EMCCD センサー: CCD の低照度後継 |

電子増倍型CCDセンサーは、CCDセンサーの進化版であり、低照度動作を可能にしています。通常、数百個の光電子から個々の光子を計数するレベルまでの信号を対象としています。

この記事では、EMCCD センサーとは何か、どのように機能するか、その利点と欠点、そしてそれが低光量イメージング用の CCD テクノロジーの次世代と考えられている理由について説明します。

EMCCD センサーとは何ですか?

電子増倍型電荷結合素子 (EMCCD) センサーは、微弱な信号を読み出す前に増幅する特殊なタイプの CCD センサーであり、暗い環境でも非常に高い感度を実現します。

EMCCDは、当初は天文学や高度な顕微鏡などの用途向けに開発されましたが、従来のCCDセンサーでは困難だった単一光子の検出が可能です。この個々の光子の検出能力により、EMCCDは極めて低い光量下での高精度な画像撮影が求められる分野において極めて重要な役割を果たしています。

EMCCD センサーはどのように機能しますか?

EMCCDセンサーは、読み出しまではCCDセンサーと同じ原理で動作します。ただし、ADCで測定する前に、検出された電荷は「電子増倍レジスタ」において衝突イオン化と呼ばれるプロセスによって増幅されます。数百段階にわたって、1つのピクセルから出力された電荷は、高電圧がかけられたマスクされた一連のピクセルに沿って移動します。各段階における各電子は、さらに別の電子を運ぶ可能性があります。そのため、信号は指数関数的に増幅されます。

適切にキャリブレーションされたEMCCDは、平均乗算値を正確に選択できるという利点があります。低照度環境では通常300～400程度です。これにより、検出された信号をカメラの読み取りノイズよりもはるかに高い乗算値で処理できるため、カメラの読み取りノイズが実質的に低減されます。しかし、この乗算プロセスは確率的な性質を持つため、各ピクセルに異なる乗算値が適用されます。これによりノイズ係数が増加し、EMCCDの信号対ノイズ比（SNR）が低下します。

EMCCDセンサーの動作原理を詳しく説明します。ステップ6までは、CCDセンサーの場合と実質的に同じプロセスです。

図: EMCCDセンサーの読み出しプロセス

EMCCDセンサーは、露光終了時にまず、収集した電荷を、感光アレイと同じ寸法のマスクされたピクセルアレイに高速で転送します（フレーム転送）。次に、電荷は1行ずつ読み出しレジスタに転送されます。読み出しレジスタ内の電荷は1列ずつ増倍レジスタに渡されます。このレジスタの各ステージ（実際のEMCCDカメラでは最大1000ステージ）で、すべての電子がさらに電子を放出するわずかな機会があり、信号が指数関数的に増倍されます。最後に、増倍された信号が読み出されます。

1. チャージクリア: 取得を開始するには、センサー全体から同時に電荷がクリアされます (グローバルシャッター)。
2. 電荷蓄積: 露光中に電荷が蓄積されます。
3. 電荷貯蔵露光後、収集された電荷はセンサーのマスクされた領域に移動され、そこで新たな光子が検出されることなく読み出しを待つことができます。これが「フレーム転送」プロセスです。
4. 次のフレームの露出: 検出された電荷がマスクされたピクセルに保存され、アクティブピクセルは次のフレームの露光を開始できます (オーバーラップモード)。
5. 読み出しプロセス: 完成したフレームの各行の電荷が、一度に 1 行ずつ「読み出しレジスタ」に移動されます。
6. 各ピクセルからの電荷が 1 列ずつ読み出しノードに送られます。
7. 電子増幅次に、ピクセルからのすべての電子電荷が電子増倍レジスタに入り、ステップごとに指数関数的に増加しながら段階的に移動します。
8. 読み上げる: 乗算された信号は ADC によって読み取られ、フレーム全体が読み取られるまでこのプロセスが繰り返されます。

EMCCDセンサーの長所と短所

EMCCDセンサーの利点

アドバンテージ	説明
光子計数	極めて低い読み取りノイズ (<0.2e⁻) で個々の光電子を検出し、単一光子感度を実現します。
超低照度感度	従来の CCD よりも大幅に優れており、非常に低い光量レベルでもハイエンドの sCMOS カメラを上回ることもあります。
低暗電流	深冷却により熱ノイズが低減され、長時間露光でもより鮮明な画像が得られます。
「ハーフグローバル」シャッター	フレーム転送により、非常に高速な電荷シフト (約 1 マイクロ秒) によるほぼグローバルな露出が可能になります。

● 光子計数十分に高い電子増倍により、読み出しノイズは実質的に排除されます（<0.2e-）。これは、高いゲイン値とほぼ完璧な量子効率と相まって、個々の光電子を区別することを意味します。
● 超低照度感度CCDと比較して、EMCCDの低照度性能は飛躍的に優れています。一部のアプリケーションでは、EMCCDは、可能な限り低い照度レベルにおいて、ハイエンドのsCMOSよりも優れた検出能力とコントラストを発揮する場合があります。
● 低暗電流CCD と同様に、EMCCD は通常、深冷却されており、非常に低い暗電流値を実現できます。
●「ハーフグローバル」シャッター: 露出を開始および終了するフレーム転送プロセスは完全に同時ではありませんが、通常は 1 マイクロ秒程度かかります。

EMCCDセンサーの欠点

デメリット	説明
速度制限	最大フレームレート (1 MP で約 30 fps) は、最新の CMOS 代替品よりもはるかに低速です。
増幅ノイズ	電子増殖のランダムな性質により過剰なノイズが発生し、SNR が低下します。
クロック誘起電荷（CIC）	急速充電動作により、増幅される誤った信号が発生する可能性があります。
ダイナミックレンジの減少	ゲインを高くすると、飽和する前にセンサーが処理できる最大信号が減少します。
大きなピクセルサイズ	一般的なピクセルサイズ (13～16 μm) は、多くの光学システム要件を満たさない可能性があります。
強力な冷却要件	一貫した増幅と低ノイズを実現するには、安定した深冷却が必要です。
校正の必要性	EM ゲインは時間の経過とともに低下するため (乗算減衰)、定期的な調整が必要になります。
短時間露光の不安定性	非常に短い露出でも予期せぬ信号増幅やノイズが発生する可能性があります。
高コスト	複雑な製造と強力な冷却により、これらのセンサーは sCMOS よりも高価になります。
寿命が限られている	電子増倍レジスタは消耗し、通常は 5 ～ 10 年持続します。
輸出の課題	軍事用途の可能性があるため、厳しい規制の対象となります。

● 速度制限: 高速 EMCCD は、1 MP で約 30 fps を提供します。これは CCD と似ており、CMOS カメラよりも桁違いに遅くなります。

● ノイズの導入ランダムな電子増幅によって生じる「過剰ノイズ係数」は、同じ量子効率を持つ低ノイズのsCMOSカメラと比較して、信号レベルに応じてEMCCDのノイズを大幅に増加させる可能性があります。ハイエンドsCMOSのSNRは、通常、3e-程度の信号で良好で、より高い信号ではさらに良好です。

● クロック誘起電荷（CIC）: 慎重に制御しないと、センサーを横切る電荷の移動によってピクセルに余分な電子が取り込まれる可能性があります。このノイズは電子増倍レジスタによって増幅されます。電荷移動速度（クロックレート）が速いほどフレームレートは高くなりますが、CIC（カラーイメージングインタラクション）も増加します。

● ダイナミックレンジの減少EMCCD 読み取りノイズを克服するために必要な非常に高い電子増倍値により、ダイナミックレンジが大幅に減少します。

● 大きなピクセルサイズEMCCDカメラの最小ピクセルサイズは10μmですが、最も一般的なのは13μmまたは16μmです。これは、ほとんどの光学システムの解像度要件を満たすには大きすぎます。

● 校正要件: 電子増倍プロセスは、使用とともにEMレジスタを摩耗させ、「電子増倍減衰」と呼ばれるプロセスで増倍能力を低下させます。これはカメラのゲインが常に変化することを意味し、定量的な画像撮影を行うには定期的なキャリブレーションが必要です。

● 短時間の不均一な露出: 非常に短い露出時間を使用すると、弱い信号がノイズに圧倒され、増幅プロセスによって統計的な変動が生じるため、EMCCD カメラは一貫性のない結果を生成する可能性があります。

● 強力な冷却要件電子増倍プロセスは温度に大きく影響されます。センサーを冷却することで利用可能な電子増倍量が増加します。したがって、温度安定性を維持しながらセンサーを徹底的に冷却することが、再現性の高いEMCCD測定に不可欠です。

● 高コストこれらのマルチコンポーネントセンサーは製造が難しく、さらに深冷却が必要なため、通常は最高品質の sCMOS センサーカメラよりも価格が高くなります。

● 寿命が限られている: 電子増倍減衰により、これらの高価なセンサーの寿命は、使用レベルに応じて通常 5 ～ 10 年に制限されます。

● 輸出の課題EMCCD センサーの輸出入は、軍事用途で使用される可能性があるため、物流的に困難になる傾向があります。

EMCCDがCCDの後継である理由

特徴	CCD	EMCCD
感度	高い	超高輝度（特に低照度）
読み出しノイズ	適度	非常に低い（ゲインのため）
ダイナミックレンジ	高い	中程度（ゲインによって制限される）
料金	より低い	より高い
冷却	オプション	通常、最適なパフォーマンスを得るために必要
ユースケース	一般的な画像	低光量、単一光子検出

EMCCDセンサーは、従来のCCD技術をベースに電子増倍ステップを組み込んだものです。これにより、微弱な信号を増幅し、ノイズを低減する能力が向上し、CCDセンサーでは対応できない極低照度下での撮像アプリケーションに最適です。

EMCCDセンサーの主な用途

EMCCD センサーは、高感度と微弱な信号を検出する能力が求められる科学分野や産業分野で一般的に使用されています。

● ライフサイエンスイマジンg: 単一分子蛍光顕微鏡や全内部反射蛍光 (TIRF) 顕微鏡などの用途向け。
● 天文学: 遠くの星、銀河、太陽系外惑星の研究からの微かな光を捉えるために使用されます。
● 量子光学: 光子のもつれや量子情報の実験に。

● フォレンジックとセキュリティ: 低照度監視や痕跡証拠分析に使用されます。
● 分光法: ラマン分光法および低強度蛍光検出において。

EMCCD センサーはいつ選択すればよいですか?

近年のCMOSセンサーの改良により、EMCCDセンサーの読み出しノイズにおける優位性は薄れ、sCMOSカメラでさえサブエレクトロンレベルの読み出しノイズを実現できるようになったほか、その他多くの利点も享受できるようになりました。もしアプリケーションで以前EMCCDを使用していた場合は、sCMOSの進歩を踏まえ、EMCCDが最適な選択肢であるかどうかを再検討する価値は十分にあります。

歴史的に、EMCCDは、ピーク時でピクセルあたり3～5e-以下の典型的な信号レベルを持ついくつかのニッチなアプリケーションと並んで、光子計数により優れた性能を発揮してきました。しかし、より大きなピクセルサイズとサブエレクトロンレベルの読み出しノイズが利用可能になったことで、科学カメラsCMOS テクノロジーをベースとしているため、これらのアプリケーションも近いうちにハイエンドの sCMOS で実行される可能性があります。

よくある質問

フレーム転送カメラの最小露出時間はどれくらいですか?

EMCCDを含むすべてのフレーム転送型センサーにおいて、最小露光時間の問題は複雑です。単一画像取得の場合、取得した電荷をマスク領域にシャッフルすることで露光を終了し、非常に高速に読み出しを行うことができ、最小露光時間を短く（サブマイクロ秒）することが可能です。

しかし、カメラがフルスピードでストリーミングを開始すると、つまりフルフレームレートで複数のフレームや動画を取得すると、最初の画像の露光が終了するとすぐに、マスクされた領域はそのフレームで占有され、読み出しが完了するまでその状態が続きます。したがって、露光は終了しません。つまり、ソフトウェアで要求された露光時間に関係なく、フルスピードでの複数フレーム取得における最初のフレーム以降のフレームの実際の露光時間は、カメラのフレーム時間、つまり1 / フレームレートによって決まります。

sCMOS テクノロジーは EMCCD センサーに取って代わるのでしょうか?

EMCCDカメラには、極低照度（ピーク信号レベルが5光電子以下）の撮像シナリオにおいて優位性を維持する上で役立つ2つの仕様がありました。1つ目は、最大16μmの大型ピクセル、2つ目は1e-未満の読み出しノイズです。

新しい世代のsCMOSカメラEMCCDの数々の欠点、特に過剰ノイズ係数を伴わずに、同じ特性を持つカメラが登場しました。Tucsen社のAries 16などのカメラは、16μmの裏面照射型ピクセルを搭載し、読み出しノイズは0.8e-です。低ノイズと「本来」大きなピクセルサイズを備えたこれらのカメラは、ビニングと読み出しノイズの関係により、ほとんどのビニングsCMOSカメラよりも優れた性能を発揮します。

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