25/08/01Il sensore CCD a moltiplicazione di elettroni è un'evoluzione del sensore CCD per consentire il funzionamento a bassa luminosità. Sono tipicamente progettati per segnali di poche centinaia di fotoelettroni, fino al livello di conteggio dei singoli fotoni.
Questo articolo spiega cosa sono i sensori EMCCD, come funzionano, i loro vantaggi e svantaggi e perché sono considerati la prossima evoluzione della tecnologia CCD per l'imaging in condizioni di scarsa illuminazione.
Che cos'è un sensore EMCCD?
Un sensore EMCCD (Electron-Multiplying Charge-Coupled Device) è un tipo specializzato di sensore CCD che amplifica i segnali deboli prima che vengano letti, consentendo una sensibilità estremamente elevata in ambienti con scarsa illuminazione.
Sviluppati inizialmente per applicazioni come l'astronomia e la microscopia avanzata, gli EMCCD sono in grado di rilevare singoli fotoni, un compito che i sensori CCD tradizionali hanno difficoltà a svolgere. Questa capacità di rilevare singoli fotoni rende gli EMCCD cruciali per i campi che richiedono immagini precise in condizioni di luce molto bassa.
Come funzionano i sensori EMCCD?
Fino al momento della lettura, i sensori EMCCD funzionano secondo gli stessi principi dei sensori CCD. Tuttavia, prima della misurazione con l'ADC, le cariche rilevate vengono moltiplicate attraverso un processo chiamato impatto, in un "registro di moltiplicazione elettronica". In una serie di diverse centinaia di passi, le cariche di un pixel vengono spostate lungo una serie di pixel mascherati ad alta tensione. Ogni elettrone a ogni passo ha la possibilità di portare con sé altri elettroni. Il segnale viene quindi moltiplicato esponenzialmente.
Il risultato finale di un EMCCD ben calibrato è la possibilità di scegliere un valore preciso di moltiplicazione media, in genere compreso tra 300 e 400 per lavori in condizioni di scarsa illuminazione. Ciò consente ai segnali rilevati di essere moltiplicati molto più del rumore di lettura della telecamera, riducendo di fatto il rumore di lettura della telecamera. Sfortunatamente, la natura stocastica di questo processo di moltiplicazione implica che ogni pixel venga moltiplicato per un valore diverso, il che introduce un fattore di rumore aggiuntivo, riducendo il rapporto segnale/rumore (SNR) dell'EMCCD.
Ecco una panoramica del funzionamento dei sensori EMCCD. Fino al passaggio 6, il processo è sostanzialmente lo stesso di quello dei sensori CCD.
Figura: Processo di lettura per il sensore EMCCD
Al termine dell'esposizione, i sensori EMCCD trasferiscono rapidamente le cariche raccolte su una matrice mascherata di pixel delle stesse dimensioni della matrice fotosensibile (trasferimento di fotogramma). Quindi, una riga alla volta, le cariche vengono trasferite in un registro di lettura. Una colonna alla volta, le cariche all'interno del registro di lettura vengono passate a un registro di moltiplicazione. A ogni stadio di questo registro (fino a 1000 stadi nelle telecamere EMCCD reali), ogni elettrone ha una piccola probabilità di rilasciare un elettrone aggiuntivo, moltiplicando esponenzialmente il segnale. Alla fine, il segnale moltiplicato viene letto.
1. Compensazione della carica: Per iniziare l'acquisizione, la carica viene simultaneamente eliminata dall'intero sensore (otturatore globale).
2. Accumulo di carica: La carica si accumula durante l'esposizione.
3. Accumulo di carica: Dopo l'esposizione, le cariche raccolte vengono spostate in un'area mascherata del sensore, dove possono attendere la lettura senza che vengano contati nuovi fotoni rilevati. Questo è il processo di "trasferimento di fotogrammi".
4. Esposizione del fotogramma successivo: Con le cariche rilevate memorizzate nei pixel mascherati, i pixel attivi possono iniziare l'esposizione del fotogramma successivo (modalità sovrapposizione).
5. Processo di lettura: Una riga alla volta, le cariche per ogni riga del telaio finito vengono spostate in un "registro di lettura".
6. Una colonna alla volta, le cariche di ciascun pixel vengono trasferite al nodo di lettura.
7. Moltiplicazione degli elettroni: Successivamente, tutte le cariche degli elettroni provenienti dal pixel entrano nel registro di moltiplicazione degli elettroni e procedono passo dopo passo, moltiplicandosi esponenzialmente a ogni passo.
8. Lettura: Il segnale moltiplicato viene letto dall'ADC e il processo viene ripetuto finché non viene letto l'intero frame.
Pro e contro dei sensori EMCCD
Vantaggi dei sensori EMCCD
| Vantaggio | Descrizione |
| Conteggio dei fotoni | Rileva singoli fotoelettroni con rumore di lettura estremamente basso (<0,2e⁻), consentendo la sensibilità ai singoli fotoni. |
| Sensibilità alla luce ultra-bassa | Decisamente migliori dei CCD tradizionali, a volte superando anche le telecamere sCMOS di fascia alta in condizioni di luce molto basse. |
| Bassa corrente oscura | Il raffreddamento profondo riduce il rumore termico, consentendo immagini più nitide durante le lunghe esposizioni. |
| Otturatore 'semi-globale' | Il trasferimento dei fotogrammi consente un'esposizione quasi globale con uno spostamento di carica molto rapido (~1 microsecondo). |
● Conteggio dei fotoni: Con una moltiplicazione degli elettroni sufficientemente elevata, il rumore di lettura può essere praticamente eliminato (<0,2e-). Questo, insieme all'elevato valore di guadagno e all'efficienza quantica quasi perfetta, significa che è possibile distinguere i singoli fotoelettroni.
● Sensibilità alla luce ultra-bassa: Rispetto ai CCD, le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione degli EMCCD sono notevolmente migliori. In alcune applicazioni, gli EMCCD offrono una capacità di rilevamento e un contrasto migliori persino rispetto ai sensori sCMOS di fascia alta, anche ai livelli di illuminazione più bassi possibili.
● Bassa corrente oscura:Come i CCD, gli EMCCD sono in genere raffreddati in profondità e in grado di fornire valori di corrente di buio molto bassi.
● Otturatore 'mezzo globale': Il processo di trasferimento dei fotogrammi per iniziare e terminare l'esposizione non è realmente simultaneo, ma in genere dura circa 1 microsecondo.
Contro dei sensori EMCCD
| Svantaggio | Descrizione |
| Velocità limitata | I frame rate massimi (~30 fps a 1 MP) sono molto più lenti rispetto alle moderne alternative CMOS. |
| Rumore di amplificazione | La natura casuale della moltiplicazione degli elettroni introduce un rumore eccessivo, riducendo l'SNR. |
| Carica indotta dall'orologio (CIC) | I movimenti di carica rapidi possono introdurre falsi segnali che vengono amplificati. |
| Gamma dinamica ridotta | Un guadagno elevato riduce il segnale massimo che il sensore può gestire prima di saturarsi. |
| Grandi dimensioni dei pixel | Le dimensioni comuni dei pixel (13–16 μm) potrebbero non essere conformi ai requisiti di molti sistemi ottici. |
| Elevata richiesta di raffreddamento | Per ottenere una moltiplicazione costante e un basso rumore è necessario un raffreddamento profondo e stabile. |
| Esigenze di calibrazione | Il guadagno EM si degrada nel tempo (decadimento della moltiplicazione), rendendo necessaria una calibrazione regolare. |
| Instabilità da breve esposizione | Esposizioni molto brevi possono causare un'amplificazione del segnale imprevedibile e rumore. |
| Costo elevato | La produzione complessa e il raffreddamento profondo rendono questi sensori più costosi rispetto ai sCMOS. |
| Durata limitata | Il registro di moltiplicazione degli elettroni si usura, durando in genere dai 5 ai 10 anni. |
| Sfide dell'esportazione | Soggetto a rigide normative a causa delle potenziali applicazioni militari. |
● Velocità limitata: Le EMCCD veloci forniscono circa 30 fps a 1 MP, simili alle CCD, ordini di grandezza più lente delle telecamere CMOS.
● Introduzione al rumore: Il "fattore di rumore in eccesso" causato dalla moltiplicazione casuale degli elettroni, rispetto a una telecamera sCMOS a basso rumore con la stessa efficienza quantica, può conferire alle EMCCD un rumore notevolmente più elevato a seconda dei livelli del segnale. Il rapporto segnale-rumore per le sCMOS di fascia alta è in genere migliore per segnali intorno a 3e-, ancora di più per segnali più elevati.
● Carica indotta dall'orologio (CIC): Se non attentamente controllato, il movimento delle cariche attraverso il sensore può introdurre elettroni aggiuntivi nei pixel. Questo rumore viene quindi moltiplicato dal registro di moltiplicazione degli elettroni. Velocità di movimento delle cariche più elevate (frequenze di clock) portano a frame rate più elevati, ma a un maggiore CIC.
● Gamma dinamica ridotta: Gli elevatissimi valori di moltiplicazione degli elettroni richiesti per superare il rumore di lettura EMCCD comportano una gamma dinamica molto ridotta.
● Grandi dimensioni dei pixel: La dimensione minima comune dei pixel per le telecamere EMCCD è di 10 μm, ma i valori più comuni sono 13 o 16 μm. Questa dimensione è decisamente troppo grande per soddisfare i requisiti di risoluzione della maggior parte dei sistemi ottici.
● Requisiti di calibrazione: Il processo di moltiplicazione degli elettroni usura il registro EM con l'uso, riducendone la capacità di moltiplicarsi in un processo chiamato "decadimento della moltiplicazione degli elettroni". Ciò significa che il guadagno della fotocamera cambia costantemente e la fotocamera richiede una calibrazione regolare per eseguire qualsiasi imaging quantitativo.
● Esposizione incoerente in tempi brevi: Quando si utilizzano tempi di esposizione molto brevi, le telecamere EMCCD potrebbero produrre risultati incoerenti perché il segnale debole viene sopraffatto dal rumore e il processo di amplificazione introduce fluttuazioni statistiche.
● Elevata richiesta di raffreddamento: Il processo di moltiplicazione degli elettroni è fortemente influenzato dalla temperatura. Raffreddando il sensore si aumenta la moltiplicazione degli elettroni disponibile. Pertanto, un raffreddamento profondo del sensore, mantenendo la stabilità della temperatura, è fondamentale per misurazioni EMCCD riproducibili.
● Costo elevato:La difficoltà di fabbricazione di questi sensori multicomponente, unita al raffreddamento profondo, fa sì che i prezzi siano solitamente più alti rispetto alle fotocamere con sensore sCMOS di qualità più elevata.
● Durata limitata:Il decadimento della moltiplicazione degli elettroni limita la durata di questi costosi sensori, che solitamente è di 5-10 anni, a seconda del livello di utilizzo.
● Sfide dell'esportazione: L'importazione e l'esportazione di sensori EMCCD tendono a essere logisticamente complesse a causa del loro potenziale utilizzo in applicazioni militari.
Perché EMCCD è il successore di CCD
| Caratteristica | CCD | EMCCD |
| Sensibilità | Alto | Ultra-alto (soprattutto in condizioni di scarsa illuminazione) |
| Rumore di lettura | Moderare | Estremamente basso (a causa del guadagno) |
| Gamma dinamica | Alto | Moderato (limitato dal guadagno) |
| Costo | Inferiore | Più alto |
| Raffreddamento | Opzionale | Tipicamente richiesto per prestazioni ottimali |
| Casi d'uso | Imaging generale | Rilevamento di singoli fotoni in condizioni di scarsa illuminazione |
I sensori EMCCD si basano sulla tradizionale tecnologia CCD, incorporando una fase di moltiplicazione degli elettroni. Ciò migliora la capacità di amplificare i segnali deboli e ridurre il rumore, rendendo gli EMCCD la scelta preferita per applicazioni di imaging in condizioni di luce estremamente scarsa, dove i sensori CCD risultano carenti.
Applicazioni chiave dei sensori EMCCD
I sensori EMCCD sono comunemente utilizzati in settori scientifici e industriali che richiedono elevata sensibilità e la capacità di rilevare segnali deboli:
● Immagini delle scienze della vitag: Per applicazioni quali la microscopia a fluorescenza a singola molecola e la microscopia a fluorescenza a riflessione interna totale (TIRF).
● Astronomia: Utilizzato per catturare la debole luce di stelle lontane, galassie e per la ricerca di esopianeti.
● Ottica quantistica: Per esperimenti di entanglement fotonico e di informazione quantistica.
● Analisi forense e sicurezza: Impiegato nella sorveglianza in condizioni di scarsa illuminazione e nell'analisi delle tracce.
● Spettroscopia: Nella spettroscopia Raman e nella rilevazione della fluorescenza a bassa intensità.
Quando scegliere un sensore EMCCD?
Con i miglioramenti apportati ai sensori CMOS negli ultimi anni, il vantaggio dei sensori EMCCD in termini di rumore di lettura è diminuito, poiché ora anche le telecamere sCMOS sono in grado di rilevare rumore di lettura subelettronico, oltre a una vasta gamma di altri vantaggi. Se un'applicazione ha già utilizzato sensori EMCCD, vale la pena valutare se questa sia la scelta migliore, visti gli sviluppi della tecnologia sCMOS.
Storicamente, gli EMCCD potevano ancora eseguire il conteggio dei fotoni con maggiore successo, insieme ad alcune altre applicazioni di nicchia con livelli di segnale tipici inferiori a 3-5 e- per pixel al picco. Tuttavia, con pixel di dimensioni maggiori e rumore di lettura subelettronico disponibile infotocamere scientificheGrazie alla tecnologia sCMOS, è possibile che anche queste applicazioni possano presto essere eseguite con sCMOS di fascia alta.
Domande frequenti
Qual è il tempo minimo di esposizione per le fotocamere Frame Transfer?
Per tutti i sensori di trasferimento di fotogrammi, inclusi gli EMCCD, la questione del tempo di esposizione minimo possibile è complessa. Per le acquisizioni di singole immagini, l'esposizione può essere terminata spostando le cariche acquisite nella regione mascherata per una lettura molto rapida, e sono possibili tempi di esposizione minimi brevi (inferiori al microsecondo).
Tuttavia, non appena la telecamera trasmette in streaming a piena velocità, ovvero acquisisce più fotogrammi/un filmato alla massima velocità, non appena la prima immagine termina l'esposizione, la regione mascherata viene occupata da quel fotogramma fino al completamento della lettura. L'esposizione non può quindi terminare. Ciò significa che, indipendentemente dal tempo di esposizione richiesto nel software, il tempo di esposizione effettivo dei fotogrammi successivi al primo di un'acquisizione multi-fotogramma a piena velocità è dato dal tempo di fotogramma, ovvero 1/Frame Rate, della telecamera.
La tecnologia sCMOS sta sostituendo i sensori EMCCD?
Le telecamere EMCCD avevano due specifiche che contribuivano a mantenere il loro vantaggio in scenari di imaging in condizioni di illuminazione estremamente scarsa (con livelli di segnale di picco pari o inferiori a 5 fotoelettroni). In primo luogo, i pixel di grandi dimensioni, fino a 16 μm, e in secondo luogo il rumore di lettura <1e.
Una nuova generazione difotocamera sCMOSÈ emerso un sensore che offre le stesse caratteristiche, senza i numerosi svantaggi degli EMCCD, in particolare il fattore di rumore eccessivo. Telecamere come l'Aries 16 di Tucsen offrono pixel retroilluminati da 16 μm con un rumore di lettura di 0,8e-. Con basso rumore e pixel "nativamente" grandi, queste telecamere superano anche le prestazioni della maggior parte delle telecamere sCMOS binning, grazie alla relazione tra binning e rumore di lettura.
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L'EMCCD può essere sostituito? Lo vorremmo mai?
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