2001.08.25.Az elektronsokszorozó CCD-érzékelő a CCD-érzékelő továbbfejlesztése, amely lehetővé teszi az alacsonyabb fényviszonyok melletti működést. Ezeket jellemzően néhány száz fotoelektron jelének érzékelésére tervezték, egészen az egyes fotonok számlálási szintjéig.
Ez a cikk elmagyarázza, hogy mik az EMCCD érzékelők, hogyan működnek, milyen előnyeik és hátrányaik vannak, és miért tekintik őket a CCD-technológia következő generációjának a gyenge fényviszonyok melletti képalkotásban.
Mi az EMCCD érzékelő?
Az elektronszorzós töltéscsatolt eszköz (EMCCD) érzékelő egy speciális CCD-érzékelő típus, amely a gyenge jeleket felerősíti a kiolvasás előtt, így rendkívül nagy érzékenységet biztosít gyenge fényviszonyok mellett.
Az EMCCD-ket eredetileg olyan alkalmazásokhoz fejlesztették ki, mint a csillagászat és a fejlett mikroszkópia, az egyedi fotonok detektálására képesek, amivel a hagyományos CCD-érzékelők nehezen boldogulnak. Az egyes fotonok detektálásának képessége teszi az EMCCD-ket létfontosságúvá olyan területeken, ahol precíz képalkotásra van szükség nagyon gyenge fényviszonyok mellett.
Hogyan működnek az EMCCD érzékelők?
A kiolvasási pontig az EMCCD érzékelők ugyanazon az elven működnek, mint a CCD érzékelők. Az ADC-vel történő mérés előtt azonban a detektált töltéseket egy impaktionizációnak nevezett folyamat során megsokszorozzák egy „elektronszorzó regiszterben”. Több száz lépésben a pixel töltései nagy feszültségen mozognak egy maszkolt pixelsorozat mentén. Minden egyes elektronnak minden lépésben lehetősége van további elektronokat magával hozni. A jel ezért exponenciálisan megsokszorozódik.
Egy jól kalibrált EMCCD végeredménye az átlagos szorzás pontos mértékének kiválasztásának képessége, jellemzően 300 és 400 között gyenge fényviszonyok mellett végzett munkához. Ez lehetővé teszi, hogy a detektált jeleket a kamera olvasási zajánál jóval nagyobb mértékben szorozzák meg, ami valójában csökkenti a kamera olvasási zaját. Sajnos ennek a szorzási folyamatnak a sztochasztikus jellege azt jelenti, hogy minden pixelt más mértékben szoroznak meg, ami további zajtényezőt vezet be, csökkentve az EMCCD jel-zaj arányát (SNR).
Íme az EMCCD érzékelők működésének részletes leírása. A 6. lépésig a folyamat gyakorlatilag megegyezik a CCD érzékelők esetében alkalmazottal.
Az expozíció végén az EMCCD érzékelők először gyorsan átviszik a begyűjtött töltéseket egy maszkolt, a fényérzékeny tömb méreteivel megegyező méretű pixelekből álló tömbbe (képkockaátvitel). Ezután a töltések soronként egy kiolvasó regiszterbe kerülnek. Az kiolvasó regiszterben lévő töltések oszloponként egy szorzóregiszterbe kerülnek. Ennek a regiszternek minden egyes szakaszában (valódi EMCCD kamerákban akár 1000 szakasz is lehet) minden elektronnak van egy kis esélye arra, hogy további elektront szabadítson fel, exponenciálisan megsokszorozva a jelet. A végén a megszorzott jelet kiolvassák.
1. Terheléselszámolás: A jelfelvétel megkezdéséhez a teljes érzékelő töltése egyidejűleg törlődik (globális zár).
2. TöltésfelhalmozódásExpozíció közben töltés halmozódik fel.
3. Töltési tárolásExpozíció után az összegyűjtött töltéseket az érzékelő egy maszkolt területére mozgatják, ahol új fotonok számlálása nélkül várhatják a kiolvasást. Ez a „Képkockaátvitel” folyamat.
4. Következő képkocka expozíció: Miután a detektált töltések a maszkolt pixelekben tárolódnak, az aktív pixelek megkezdhetik a következő képkocka expozícióját (átfedéses mód).
5. Leolvasási folyamatSoronként, a kész keret minden soráért felelős töltések egy „kiolvasó regiszterbe” kerülnek.
6. Oszloponként, minden pixelből töltések jutnak a kiolvasó csomópontba.
7. ElektronszorzásEzután a pixelből származó összes elektrontöltés belép az elektronszorzó regiszterbe, és lépésről lépésre halad, minden lépésben exponenciálisan szorzódva a számukban.
8. KiolvasásA szorzott jelet az ADC olvassa, és a folyamat addig ismétlődik, amíg a teljes keret ki nem kerül kiolvasásra.
Az EMCCD érzékelők előnyei és hátrányai
Az EMCCD érzékelők előnyei
| Előny | Leírás |
| Fotonszámlálás | Rendkívül alacsony olvasási zajjal (<0,2e⁻) érzékeli az egyes fotoelektronokat, lehetővé téve az egyfotonos érzékenységet. |
| Ultra alacsony fényérzékenység | Jelentősen jobb, mint a hagyományos CCD-k, néha még a csúcskategóriás sCMOS kamerákat is felülmúlja nagyon gyenge fényviszonyok mellett. |
| Alacsony sötétáram | A mélyhűtés csökkenti a hőzajt, így tisztább képeket tud készíteni hosszú expozíciók alatt is. |
| „Fél-globális” zár | A képkockaátvitel közel globális expozíciót tesz lehetővé nagyon gyors töltéseltolódással (~1 mikroszekundum). |
● FotonszámlálásElég magas elektronsokszorzás esetén az olvasási zaj gyakorlatilag kiküszöbölhető (<0,2e-). Ez a magas erősítési értékkel és a közel tökéletes kvantumhatásfokkal együtt azt jelenti, hogy az egyes fotoelektronok megkülönböztetése lehetséges.
● Ultra alacsony fényérzékenységA CCD-kkel összehasonlítva az EMCCD-k gyenge fényviszonyok melletti teljesítménye drasztikusan jobb. Előfordulhatnak olyan alkalmazások, ahol az EMCCD jobb érzékelési képességet és kontrasztot biztosít, mint a csúcskategóriás sCMOS-ok a lehető legalacsonyabb fényviszonyok mellett is.
● Alacsony sötétáramA CCD-khez hasonlóan az EMCCD-k is jellemzően mélyhűtéssel rendelkeznek, és nagyon alacsony sötétáram-értékeket képesek leadni.
● „Félig globális” zárA képkockaátviteli folyamat az expozíció megkezdéséhez és befejezéséhez nem igazán egyidejű, hanem jellemzően 1 mikroszekundum nagyságrendű időt vesz igénybe.
Az EMCCD érzékelők hátrányai
| Hátrány | Leírás |
| Korlátozott sebesség | A maximális képkockasebesség (~30 képkocka/másodperc 1 MP-en) sokkal lassabb, mint a modern CMOS alternatíváké. |
| Erősítési zaj | Az elektronok sokszorozásának véletlenszerű jellege túlzott zajt okoz, csökkentve a jel-zaj arányt. |
| Órajel által indukált töltés (CIC) | A gyors töltésmozgás hamis jeleket okozhat, amelyek felerősödhetnek. |
| Csökkentett dinamikatartomány | A nagy erősítés csökkenti a szenzor által a telítés előtt kezelhető maximális jelet. |
| Nagy pixelméret | A gyakori pixelméretek (13–16 μm) nem feltétlenül felelnek meg számos optikai rendszerkövetelménynek. |
| Nagy hűtési igény | A konzisztens sokszorozás és az alacsony zajszint eléréséhez stabil mélyhűtés szükséges. |
| Kalibrációs igények | Az EM erősítés idővel csökken (szorzási csökkenés), ami rendszeres kalibrálást igényel. |
| Rövid expozíciós instabilitás | A nagyon rövid expozíciók kiszámíthatatlan jelerősítést és zajt okozhatnak. |
| Magas költség | A komplex gyártás és a mélyhűtés miatt ezek az érzékelők drágábbak, mint az sCMOS. |
| Korlátozott élettartam | Az elektronszorzóregiszter elhasználódik, ami jellemzően 5-10 évig tart. |
| Export kihívások | Szigorú szabályozásoknak van kitéve a katonai alkalmazások lehetősége miatt. |
● Korlátozott sebességA gyors EMCCD-k körülbelül 30 képkocka/másodperc sebességet biztosítanak 1 MP felbontásban, hasonlóan a CCD-khez, és nagyságrendekkel lassabbak, mint a CMOS kamerák.
● ZajbevezetésA véletlenszerű elektronsokszorzás okozta „túlzott zajtényező” egy azonos kvantumhatásfokkal rendelkező, alacsony zajszintű sCMOS kamerához képest drasztikusan magasabb zajt okozhat az EMCCD-knél a jelszintektől függően. A csúcskategóriás sCMOS-ok jel-zaj aránya jellemzően jobb a 3e körüli jeleknél, különösen a magasabb jeleknél.
● Órajel által indukált töltés (CIC)Gondosan szabályozott körülmények között a töltések mozgása az érzékelőn keresztül további elektronokat juttathat a pixelekbe. Ezt a zajt ezután megszorozza az elektronszorzó regiszter. A magasabb töltésmozgási sebességek (órajelek) magasabb képkockasebességet, de több CIC-t eredményeznek.
● Csökkentett dinamikatartományAz EMCCD olvasási zaj leküzdéséhez szükséges nagyon magas elektronszorzási értékek jelentősen csökkent dinamikatartományt eredményeznek.
● Nagy pixelméretAz EMCCD kamerák legkisebb elterjedt pixelmérete 10 μm, de a leggyakoribb 13 vagy 16 μm. Ez túl nagy ahhoz, hogy megfeleljen a legtöbb optikai rendszer felbontási követelményeinek.
● Kalibrációs követelményekAz elektronsokszorozási folyamat a használat során elhasználja az EM regisztert, csökkentve annak sokszorozódási képességét egy „elektronsokszorozási bomlásnak” nevezett folyamatban. Ez azt jelenti, hogy a kamera erősítése folyamatosan változik, és a kamera rendszeres kalibrálást igényel a kvantitatív képalkotás elvégzéséhez.
● Rövid időtartamú, nem állandó expozícióNagyon rövid expozíciós idők használata esetén az EMCCD kamerák inkonzisztens eredményeket produkálhatnak, mivel a gyenge jelet elnyomja a zaj, és az erősítési folyamat statisztikai ingadozásokat okoz.
● Nagy hűtési igényAz elektronsokszorozódási folyamatot erősen befolyásolja a hőmérséklet. Az érzékelő hűtése növeli a rendelkezésre álló elektronsokszorozódást. Ezért az érzékelő mélyhűtése a hőmérséklet-stabilitás fenntartása mellett kritikus fontosságú a reprodukálható EMCCD-mérésekhez.
● Magas költségekEzen többkomponensű érzékelők gyártásának nehézsége, valamint a mélyhűtés miatt az áruk jellemzően magasabb, mint a legmagasabb minőségű sCMOS érzékelős kameráké.
● Korlátozott élettartamAz elektronsokszorozódás miatti bomlás korlátozza ezeknek a drága érzékelőknek az élettartamát, ami általában 5-10 év, a használat szintjétől függően.
● ExportkihívásokAz EMCCD érzékelők importja és exportja logisztikai szempontból kihívást jelenthet a katonai alkalmazásokban való potenciális felhasználásuk miatt.
Miért az EMCCD a CCD utódja?
| Jellemző | CCD | EMCCD |
| Érzékenység | Magas | Ultramagas (különösen gyenge fényviszonyok mellett) |
| Kiolvasási zaj | Mérsékelt | Rendkívül alacsony (erősítés miatt) |
| Dinamikatartomány | Magas | Mérsékelt (a nyereség korlátozza) |
| Költség | Alacsonyabb | Magasabb |
| Hűtés | Választható | Általában az optimális teljesítményhez szükséges |
| Használati esetek | Általános képalkotás | Gyenge fényviszonyok melletti, egyfotonos detektálás |
Az EMCCD érzékelők a hagyományos CCD technológiára épülnek egy elektronsokszorzási lépés beépítésével. Ez fokozza a gyenge jelek erősítésének és a zaj csökkentésének képességét, így az EMCCD-k az előnyben részesített választás a rendkívül gyenge fényviszonyok melletti képalkotási alkalmazásokhoz, ahol a CCD érzékelők nem elég hatékonyak.
Az EMCCD érzékelők főbb alkalmazásai
Az EMCCD érzékelőket gyakran használják tudományos és ipari területeken, ahol nagy érzékenységre és gyenge jelek érzékelésére van szükség:
● Élettudományi képzeletg: Olyan alkalmazásokhoz, mint az egymolekulás fluoreszcens mikroszkópia és a teljes belső visszaverődésű fluoreszcencia (TIRF) mikroszkópia.
● CsillagászatTávoli csillagok, galaxisok halvány fényének rögzítésére és exobolygók kutatására használják.
● KvantumoptikaFoton-összefonódási és kvantuminformációs kísérletekhez.
● Kriminalisztika és biztonságGyenge fényviszonyok melletti megfigyeléshez és nyomelemzéshez alkalmazzák.
● SpektroszkópiaRaman-spektroszkópiában és alacsony intenzitású fluoreszcencia-detektálással.
Mikor érdemes EMCCD érzékelőt választani?
A CMOS érzékelők elmúlt évekbeli fejlesztéseivel az EMCCD érzékelők olvasási zajjal kapcsolatos előnye csökkent, mivel ma már az sCMOS kamerák is képesek a szubelektron olvasási zaj kezelésére, számos egyéb előny mellett. Ha egy alkalmazás korábban EMCCD-ket használt, érdemes megvizsgálni, hogy ez-e a legjobb választás-e az sCMOS fejlesztései alapján.
Történelmileg az EMCCD-k még mindig sikeresebben tudták elvégezni a fotonszámlálást, néhány más réspiaci alkalmazás mellett, ahol a tipikus jelszint csúcsértéken pixelenként kevesebb volt, mint 3-5 e-. Bár a nagyobb pixelméretek és az elektron alatti olvasási zaj elérhetővé válásávaltudományos kamerákAz sCMOS technológiára alapozva lehetséges, hogy ezeket az alkalmazásokat hamarosan csúcskategóriás sCMOS-szal is futtathatják.
GYIK
Mi a minimális expozíciós idő a képkockaátviteli kameráknál?
Minden képátviteli érzékelő, beleértve az EMCCD-ket is, esetében a lehető legrövidebb expozíciós idő kérdése bonyolult. Egyetlen képalkotás esetén az expozíciót a felvett töltések maszkolt régióba történő gyors kiolvasásával lehet leállítani, és rövid (mikroszekundum alatti) minimális expozíciós idők is lehetségesek.
Amint azonban a kamera teljes sebességgel streamel, azaz több képkockát / egy filmet teljes képkockasebességgel rögzít, amint az első kép expozíciója befejeződik, a maszkolt területet az a képkocka foglalja el, amíg a kiolvasás be nem fejeződik. Az expozíció ezért nem fejeződhet be. Ez azt jelenti, hogy a szoftverben kért expozíciós időtől függetlenül a teljes sebességű többképkocka-gyűjtés első képkockája utáni további képkockák valódi expozíciós idejét a kamera képkockasebessége, azaz 1 / képkockasebesség adja meg.
Az sCMOS technológia felváltja az EMCCD érzékelőket?
Az EMCCD kamerák két olyan specifikációval rendelkeztek, amelyek segítettek megőrizni előnyüket a rendkívül gyenge fényviszonyok melletti képalkotási helyzetekben (5 fotoelektron vagy kevesebb csúcsjelszinttel). Először is, a nagy pixelek, akár 16 μm-ig, másodszor pedig az <1e olvasási zaj.
Egy új generációsCMOS kameraOlyan kamerák jelentek meg, amelyek ugyanezeket a tulajdonságokat kínálják, az EMCCD-k számos hátránya, különösen a túlzott zajtényező nélkül. Az olyan kamerák, mint a tucseni Aries 16, 16 μm-es hátsó megvilágítású pixeleket kínálnak, 0,8e- olvasási zajjal. Alacsony zajszintjüknek és „natívan” nagy pixelszámuknak köszönhetően ezek a kamerák a legtöbb binnel ellátott sCMOS kamerát is felülmúlják a binnel ellátott és az olvasási zaj közötti kapcsolat miatt.
Ha többet szeretne megtudni az EMCCD-ről, kattintson ide:
Le lehet-e váltani az EMCCD-t, és vajon akarnánk-e ezt valaha is?
