EMCCD 센서: CCD의 저조도 후속 센서 |

전자증폭 CCD 센서는 저조도 환경에서 작동할 수 있도록 CCD 센서를 개량한 것입니다. 일반적으로 수백 개의 광전자 신호부터 개별 광자 계수 수준까지 측정합니다.

이 글에서는 EMCCD 센서가 무엇이고, 어떻게 작동하는지, 장단점이 무엇인지, 그리고 저조도 이미징을 위한 CCD 기술의 차세대 기술로 여겨지는 이유를 설명합니다.

EMCCD 센서란 무엇인가요?

전자증폭형 전하결합소자(EMCCD) 센서는 약한 신호를 읽기 전에 증폭시키는 특수한 유형의 CCD 센서로, 어두운 환경에서도 매우 높은 감도를 제공합니다.

원래 천문학이나 첨단 현미경과 같은 응용 분야를 위해 개발된 EMCCD는 기존 CCD 센서로는 어려운 단일 광자 감지 기능을 제공합니다. 이처럼 개별 광자를 감지할 수 있는 EMCCD는 매우 낮은 조도에서도 정밀한 이미징이 필요한 분야에 필수적입니다.

EMCCD 센서는 어떻게 작동하나요?

EMCCD 센서는 판독 시점까지 CCD 센서와 동일한 원리로 작동합니다. 그러나 ADC로 측정하기 전에, 검출된 전하들은 '전자 증폭 레지스터'에서 충격 이온화(impactionization)라는 과정을 통해 증폭됩니다. 수백 단계에 걸쳐 픽셀의 전하들은 고전압으로 마스크된 일련의 픽셀들을 따라 이동합니다. 각 단계의 각 전자는 추가 전자를 가져올 가능성이 있습니다. 따라서 신호는 기하급수적으로 증폭됩니다.

잘 보정된 EMCCD의 최종 결과는 저조도 작업의 경우 일반적으로 300~400 정도의 정확한 평균 곱셈 값을 선택할 수 있다는 것입니다. 이를 통해 감지된 신호를 카메라의 판독 노이즈보다 훨씬 더 높은 값으로 곱하여 카메라의 판독 노이즈를 효과적으로 줄일 수 있습니다. 하지만 이러한 곱셈 과정의 확률적 특성으로 인해 각 픽셀마다 다른 값으로 곱해지며, 이로 인해 추가적인 노이즈 요소가 발생하여 EMCCD의 신호 대 잡음비(SNR)가 감소합니다.

EMCCD 센서의 작동 원리를 간략하게 설명하겠습니다. 6단계까지는 CCD 센서 작동 방식과 사실상 동일합니다.

그림: EMCCD 센서의 판독 프로세스

노출이 끝나면 EMCCD 센서는 먼저 수집된 전하를 감광 배열과 동일한 크기의 마스크된 픽셀 배열로 빠르게 이동합니다(프레임 전송). 그런 다음, 한 행씩 전하가 판독 레지스터로 이동합니다. 판독 레지스터 내의 전하는 한 열씩 곱셈 레지스터로 전달됩니다. 이 레지스터의 각 단계(실제 EMCCD 카메라의 경우 최대 1000단계)에서 모든 전자는 추가 전자를 방출할 작은 기회를 가지며, 이로 인해 신호가 기하급수적으로 증폭됩니다. 마지막으로 곱해진 신호가 판독됩니다.

1. 요금 청산: 수집을 시작하려면 전체 센서에서 전하가 동시에 제거됩니다(글로벌 셔터).
2. 전하 축적: 노출 중에 전하가 축적됩니다.
3. 충전 저장: 노출 후, 수집된 전하들은 센서의 마스크된 영역으로 이동하여 새로운 광자가 감지될 때까지 기다리거나, 광자 개수를 세지 않고도 판독될 수 있습니다. 이를 '프레임 전송' 과정이라고 합니다.
4. 다음 프레임 노출: 감지된 전하가 마스크된 픽셀에 저장되면 활성 픽셀은 다음 프레임의 노출을 시작할 수 있습니다(오버랩 모드).
5. 판독 프로세스: 완성된 프레임의 각 행에 대한 전하가 한 번에 한 행씩 '판독 레지스터'로 이동됩니다.
6. 한 번에 한 열씩, 각 픽셀의 전하가 판독 노드로 이동합니다.
7. 전자 증폭: 다음으로, 픽셀의 모든 전자 전하가 전자 증식 레지스터에 들어가고, 단계적으로 이동하며, 각 단계마다 기하급수적으로 숫자가 곱해집니다.
8. 판독: 곱해진 신호는 ADC에 의해 읽히고, 전체 프레임이 읽힐 때까지 프로세스가 반복됩니다.

EMCCD 센서의 장단점

EMCCD 센서의 장점

이점	설명
광자 계수	매우 낮은 판독 노이즈(<0.2e⁻)로 개별 광전자를 감지하여 단일 광자 감도를 구현합니다.
초저조도 감도	기존 CCD보다 상당히 뛰어나며, 때로는 매우 낮은 조도 수준에서 고급 sCMOS 카메라보다 더 뛰어난 성능을 보이기도 합니다.
낮은 암전류	심층 냉각으로 열 잡음이 줄어들어 장시간 노출 시에도 더 깨끗한 이미지가 구현됩니다.
'하프 글로벌' 셔터	프레임 전송은 매우 빠른 전하 이동(약 1마이크로초)으로 거의 전역 노출을 허용합니다.

● 광자 계수: 충분히 높은 전자 증폭률을 사용하면 판독 잡음을 실질적으로 제거할 수 있습니다(<0.2e-). 이는 높은 이득 값과 거의 완벽에 가까운 양자 효율과 함께 개별 광전자를 구별하는 것이 가능함을 의미합니다.
● 초저조도 감도: EMCCD의 저조도 성능은 CCD에 비해 훨씬 뛰어납니다. EMCCD가 최저 조도에서도 고급 sCMOS보다 더 뛰어난 감지 성능과 대비를 제공하는 응용 분야가 있을 수 있습니다.
● 낮은 암전류: CCD와 마찬가지로 EMCCD도 일반적으로 심하게 냉각되어 매우 낮은 암전류 값을 제공할 수 있습니다.
● '하프 글로벌' 셔터: 노출을 시작하고 끝내기 위한 프레임 전송 과정은 실제로 동시에 이루어지지 않지만 일반적으로 1마이크로초 정도가 걸립니다.

EMCCD 센서의 단점

불리	설명
제한된 속도	최대 프레임 속도(1 MP에서 약 30fps)는 최신 CMOS 대안보다 훨씬 느립니다.
증폭 잡음	전자 증폭의 무작위적 특성으로 인해 과도한 노이즈가 발생하고, 이로 인해 SNR이 감소합니다.
클록 유도 전하(CIC)	빠른 충전 동작은 증폭되는 잘못된 신호를 유발할 수 있습니다.
감소된 동적 범위	높은 이득은 센서가 포화되기 전에 처리할 수 있는 최대 신호를 줄입니다.
큰 픽셀 크기	일반적인 픽셀 크기(13~16μm)는 많은 광학 시스템 요구 사항과 맞지 않을 수 있습니다.
높은 냉각 요구 사항	일관된 증식과 낮은 소음을 달성하려면 안정적인 심층 냉각이 필요합니다.
교정 요구 사항	EM 이득은 시간이 지남에 따라 감소(증배 감소)하므로 정기적인 교정이 필요합니다.
단시간 노출 불안정성	매우 짧은 시간 동안 노출되면 예측할 수 없는 신호 증폭과 노이즈가 발생할 수 있습니다.
높은 비용	복잡한 제조 과정과 심층 냉각으로 인해 이러한 센서는 sCMOS보다 비쌉니다.
제한된 수명	전자증배 레지스터는 마모되며 일반적으로 5~10년 정도 지속됩니다.
수출 과제	군사적 활용 가능성으로 인해 엄격한 규제가 적용됩니다.

● 제한속도: 빠른 EMCCD는 1 MP에서 약 30fps를 제공하는데, 이는 CCD와 유사하지만 CMOS 카메라보다 훨씬 느립니다.

● 소음 도입: 무작위 전자 증폭으로 인한 '과도한 잡음 계수'는 동일한 양자 효율을 가진 저잡음 sCMOS 카메라와 비교했을 때 EMCCD에 신호 레벨에 따라 훨씬 더 높은 잡음을 유발할 수 있습니다. 고급 sCMOS의 SNR은 일반적으로 약 3e-의 신호에서 더 우수하며, 더 높은 신호에서는 더욱 그렇습니다.

● 클록 유도 전하(CIC): 주의 깊게 제어하지 않으면 센서를 가로지르는 전하의 이동으로 인해 픽셀에 추가적인 전자가 유입될 수 있습니다. 이 노이즈는 전자 증폭 레지스터에 의해 증폭됩니다. 전하 이동 속도(클럭 속도)가 높을수록 프레임 속도는 높아지지만, CIC(초당 10억 비트)도 높아집니다.

● 감소된 동적 범위: EMCCD 읽기 노이즈를 극복하는 데 필요한 매우 높은 전자 증폭 값으로 인해 동적 범위가 크게 감소합니다.

● 대형 픽셀 크기: EMCCD 카메라의 가장 작은 픽셀 크기는 10μm이지만, 13μm 또는 16μm가 가장 일반적입니다. 이는 대부분의 광학 시스템의 해상도 요구 사항을 충족하기에는 너무 큽니다.

● 교정 요구 사항: 전자 증폭 과정은 사용에 따라 EM 레지스터를 마모시켜 '전자 증폭 붕괴'라고 불리는 과정을 통해 증폭 능력을 감소시킵니다. 이는 카메라의 게인이 지속적으로 변한다는 것을 의미하며, 정량적 이미징을 수행하려면 카메라에 정기적인 보정이 필요합니다.

● 짧은 시간 동안 노출이 일정하지 않음: 매우 짧은 노출 시간을 사용하는 경우 EMCCD 카메라는 약한 신호가 노이즈에 의해 압도되고 증폭 과정에서 통계적 변동이 발생하기 때문에 일관되지 않은 결과를 얻을 수 있습니다.

● 높은 냉각 요구 사항: 전자 증폭 과정은 온도의 영향을 크게 받습니다. 센서를 냉각하면 가용 전자 증폭률이 증가합니다. 따라서 온도 안정성을 유지하면서 센서를 심층적으로 냉각하는 것이 재현 가능한 EMCCD 측정에 매우 중요합니다.

● 비용이 많이 든다: 이러한 다중 구성 요소 센서의 제조가 어렵고 냉각이 심화되어 일반적으로 최고 품질의 sCMOS 센서 카메라보다 가격이 높습니다.

● 제한된 수명: 전자 증폭 붕괴로 인해 이러한 값비싼 센서의 수명은 일반적으로 사용 수준에 따라 5~10년으로 제한됩니다.

● 수출의 어려움: EMCCD 센서의 수입 및 수출은 군사적 응용 분야에서의 잠재적인 사용으로 인해 물류적으로 어려움을 겪는 경향이 있습니다.

EMCCD가 CCD의 후속 제품인 이유

특징	CCD	EMCCD
감광도	높은	매우 높음 (특히 낮은 조명)
판독 노이즈	보통의	매우 낮음(이득으로 인해)
다이나믹 레인지	높은	중간(이득에 의해 제한됨)
비용	낮추다	더 높은
냉각	선택 과목	일반적으로 최적의 성능을 위해 필요합니다
사용 사례	일반 영상	저조도, 단일 광자 감지

EMCCD 센서는 기존 CCD 기술을 기반으로 전자 증폭 단계를 통합하여 구축되었습니다. 이를 통해 약한 신호를 증폭하고 노이즈를 줄이는 능력이 향상되어, CCD 센서로는 부족한 초저조도 이미징 애플리케이션에 EMCCD가 선호됩니다.

EMCCD 센서의 주요 응용 분야

EMCCD 센서는 높은 감도와 미약한 신호를 감지하는 능력이 필요한 과학 및 산업 분야에서 일반적으로 사용됩니다.

● 생명과학 이매진g: 단일 분자 형광 현미경 및 전반사 형광(TIRF) 현미경과 같은 응용 분야에 사용됩니다.
● 천문학: 먼 별, 은하, 외계 행성의 희미한 빛을 포착하는 데 사용됩니다.
● 양자광학: 광자 얽힘과 양자 정보 실험에 사용됨.

● 법의학 및 보안: 저조도 감시 및 미량 증거 분석에 사용됩니다.
● 분광학: 라만 분광법과 저강도 형광 검출.

EMCCD 센서를 언제 선택해야 할까요?

최근 몇 년간 CMOS 센서가 발전함에 따라 EMCCD 센서의 판독 노이즈 이점은 약화되었습니다. 이제 sCMOS 카메라도 서브전자 판독 노이즈를 비롯한 다양한 이점을 제공할 수 있게 되었습니다. 이전에 EMCCD를 사용한 애플리케이션이 있다면, sCMOS의 발전을 고려할 때 EMCCD가 최선의 선택인지 검토해 볼 가치가 있습니다.

역사적으로 EMCCD는 피크에서 픽셀당 3~5e- 미만의 일반적인 신호 레벨을 갖는 몇몇 다른 틈새 응용 분야와 함께 광자 계수를 더 성공적으로 수행할 수 있었습니다. 하지만 더 큰 픽셀 크기와 전자 이하 판독 노이즈가 사용 가능해짐에 따라과학용 카메라sCMOS 기술을 기반으로 이러한 애플리케이션도 머지않아 고성능 sCMOS로 수행될 가능성이 있습니다.

자주 묻는 질문

프레임 전송 카메라의 최소 노출 시간은 얼마입니까?

EMCCD를 포함한 모든 프레임 전송 센서에서 가능한 최소 노출 시간은 복잡한 문제입니다. 단일 이미지 획득의 경우, 획득된 전하를 마스크 영역으로 옮겨 매우 빠르게 판독함으로써 노출을 종료할 수 있으며, 짧은(마이크로초 미만) 최소 노출 시간도 가능합니다.

그러나 카메라가 최대 속도로 스트리밍하는 순간, 즉 여러 프레임/동영상을 최대 프레임 속도로 촬영하는 순간, 첫 번째 이미지 노출이 끝나는 순간, 마스크된 영역은 판독이 완료될 때까지 해당 프레임으로 채워집니다. 따라서 노출은 종료될 수 없습니다. 즉, 소프트웨어에서 요청하는 노출 시간과 관계없이, 최대 속도로 촬영하는 다중 프레임 촬영의 첫 번째 프레임 이후 후속 프레임의 실제 노출 시간은 카메라의 프레임 시간, 즉 1/프레임 속도로 결정됩니다.

sCMOS 기술이 EMCCD 센서를 대체할 것인가?

EMCCD 카메라는 극저조도 이미징 시나리오(최대 신호 레벨이 광전자 5개 이하)에서 우위를 유지하는 데 도움이 되는 두 가지 사양을 갖추고 있습니다. 첫째, 최대 16μm의 큰 픽셀 크기, 둘째, 1e- 미만의 판독 노이즈입니다.

새로운 세대의sCMOS 카메라EMCCD의 수많은 단점, 특히 과도한 노이즈 계수 없이 동일한 특성을 제공하는 카메라가 등장했습니다. 투센(Tucsen)의 Aries 16과 같은 카메라는 0.8e-의 읽기 노이즈를 가진 16μm 후면 조명 픽셀을 제공합니다. 낮은 노이즈와 '기본적으로' 큰 픽셀을 제공하는 이 카메라는 비닝과 읽기 노이즈 간의 관계로 인해 대부분의 비닝된 sCMOS 카메라보다 성능이 뛰어납니다.

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