Sensor EMCCD: Penerus CCD dalam kondisi cahaya redup |

Sensor CCD Pengganda Elektron merupakan pengembangan dari sensor CCD untuk memungkinkan pengoperasian pada kondisi cahaya rendah. Sensor ini biasanya ditujukan untuk sinyal beberapa ratus fotoelektron, hingga tingkat penghitungan foton individual.

Artikel ini menjelaskan apa itu sensor EMCCD, cara kerjanya, kelebihan dan kekurangannya, serta mengapa sensor ini dianggap sebagai evolusi berikutnya dari teknologi CCD untuk pencitraan cahaya rendah.

Apa itu Sensor EMCCD?

Sensor Electron-Multiplying Charge-Coupled Device (EMCCD) merupakan jenis sensor CCD khusus yang memperkuat sinyal lemah sebelum terbaca, sehingga memungkinkan sensitivitas yang sangat tinggi di lingkungan dengan cahaya redup.

Awalnya dikembangkan untuk aplikasi seperti astronomi dan mikroskopi tingkat lanjut, EMCCD dapat mendeteksi foton tunggal, suatu tugas yang sulit dilakukan oleh sensor CCD tradisional. Kemampuan mendeteksi foton individual ini menjadikan EMCCD krusial untuk bidang-bidang yang membutuhkan pencitraan presisi dalam tingkat cahaya yang sangat rendah.

Bagaimana Cara Kerja Sensor EMCCD?

Hingga titik pembacaan, sensor EMCCD beroperasi dengan prinsip yang sama dengan sensor CCD. Namun, sebelum pengukuran dengan ADC, muatan yang terdeteksi dikalikan melalui proses yang disebut impaksi, dalam 'register perkalian elektron'. Melalui serangkaian beberapa ratus langkah, muatan dari sebuah piksel dipindahkan sepanjang serangkaian piksel bertopeng pada tegangan tinggi. Setiap elektron pada setiap langkah memiliki peluang untuk membawa elektron tambahan. Oleh karena itu, sinyal dikalikan secara eksponensial.

Hasil akhir dari EMCCD yang terkalibrasi dengan baik adalah kemampuan untuk memilih jumlah perkalian rata-rata yang presisi, biasanya sekitar 300 hingga 400 untuk pekerjaan dengan pencahayaan rendah. Hal ini memungkinkan sinyal yang terdeteksi dikalikan jauh lebih tinggi daripada noise pembacaan kamera, sehingga mengurangi noise pembacaan kamera. Sayangnya, sifat stokastik dari proses perkalian ini berarti setiap piksel dikalikan dengan jumlah yang berbeda, yang menimbulkan faktor noise tambahan, sehingga mengurangi rasio sinyal terhadap noise (SNR) EMCCD.

Berikut rincian cara kerja sensor EMCCD. Hingga Langkah 6, prosesnya pada dasarnya sama dengan sensor CCD.

Gambar: Proses pembacaan untuk sensor EMCCD

Di akhir paparannya, sensor EMCCD pertama-tama dengan cepat memindahkan muatan yang terkumpul ke larik piksel bertopeng dengan dimensi yang sama dengan larik peka cahaya (transfer bingkai). Kemudian, satu baris pada satu waktu, muatan dipindahkan ke register pembacaan. Satu kolom pada satu waktu, muatan dalam register pembacaan diteruskan ke register perkalian. Pada setiap tahap register ini (hingga 1000 tahap pada kamera EMCCD asli), setiap elektron memiliki peluang kecil untuk melepaskan elektron tambahan, yang menggandakan sinyal secara eksponensial. Pada akhirnya, sinyal yang dikalikan tersebut dibaca.

1. Pembersihan Biaya: Untuk memulai akuisisi, muatan dibersihkan secara bersamaan dari seluruh sensor (global shutter).
2. Akumulasi Muatan: Muatan terakumulasi selama pemaparan.
3. Penyimpanan MuatanSetelah paparan, muatan yang terkumpul dipindahkan ke area sensor yang tertutup, tempat muatan tersebut dapat menunggu pembacaan tanpa foton baru yang terdeteksi dihitung. Ini adalah proses 'Transfer Bingkai'.
4. Paparan Bingkai Berikutnya: Dengan muatan terdeteksi yang disimpan dalam piksel bertopeng, piksel aktif dapat memulai pemaparan bingkai berikutnya (mode tumpang tindih).
5. Proses Pembacaan:Satu baris pada satu waktu, muatan untuk tiap baris bingkai yang telah selesai dipindahkan ke 'daftar pembacaan'.
6. Satu kolom pada satu waktu, muatan dari setiap piksel dipindahkan ke node pembacaan.
7. Perkalian Elektron:Selanjutnya, semua muatan elektron dari piksel memasuki register perkalian elektron, dan bergerak langkah demi langkah, berlipat ganda jumlahnya secara eksponensial pada setiap langkah.
8. Pembacaan: Sinyal yang dikalikan dibaca oleh ADC, dan proses diulang hingga seluruh bingkai terbaca.

Pro dan Kontra Sensor EMCCD

Kelebihan Sensor EMCCD

Keuntungan	Keterangan
Penghitungan Foton	Mendeteksi fotoelektron individual dengan derau pembacaan yang sangat rendah (<0,2e⁻), memungkinkan sensitivitas foton tunggal.
Sensitivitas Cahaya Ultra Rendah	Jauh lebih baik daripada CCD tradisional, terkadang bahkan melampaui kamera sCMOS kelas atas pada tingkat cahaya yang sangat rendah.
Arus Gelap Rendah	Pendinginan mendalam mengurangi gangguan termal, memungkinkan gambar yang lebih bersih selama pencahayaan lama.
Shutter 'Setengah Global'	Pemindahan bingkai memungkinkan paparan hampir global dengan peralihan muatan yang sangat cepat (~1 mikrodetik).

● Penghitungan FotonDengan perkalian elektron yang cukup tinggi, derau pembacaan praktis dapat dihilangkan (<0,2e-). Hal ini, ditambah dengan nilai penguatan yang tinggi dan efisiensi kuantum yang hampir sempurna, memungkinkan pemisahan fotoelektron individual.
● Sensitivitas Cahaya Ultra RendahDibandingkan dengan CCD, kinerja EMCCD dalam kondisi cahaya rendah jauh lebih baik. Mungkin ada beberapa aplikasi di mana EMCCD memberikan kemampuan deteksi dan kontras yang lebih baik, bahkan dibandingkan sCMOS kelas atas pada tingkat cahaya serendah mungkin.
● Arus Gelap Rendah:Seperti halnya CCD, EMCCD biasanya didinginkan secara mendalam dan mampu menghasilkan nilai arus gelap yang sangat rendah.
● 'Setengah Global' Shutter:Proses transfer bingkai untuk memulai dan mengakhiri eksposur tidak benar-benar bersamaan, tetapi biasanya memakan waktu sekitar 1 mikrodetik.

Kekurangan Sensor EMCCD

Kerugian	Keterangan
Kecepatan Terbatas	Kecepatan bingkai maksimum (~30 fps pada 1 MP) jauh lebih lambat daripada alternatif CMOS modern.
Amplifikasi Kebisingan	Sifat acak dari perkalian elektron menimbulkan kebisingan berlebih, sehingga mengurangi SNR.
Muatan yang Diinduksi Jam (CIC)	Pergerakan pengisian cepat dapat menimbulkan sinyal palsu yang kemudian diperkuat.
Rentang Dinamis yang Dikurangi	Penguatan tinggi mengurangi sinyal maksimum yang dapat ditangani sensor sebelum menjadi jenuh.
Ukuran Piksel Besar	Ukuran piksel umum (13–16 μm) mungkin tidak sesuai dengan banyak persyaratan sistem optik.
Persyaratan Pendinginan Berat	Pendinginan mendalam yang stabil diperlukan untuk mencapai perkalian yang konsisten dan kebisingan yang rendah.
Kebutuhan Kalibrasi	Keuntungan EM menurun seiring berjalannya waktu (peluruhan perkalian), sehingga memerlukan kalibrasi rutin.
Ketidakstabilan Paparan Pendek	Paparan yang sangat singkat dapat menyebabkan penguatan sinyal dan gangguan yang tidak terduga.
Biaya Tinggi	Pembuatan yang rumit dan pendinginan yang mendalam membuat sensor ini lebih mahal daripada sCMOS.
Umur Terbatas	Register perkalian elektron akan rusak dan biasanya bertahan selama 5–10 tahun.
Tantangan Ekspor	Tunduk pada peraturan ketat karena potensi aplikasi militer.

● Kecepatan Terbatas:EMCCD cepat menyediakan sekitar 30 fps pada 1 MP, mirip dengan CCD, beberapa tingkat lebih lambat daripada kamera CMOS.

● Pengenalan Kebisingan"Faktor derau berlebih" yang disebabkan oleh perkalian elektron acak, dibandingkan dengan kamera sCMOS berderau rendah dengan efisiensi kuantum yang sama, dapat menyebabkan derau yang jauh lebih tinggi pada EMCCD, tergantung pada level sinyal. SNR untuk sCMOS kelas atas biasanya lebih baik untuk sinyal sekitar 3e-, bahkan lebih baik lagi untuk sinyal yang lebih tinggi.

● Muatan yang Diinduksi Jam (CIC): Jika tidak dikontrol dengan cermat, pergerakan muatan melintasi sensor dapat memasukkan elektron tambahan ke dalam piksel. Derau ini kemudian dikalikan dengan register perkalian elektron. Kecepatan pergerakan muatan yang lebih tinggi (laju clock) menghasilkan laju bingkai yang lebih tinggi, tetapi CIC-nya lebih tinggi.

● Rentang Dinamis Berkurang: Nilai perkalian elektron yang sangat tinggi yang diperlukan untuk mengatasi gangguan pembacaan EMCCD menyebabkan rentang dinamis jauh berkurang.

● Ukuran Piksel BesarUkuran piksel terkecil yang umum untuk kamera EMCCD adalah 10 μm, tetapi 13 atau 16 μm adalah yang paling umum. Ukuran ini terlalu besar untuk memenuhi persyaratan resolusi sebagian besar sistem optik.

● Persyaratan KalibrasiProses penggandaan elektron akan mengikis register EM seiring penggunaan, mengurangi kemampuannya untuk menggandakan diri dalam proses yang disebut 'peluruhan penggandaan elektron'. Ini berarti penguatan kamera terus berubah, dan kamera memerlukan kalibrasi rutin untuk melakukan pencitraan kuantitatif.

● Paparan Tidak Konsisten dalam Waktu Singkat:Saat menggunakan waktu pencahayaan yang sangat singkat, kamera EMCCD dapat menghasilkan hasil yang tidak konsisten karena sinyal yang lemah menjadi tertutupi oleh noise, dan proses amplifikasi menimbulkan fluktuasi statistik.

● Persyaratan Pendinginan BeratProses penggandaan elektron sangat dipengaruhi oleh suhu. Mendinginkan sensor akan meningkatkan penggandaan elektron yang tersedia. Oleh karena itu, pendinginan sensor yang mendalam dengan tetap menjaga stabilitas suhu sangat penting untuk pengukuran EMCCD yang dapat direproduksi.

● Biaya tinggi:Kesulitan dalam pembuatan sensor multi-komponen ini, dikombinasikan dengan pendinginan yang mendalam, menyebabkan harganya biasanya lebih tinggi daripada kamera sensor sCMOS kualitas tertinggi.

● Umur Terbatas:Peluruhan perkalian elektron membatasi masa pakai sensor mahal ini, biasanya 5-10 tahun, tergantung pada tingkat penggunaan.

● Tantangan Ekspor:Impor dan ekspor sensor EMCCD cenderung menantang secara logistik karena potensi penggunaannya dalam aplikasi militer.

Mengapa EMCCD Merupakan Penerus CCD

Fitur	CCD	EMCCD
Kepekaan	Tinggi	Ultra-tinggi (terutama cahaya redup)
Kebisingan Pembacaan	Sedang	Sangat rendah (karena keuntungan)
Rentang Dinamis	Tinggi	Sedang (dibatasi oleh keuntungan)
Biaya	Lebih rendah	Lebih tinggi
Pendinginan	Opsional	Biasanya diperlukan untuk kinerja optimal
Kasus Penggunaan	Pencitraan umum	Deteksi foton tunggal dalam cahaya rendah

Sensor EMCCD dikembangkan berdasarkan teknologi CCD tradisional dengan menggabungkan langkah perkalian elektron. Hal ini meningkatkan kemampuan untuk memperkuat sinyal lemah dan mengurangi noise, menjadikan EMCCD pilihan yang lebih disukai untuk aplikasi pencitraan dengan cahaya sangat rendah di mana sensor CCD tidak memiliki kemampuan yang memadai.

Aplikasi Utama Sensor EMCCD

Sensor EMCCD umumnya digunakan dalam bidang ilmiah dan industri yang membutuhkan sensitivitas tinggi dan kemampuan mendeteksi sinyal lemah:

● Ilmu Hayati Bayangkang: Untuk aplikasi seperti mikroskopi fluoresensi molekul tunggal dan mikroskopi fluoresensi refleksi internal total (TIRF).
● Astronomi: Digunakan untuk menangkap cahaya redup dari bintang-bintang jauh, galaksi-galaksi, dan penelitian exoplanet.
● Optik Kuantum: Untuk percobaan keterikatan foton dan informasi kuantum.

● Forensik dan Keamanan:Digunakan dalam pengawasan cahaya rendah dan analisis jejak bukti.
● Spektroskopi: Dalam spektroskopi Raman dan deteksi fluoresensi intensitas rendah.

Kapan Anda Harus Memilih Sensor EMCCD?

Dengan peningkatan sensor CMOS dalam beberapa tahun terakhir, keunggulan sensor EMCCD dalam hal derau baca telah berkurang karena kini bahkan kamera sCMOS pun mampu menangani derau baca subelektron, di samping berbagai manfaat lainnya. Jika suatu aplikasi sebelumnya telah menggunakan EMCCD, ada baiknya meninjau kembali apakah ini merupakan pilihan terbaik mengingat perkembangan sCMOS.

Secara historis, EMCCD masih dapat melakukan penghitungan foton dengan lebih efektif, di samping beberapa aplikasi niche lainnya dengan tingkat sinyal tipikal kurang dari 3-5e- per piksel pada puncaknya. Meskipun demikian, dengan ukuran piksel yang lebih besar dan derau pembacaan sub-elektron yang tersedia dikamera ilmiahberdasarkan teknologi sCMOS, ada kemungkinan aplikasi ini juga akan segera dilakukan dengan sCMOS kelas atas.

Tanya Jawab Umum

Berapa Waktu Pencahayaan Minimum untuk Kamera Transfer Bingkai?

Untuk semua sensor transfer bingkai, termasuk EMCCD, pertanyaan tentang waktu pencahayaan minimum yang memungkinkan merupakan pertanyaan yang rumit. Untuk akuisisi gambar tunggal, pencahayaan dapat diakhiri dengan memindahkan muatan yang diperoleh ke dalam area bertopeng untuk pembacaan dengan sangat cepat, dan waktu pencahayaan minimum yang singkat (sub-mikrodetik) dimungkinkan.

Namun, segera setelah kamera melakukan streaming dengan kecepatan penuh, yaitu mengambil beberapa frame/film dengan frame rate penuh, segera setelah gambar pertama selesai diekspos, area yang di-mask akan ditempati oleh frame tersebut hingga pembacaan selesai. Oleh karena itu, eksposur tidak dapat berakhir. Ini berarti, terlepas dari waktu eksposur yang diminta dalam perangkat lunak, waktu eksposur sebenarnya dari frame-frame berikutnya setelah yang pertama dari akuisisi multi-frame kecepatan penuh ditentukan oleh waktu frame, yaitu 1/Frame Rate, kamera.

Apakah Teknologi sCMOS Menggantikan Sensor EMCCD?

Kamera EMCCD memiliki dua spesifikasi yang membantu mempertahankan keunggulannya dalam skenario pencitraan dengan cahaya sangat rendah (dengan level sinyal puncak 5 fotoelektron atau kurang). Pertama, pikselnya yang besar, hingga 16 μm, dan kedua, noise pembacaan <1e.

Generasi barukamera sCMOSTelah muncul kamera yang menawarkan karakteristik serupa, tanpa banyak kekurangan EMCCD, terutama faktor noise berlebih. Kamera seperti Aries 16 dari Tucsen menawarkan piksel bercahaya belakang 16 μm dengan noise baca 0,8e-. Dengan noise rendah dan piksel 'asli' yang besar, kamera ini juga mengungguli sebagian besar kamera sCMOS binning, berkat hubungan antara binning dan noise baca.

Jika Anda ingin mempelajari lebih lanjut tentang EMCCD, silakan klik:

Bisakah EMCCD Diganti dan Apakah Kita Menginginkannya?