25.08.2001.CCD senzor s umnožavanjem elektrona je evolucija CCD senzora koja omogućuje rad u uvjetima slabijeg osvjetljenja. Obično su namijenjeni za signale od nekoliko stotina fotoelektrona, sve do razine brojanja pojedinačnih fotona.
Ovaj članak objašnjava što su EMCCD senzori, kako funkcioniraju, njihove prednosti i nedostatke te zašto se smatraju sljedećom evolucijom CCD tehnologije za snimanje u uvjetima slabog osvjetljenja.
Što je EMCCD senzor?
Senzor s elektron-multiplikacijskim nabojno-spregnutim uređajem (EMCCD) je specijalizirana vrsta CCD senzora koji pojačava slabe signale prije nego što se očitaju, što omogućuje izuzetno visoku osjetljivost u okruženjima sa slabim osvjetljenjem.
Izvorno razvijeni za primjene poput astronomije i napredne mikroskopije, EMCCD-ovi mogu detektirati pojedinačne fotone, zadatak s kojim se tradicionalni CCD senzori bore. Ova sposobnost detekcije pojedinačnih fotona čini EMCCD-ove ključnima za područja koja zahtijevaju precizno snimanje pri vrlo slabom osvjetljenju.
Kako rade EMCCD senzori?
Do točke očitavanja, EMCCD senzori rade na istim principima kao i CCD senzori. Međutim, prije mjerenja s ADC-om, detektirani naboji se množe procesom koji se naziva impakcija, u 'registru množenja elektrona'. Tijekom niza od nekoliko stotina koraka, naboji iz piksela se pomiču duž niza maskiranih piksela pod visokim naponom. Svaki elektron u svakom koraku ima priliku donijeti dodatne elektrone. Signal se stoga eksponencijalno množi.
Krajnji rezultat dobro kalibriranog EMCCD-a je mogućnost odabira precizne količine prosječnog množenja, obično oko 300 do 400 za rad u uvjetima slabog osvjetljenja. To omogućuje da se detektirani signali množe daleko više od šuma očitavanja kamere, što zapravo smanjuje šum očitavanja kamere. Nažalost, stohastička priroda ovog procesa množenja znači da se svaki piksel množi s različitim iznosom, što uvodi dodatni faktor šuma, smanjujući omjer signala i šuma (SNR) EMCCD-a.
Evo je pregled rada EMCCD senzora. Do 6. koraka, postupak je zapravo isti kao i za CCD senzore.
Slika: Postupak očitavanja za EMCCD senzor
Na kraju ekspozicije, EMCCD senzori prvo brzo premještaju prikupljene naboje u maskirani niz piksela istih dimenzija kao i niz osjetljiv na svjetlost (prijenos okvira). Zatim se, redak po redak, naboji premještaju u registar za očitavanje. Stupac po stupac, naboji unutar registra za očitavanje prenose se u registar za množenje. U svakoj fazi ovog registra (do 1000 faza u stvarnim EMCCD kamerama), svaki elektron ima malu priliku osloboditi dodatni elektron, eksponencijalno množeći signal. Na kraju se očitava umnoženi signal.
1. Brisanje naplateZa početak snimanja, naboj se istovremeno briše s cijelog senzora (globalni zatvarač).
2. Akumulacija nabojaNaboj se akumulira tijekom ekspozicije.
3. Naplata za pohranuNakon ekspozicije, prikupljeni naboji se premještaju u maskirano područje senzora, gdje mogu čekati očitavanje bez brojanja novih detektiranih fotona. To je proces 'Prijenosa okvira'.
4. Ekspozicija sljedećeg kadraS detektiranim nabojima pohranjenim u maskiranim pikselima, aktivni pikseli mogu započeti ekspoziciju sljedećeg kadra (način preklapanja).
5. Postupak očitavanjaRed po red, naboji za svaki red gotovog okvira premještaju se u 'registar za očitavanje'.
6. Stupac po stupac, naboji iz svakog piksela se prenose u čvor za očitavanje.
7. Množenje elektronaZatim, svi elektronski naboji iz piksela ulaze u registar za množenje elektrona i kreću se korak po korak, množeći se eksponencijalno u svakom koraku.
8. OčitavanjeADC čita pomnoženi signal i postupak se ponavlja sve dok se ne pročita cijeli okvir.
Prednosti i nedostaci EMCCD senzora
Prednosti EMCCD senzora
| Prednost | Opis |
| Brojanje fotona | Detektira pojedinačne fotoelektrone s ultra niskim šumom očitavanja (<0,2e⁻), omogućujući osjetljivost na jedan foton. |
| Osjetljivost pri ultra-slabom osvjetljenju | Značajno bolji od tradicionalnih CCD-ova, ponekad nadmašujući čak i vrhunske sCMOS kamere pri vrlo slabom osvjetljenju. |
| Niska tamna struja | Dubinsko hlađenje smanjuje termalni šum, omogućujući čišće slike tijekom dugih ekspozicija. |
| 'Poluglobalni' zatvarač | Prijenos okvira omogućuje gotovo globalnu ekspoziciju s vrlo brzim pomicanjem naboja (~1 mikrosekunda). |
● Brojanje fotonaS dovoljno visokim umnožavanjem elektrona, šum očitavanja može se praktički eliminirati (<0,2e-). To, uz visoku vrijednost pojačanja i gotovo savršenu kvantnu učinkovitost, znači da je moguće razlikovati pojedinačne fotoelektrone.
● Osjetljivost pri ultraslabom osvjetljenjuU usporedbi s CCD-ovima, performanse EMCCD-ova pri slabom osvjetljenju su drastično bolje. Mogu postojati neke primjene u kojima EMCCD pruža bolju sposobnost detekcije i kontrast čak i od vrhunskih sCMOS-ova pri najnižim mogućim razinama osvjetljenja.
● Niska tamna strujaKao i CCD-ovi, EMCCD-ovi su obično duboko hlađeni i mogu isporučiti vrlo niske vrijednosti tamne struje.
● Zatvarač 'Poluglobalni'Proces prijenosa kadra za početak i kraj ekspozicije nije uistinu istovremen, već obično traje oko 1 mikrosekunde.
Nedostaci EMCCD senzora
| Nedostatak | Opis |
| Ograničena brzina | Maksimalne brzine kadrova (~30 fps pri 1 MP) su mnogo sporije od modernih CMOS alternativa. |
| Šum pojačanja | Slučajna priroda množenja elektrona uvodi višak šuma, smanjujući SNR. |
| Naboj induciran taktom (CIC) | Brzo kretanje naboja može uvesti lažne signale koji se pojačavaju. |
| Smanjeni dinamički raspon | Visoko pojačanje smanjuje maksimalni signal koji senzor može obraditi prije zasićenja. |
| Velika veličina piksela | Uobičajene veličine piksela (13–16 μm) možda ne odgovaraju mnogim zahtjevima optičkog sustava. |
| Zahtjev za jakim hlađenjem | Za postizanje konzistentnog umnožavanja i niske razine šuma potrebno je stabilno duboko hlađenje. |
| Potrebe za kalibracijom | EM pojačanje se s vremenom smanjuje (opadanje množenja), što zahtijeva redovitu kalibraciju. |
| Nestabilnost kratke ekspozicije | Vrlo kratke ekspozicije mogu uzrokovati nepredvidivo pojačanje signala i šum. |
| Visoka cijena | Složena proizvodnja i duboko hlađenje čine ove senzore skupljima od sCMOS senzora. |
| Ograničeni životni vijek | Registar za umnožavanje elektrona se troši, obično 5-10 godina. |
| Izvozni izazovi | Podložno strogim propisima zbog potencijalne vojne primjene. |
● Ograničena brzinaBrzi EMCCD-ovi pružaju oko 30 fps pri 1 MP, slično CCD-ovima, za redove veličine sporiji od CMOS kamera.
● Uvod u buku'Faktor viška šuma' uzrokovan slučajnim umnožavanjem elektrona, u usporedbi s niskošumnom sCMOS kamerom iste kvantne učinkovitosti, može dati EMCCD-ima drastično veći šum ovisno o razinama signala. SNR za vrhunske sCMOS kamere obično je bolji za signale od oko 3e-, a još više za više signale.
● Naboj induciran taktom (CIC): Osim ako se pažljivo ne kontrolira, kretanje naboja preko senzora može uvesti dodatne elektrone u piksele. Taj se šum zatim množi registrom za množenje elektrona. Veće brzine kretanja naboja (frekvencije takta) dovode do većih brzina kadrova, ali i većeg CIC-a.
● Smanjeni dinamički rasponVrlo visoke vrijednosti umnožavanja elektrona potrebne za prevladavanje šuma očitavanja EMCCD-a dovode do znatno smanjenog dinamičkog raspona.
● Velika veličina pikselaNajmanja uobičajena veličina piksela za EMCCD kamere je 10 μm, ali najčešća je 13 ili 16 μm. To je preveliko da bi zadovoljilo zahtjeve rezolucije većine optičkih sustava.
● Zahtjevi za kalibracijuProces množenja elektrona troši EM registar tijekom upotrebe, smanjujući njegovu sposobnost množenja u procesu koji se naziva 'raspad množenja elektrona'. To znači da se pojačanje kamere stalno mijenja i da je kameri potrebna redovita kalibracija za izvođenje bilo kakvog kvantitativnog snimanja.
● Nedosljedna ekspozicija u kratkim vremenimaPrilikom korištenja vrlo kratkih vremena ekspozicije, EMCCD kamere mogu dati nedosljedne rezultate jer slab signal biva preplavljen šumom, a proces pojačanja uvodi statističke fluktuacije.
● Zahtjev za intenzivno hlađenjeProces umnožavanja elektrona snažno je pod utjecajem temperature. Hlađenje senzora povećava dostupno umnožavanje elektrona. Stoga je duboko hlađenje senzora uz održavanje temperaturne stabilnosti ključno za ponovljiva EMCCD mjerenja.
● Visoka cijenaTeškoća proizvodnje ovih višekomponentnih senzora, u kombinaciji s dubokim hlađenjem, dovodi do cijena koje su obično više od cijena najkvalitetnijih sCMOS senzorskih kamera.
● Ograničeni vijek trajanjaRaspad uslijed multiplikacije elektrona ograničava vijek trajanja ovih skupih senzora na obično 5-10 godina, ovisno o razini korištenja.
● Izvozni izazoviUvoz i izvoz EMCCD senzora obično je logistički izazovan zbog njihove potencijalne upotrebe u vojne svrhe.
Zašto je EMCCD nasljednik CCD-a
| Značajka | CCD | EMCCD |
| Osjetljivost | Visoko | Ultrajako (posebno slabo osvjetljenje) |
| Šum očitavanja | Umjereno | Iznimno nisko (zbog pojačanja) |
| Dinamički raspon | Visoko | Umjereno (ograničeno pojačanjem) |
| Trošak | Donji | Viši |
| Hlađenje | Izborno | Obično potrebno za optimalne performanse |
| Primjeri upotrebe | Opće snimanje | Detekcija jednog fotona pri slabom osvjetljenju |
EMCCD senzori temelje se na tradicionalnoj CCD tehnologiji uključivanjem koraka množenja elektrona. To poboljšava sposobnost pojačavanja slabih signala i smanjenja šuma, što EMCCD-ove čini preferiranim izborom za primjene snimanja u izuzetno slabom osvjetljenju gdje CCD senzori nisu dovoljni.
Ključne primjene EMCCD senzora
EMCCD senzori se često koriste u znanstvenim i industrijskim područjima koja zahtijevaju visoku osjetljivost i sposobnost detekcije slabih signala:
● Imaginacija znanosti o životug: Za primjene poput fluorescentne mikroskopije pojedinačnih molekula i fluorescentne mikroskopije s potpunom unutarnjom refleksijom (TIRF).
● AstronomijaKoristi se za snimanje slabe svjetlosti udaljenih zvijezda, galaksija i istraživanje egzoplaneta.
● Kvantna optikaZa eksperimente s preplitanjem fotona i kvantnom informacijom.
● Forenzika i sigurnostZaposlen u nadzoru u uvjetima slabog osvjetljenja i analizi tragova dokaza.
● SpektroskopijaU Ramanovoj spektroskopiji i detekciji fluorescencije niskog intenziteta.
Kada biste trebali odabrati EMCCD senzor?
S poboljšanjima CMOS senzora posljednjih godina, prednost EMCCD senzora u pogledu šuma očitavanja se smanjila jer su sada čak i sCMOS kamere sposobne za subelektronski šum očitavanja, uz širok raspon drugih prednosti. Ako je neka aplikacija prethodno koristila EMCCD-ove, vrijedi provjeriti je li to najbolji izbor s obzirom na razvoj sCMOS-a.
Povijesno gledano, EMCCD-ovi su i dalje mogli uspješnije brojati fotone, uz nekoliko drugih nišnih primjena s tipičnim razinama signala manjim od 3-5e- po pikselu na vrhuncu. Ipak, s većim veličinama piksela i šumom čitanja ispod elektrona koji postaju dostupni uznanstvene kameretemeljene na sCMOS tehnologiji, moguće je da će se i ove primjene uskoro izvoditi s vrhunskim sCMOS-om.
Često postavljana pitanja
Koje je minimalno vrijeme ekspozicije za kamere s prijenosom kadrova?
Za sve senzore s prijenosom okvira, uključujući EMCCD-ove, pitanje minimalnog mogućeg vremena ekspozicije je složeno. Za snimanje pojedinačnih slika, ekspozicija se može završiti premještanjem stečenih naboja u maskirano područje radi vrlo brzog očitavanja, a moguća su i kratka (sub-mikrosekundna) minimalna vremena ekspozicije.
Međutim, čim kamera počne strujati punom brzinom, tj. snima više kadrova / film punom brzinom kadrova, čim se završi ekspozicija prve slike, maskirano područje zauzima taj kadar dok se očitavanje ne završi. Ekspozicija stoga ne može završiti. To znači da, bez obzira na vrijeme ekspozicije zatraženo u softveru, stvarno vrijeme ekspozicije sljedećih kadrova nakon prvog u snimanju više kadrova punom brzinom određeno je vremenom kadra, tj. 1 / brzina kadrova, kamere.
Zamjenjuje li sCMOS tehnologija EMCCD senzore?
EMCCD kamere imale su dvije specifikacije koje su im pomogle zadržati prednost u scenarijima snimanja pri ekstremno slabom osvjetljenju (s vršnim razinama signala od 5 fotoelektrona ili manje). Prvo, njihovi veliki pikseli, do 16 μm, i drugo, njihov šum pri očitavanju <1e.
Nova generacijasCMOS kamerakoja nudi iste karakteristike, bez brojnih nedostataka EMCCD-ova, posebno prekomjernog faktora šuma. Kamere poput Aries 16 iz Tucsena nude 16 μm piksela s pozadinskim osvjetljenjem i šumom čitanja od 0,8e-. S niskim šumom i 'izvorno' velikim pikselima, ove kamere također nadmašuju većinu kombiniranih sCMOS kamera, zbog odnosa između kombiniranja i šuma čitanja.
Ako želite saznati više o EMCCD-u, kliknite:
Može li se EMCCD zamijeniti i bismo li to ikada željeli?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Sva prava pridržana. Prilikom citiranja, molimo navedite izvor:www.tucsen.com
