1 microsegundo). |
● Conteo de fotónsCunha multiplicación de electróns o suficientemente alta, o ruído de lectura pódese eliminar practicamente (<0,2e-). Isto, xunto co alto valor de ganancia e a eficiencia cuántica case perfecta, significa que é posible distinguir fotoelectróns individuais.
● Sensibilidade a luz ultrabaixaEn comparación cos CCD, o rendemento en pouca luz dos EMCCD é drasticamente mellor. Pode haber algunhas aplicacións nas que os EMCCD proporcionen unha mellor capacidade de detección e contraste mesmo que os sCMOS de gama alta cos niveis de luz máis baixos posibles.
● Baixa corrente de escuridadeDo mesmo xeito que os CCD, os EMCCD adoitan estar arrefriados profundamente e son capaces de proporcionar valores de corrente de escuridade moi baixos.
● Obturador "Semiglobal"O proceso de transferencia de fotogramas para iniciar e finalizar a exposición non é realmente simultáneo, senón que normalmente tarda da orde de 1 microsegundo.
Desvantaxes dos sensores EMCCD
| Desvantaxe | Descrición |
| Velocidade limitada | As taxas máximas de fotogramas (~30 fps a 1 MP) son moito máis lentas que as alternativas CMOS modernas. |
| Ruído de amplificación | A natureza aleatoria da multiplicación de electróns introduce un exceso de ruído, o que reduce a SNR. |
| Carga inducida por reloxo (CIC) | O movemento de carga rápida pode introducir sinais falsos que se amplifican. |
| Rango dinámico reducido | Unha ganancia alta reduce o sinal máximo que o sensor pode manexar antes da saturación. |
| Tamaño de píxel grande | Os tamaños de píxeles habituais (13–16 μm) poden non coincidir cos requisitos de moitos sistemas ópticos. |
| Requisito de refrixeración elevado | É necesario un arrefriamento profundo estable para lograr unha multiplicación consistente e baixo nivel de ruído. |
| Necesidades de calibración | A ganancia EM degrádase co tempo (decaemento por multiplicación), o que require unha calibración regular. |
| Inestabilidade de curta exposición | As exposicións moi breves poden causar unha amplificación do sinal e ruído imprevisibles. |
| Alto custo | A fabricación complexa e o arrefriamento profundo fan que estes sensores sexan máis caros que os sCMOS. |
| Vida útil limitada | O rexistro de multiplicación de electróns desgástase, o que normalmente dura entre 5 e 10 anos. |
| Desafíos de exportación | Suxeito a unha normativa estrita debido a posibles aplicacións militares. |
● Velocidade limitadaOs EMCCD rápidos proporcionan uns 30 fps a 1 MP, semellante aos CCD, ordes de magnitude máis lentos que as cámaras CMOS.
● Introdución ao ruídoO "factor de ruído excesivo" causado pola multiplicación aleatoria de electróns, en comparación cunha cámara sCMOS de baixo ruído coa mesma eficiencia cuántica, pode dar aos EMCCD un ruído drasticamente maior dependendo dos niveis de sinal. A relación sinal-ruído (SNR) para sCMOS de gama alta adoita ser mellor para sinais de arredor de 3e-, e aínda máis para sinais máis altos.
● Carga inducida polo reloxo (CIC)A menos que se controle coidadosamente, o movemento das cargas a través do sensor pode introducir electróns adicionais nos píxeles. Este ruído multiplícase entón polo rexistro de multiplicación de electróns. As velocidades de movemento de carga (frecuencias de reloxo) máis altas levan a taxas de fotogramas máis altas, pero a máis CIC.
● Rango dinámico reducidoOs valores moi elevados de multiplicación de electróns necesarios para superar o ruído de lectura EMCCD levan a un rango dinámico moi reducido.
● Tamaño de píxel grandeO tamaño de píxel máis pequeno e común para as cámaras EMCCD é de 10 μm, pero o máis común é 13 ou 16 μm. Isto é demasiado grande para cumprir cos requisitos de resolución da maioría dos sistemas ópticos.
● Requisitos de calibraciónO proceso de multiplicación de electróns desgasta o rexistro EM co uso, o que reduce a súa capacidade de multiplicarse nun proceso chamado "decaemento da multiplicación de electróns". Isto significa que a ganancia da cámara cambia constantemente e que a cámara require unha calibración regular para realizar calquera imaxe cuantitativa.
● Exposición inconsistente en períodos curtosCando se empregan tempos de exposición moi curtos, as cámaras EMCCD poden producir resultados inconsistentes porque o sinal débil vese desbordado polo ruído e o proceso de amplificación introduce flutuacións estatísticas.
● Requisito de refrixeración elevadoO proceso de multiplicación de electróns está fortemente influenciado pola temperatura. O arrefriamento do sensor aumenta a multiplicación de electróns dispoñible. Polo tanto, un arrefriamento profundo do sensor mantendo a estabilidade da temperatura é fundamental para as medicións EMCCD reproducibles.
● Alto custoA dificultade de fabricación destes sensores multicompoñentes, combinada cun arrefriamento profundo, leva a uns prezos normalmente máis altos que os das cámaras con sensores sCMOS de maior calidade.
● Vida útil limitadaO decaemento da multiplicación de electróns pon un límite á vida útil destes sensores caros, que normalmente é de 5 a 10 anos, dependendo do nivel de uso.
● Desafíos de exportaciónA importación e exportación de sensores EMCCD adoita ser complexa desde o punto de vista loxístico debido ao seu posible uso en aplicacións militares.
Por que a EMCCD é a sucesora da CCD
| Característica | CCD | EMCCD |
| Sensibilidade | Alto | Ultra alta (especialmente pouca luz) |
| Ruído de lectura | Moderado | Extremadamente baixo (debido á ganancia) |
| Rango dinámico | Alto | Moderado (limitado pola ganancia) |
| Custo | Inferior | Máis alto |
| Refrixeración | Opcional | Normalmente necesario para un rendemento óptimo |
| Casos de uso | Imaxe xeral | Detección de fotóns únicos con pouca luz |
Os sensores EMCCD baséanse na tecnoloxía CCD tradicional incorporando un paso de multiplicación de electróns. Isto mellora a capacidade de amplificar sinais débiles e reducir o ruído, o que converte os EMCCD na opción preferida para aplicacións de imaxe con pouca luz onde os sensores CCD son insuficientes.
Aplicacións clave dos sensores EMCCD
Os sensores EMCCD úsanse habitualmente en campos científicos e industriais que requiren alta sensibilidade e a capacidade de detectar sinais débiles:
● Imaxinación das Ciencias da Vidag: Para aplicacións como a microscopía de fluorescencia dunha soa molécula e a microscopía de fluorescencia por reflexión interna total (TIRF).
● AstronomíaÚsase para captar a luz tenue de estrelas distantes e galaxias, así como para a investigación de exoplanetas.
● Óptica cuánticaPara experimentos de entrelazamento de fotóns e información cuántica.
● Análise forense e seguridadeEmpregado na vixilancia con pouca luz e na análise de rastros de evidencias.
● EspectroscopiaEn espectroscopia Raman e detección de fluorescencia de baixa intensidade.
Cando deberías elixir un sensor EMCCD?
Coas melloras dos sensores CMOS nos últimos anos, a vantaxe do ruído de lectura dos sensores EMCCD diminuíu, xa que agora mesmo as cámaras sCMOS son capaces de ler ruído de subelectróns, xunto cunha ampla gama doutras vantaxes. Se unha aplicación utilizou EMCCD previamente, paga a pena revisar se esta é a mellor opción dados os desenvolvementos en sCMOS.
Historicamente, os EMCCD aínda podían realizar a contaxe de fotóns con máis éxito, xunto con outras aplicacións de nicho con niveis de sinal típicos inferiores a 3-5 e- por píxel no pico. Non obstante, con tamaños de píxeles máis grandes e ruído de lectura de subelectróns dispoñible encámaras científicasBaseándose na tecnoloxía sCMOS, é posible que estas aplicacións tamén se poidan realizar en breve con sCMOS de gama alta.
Preguntas frecuentes
Cal é o tempo mínimo de exposición para as cámaras de transferencia de fotogramas?
Para todos os sensores de transferencia de fotogramas, incluídos os EMCCD, a cuestión do tempo de exposición mínimo posible é complicada. Para adquisicións de imaxes únicas, a exposición pódese finalizar introducindo as cargas adquiridas na rexión enmascarada para a súa lectura moi rapidamente, e son posibles tempos de exposición mínimos curtos (submicrosegundos).
Non obstante, en canto a cámara estea a transmitir a velocidade máxima, é dicir, adquirindo varios fotogramas/un vídeo a velocidade máxima, en canto a primeira imaxe remata de expoñerse, a rexión enmascarada queda ocupada por ese fotograma ata que se completa a lectura. Polo tanto, a exposición non pode rematar. Isto significa que, independentemente do tempo de exposición solicitado no software, o tempo de exposición real dos fotogramas posteriores ao primeiro dunha adquisición multifotograma a velocidade máxima vén dado polo tempo de fotogramas, é dicir, 1/velocidade de fotogramas, da cámara.
Está a tecnoloxía sCMOS a substituír os sensores EMCCD?
As cámaras EMCCD tiñan dúas especificacións que axudaban a manter a súa vantaxe en escenarios de imaxe con pouca luz extrema (con niveis de sinal máximos de 5 fotoelectróns ou menos). En primeiro lugar, os seus píxeles grandes, de ata 16 μm, e en segundo lugar, o seu ruído de lectura <1 e.
Unha nova xeración decámara sCMOSxurdiu un modelo que ofrece estas mesmas características, sen os numerosos inconvenientes dos EMCCD, especialmente o factor de ruído excesivo. Cámaras como a Aries 16 de Tucsen ofrecen píxeles retroiluminados de 16 μm cun ruído de lectura de 0,8e-. Con baixo ruído e píxeles "nativamente" grandes, estas cámaras tamén superan á maioría das cámaras sCMOS con agrupamento, debido á relación entre o agrupamento e o ruído de lectura.
Se queres saber máis sobre EMCCD, fai clic en:
Pode a EMCCD ser substituída e desexariamos iso algunha vez?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Todos os dereitos reservados. Ao citar, indique a fonte:www.tucsen.com
