25/08/01Den Elektronen-Multiplizéierenden CCD-Sensor ass eng Evolutioun vum CCD-Sensor fir de Betrib bei manner Liicht ze erméiglechen. Si sinn typescherweis fir Signaler vun e puer honnert Photoelektronen geduecht, bis op den Niveau vun den eenzelne Photonenzielen.
Dësen Artikel erkläert wat EMCCD-Sensore sinn, wéi se funktionéieren, hir Vir- an Nodeeler, a firwat se als déi nächst Evolutioun vun der CCD-Technologie fir d'Bildgebung bei wéineg Liicht ugesi ginn.
Wat ass en EMCCD-Sensor?
En Electron-Multiplying Charge-Coupled Device (EMCCD) Sensor ass eng spezialiséiert Aart vu CCD Sensor, deen schwaach Signaler verstärkt, ier se ausgelies ginn, wat eng extrem héich Empfindlechkeet a schlecht beliichten Ëmfeld erméiglecht.
Ufanks entwéckelt fir Uwendungen ewéi Astronomie a fortgeschratt Mikroskopie, kënnen EMCCDs eenzel Photonen detektéieren, eng Aufgab mat där traditionell CCD-Sensore Schwieregkeeten hunn. Dës Fäegkeet fir eenzel Photonen ze detektéieren mécht EMCCDs entscheedend fir Felder déi präzis Bildgebung bei ganz niddrege Liichtniveauen erfuerderen.
Wéi funktionéieren EMCCD-Sensoren?
Bis zum Ausliesen funktionéieren EMCCD-Sensore no de selwechte Prinzipien wéi CCD-Sensore. Virun der Miessung mam ADC ginn déi detektéiert Ladungen awer duerch e Prozess, deen Impaktioniséierung genannt gëtt, an engem 'Elektronemultiplikatiounsregister' multiplizéiert. Iwwer eng Serie vu verschiddenen honnert Schrëtt ginn d'Ladungen vun engem Pixel laanscht eng Serie vu maskéierte Pixelen mat héijer Spannung beweegt. All Elektron huet bei all Schrëtt d'Chance, zousätzlech Elektronen matzehuelen. D'Signal gëtt dofir exponentiell multiplizéiert.
D'Ennresultat vun engem gutt kalibréierten EMCCD ass d'Fäegkeet, eng präzis Quantitéit vun der duerchschnëttlecher Multiplikatioun ze wielen, typescherweis ongeféier 300 bis 400 fir Aarbecht bei schwaachem Liicht. Dëst erméiglecht et, d'Signaler, déi detektéiert ginn, vill méi héich ze multiplizéieren wéi de Liesrauschen vun der Kamera, wat effektiv de Liesrauschen vun der Kamera reduzéiert. Leider bedeit déi stochastesch Natur vun dësem Multiplikatiounsprozess, datt all Pixel mat enger anerer Quantitéit multiplizéiert gëtt, wat en zousätzleche Rauschfaktor aféiert an de Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) vum EMCCD reduzéiert.
Hei ass eng Iwwersiicht iwwer d'Funktiounsweis vun EMCCD-Sensoren. Bis Schrëtt 6 ass de Prozess am Fong dee selwechte wéi dee fir CCD-Sensoren.
Um Enn vun hirer Beliichtung réckelen d'EMCCD-Sensore fir d'éischt séier déi gesammelt Ladungen an eng maskéiert Array vu Pixelen, déi déiselwecht Dimensiounen hunn wéi déi liichtempfindlech Array (Frame Transfer). Dann ginn d'Ladungen, eng Rei no der anerer, an en Ausliesregister geréckelt. Eng Kolonn no der anerer ginn d'Ladungen am Ausliesregister un e Multiplikatiounsregister weidergeleet. Op all Etapp vun dësem Register (bis zu 1000 Etappen a richtegen EMCCD-Kameraen) huet all Elektron eng kleng Chance, en zousätzlechen Elektron fräizesetzen, wouduerch de Signal exponentiell multiplizéiert gëtt. Um Enn gëtt dat multiplizéiert Signal ausgelies.
1. KäschtevereinfachungFir d'Erfassung unzefänken, gëtt d'Ladung gläichzäiteg vum ganze Sensor geläscht (globalen Ausléiser).
2. LadungsakkumulatiounLadung sammelt sech während der Beliichtung un.
3. Späicherung vun der LadungNo der Beliichtung ginn déi gesammelt Ladungen an e maskéierte Beräich vum Sensor geréckelt, wou se op d'Ausliesung waarden kënnen, ouni datt nei detektéiert Photonen gezielt ginn. Dëst ass de 'Frame Transfer'-Prozess.
4. Beliichtung vum nächste BildMat den detektéierte Ladungen, déi an de maskéierte Pixel gespäichert sinn, kënnen déi aktiv Pixel d'Beliichtung vum nächste Bild ufänken (Iwwerlappungsmodus).
5. AusliesprozessEng Zeil gläichzäiteg ginn d'Käschte fir all Zeil vum fäerdege Frame an e 'Ausliesregister' geréckelt.
6. Eng Kolonn gläichzäiteg ginn d'Ladungen vun all Pixel an den Ausliesknuet geschéckt.
7. ElektronenmultiplikatiounDuerno ginn all Elektroneladungen aus dem Pixel an den Elektronemultiplikatiounsregister a beweege sech Schrëtt fir Schrëtt weider, wouduerch se sech bei all Schrëtt exponentiell an der Zuel multiplizéieren.
8. AusliesungDe multiplizéierte Signal gëtt vum ADC gelies, an de Prozess gëtt widderholl, bis de ganze Frame ausgelies ass.
Vir- an Nodeeler vun EMCCD-Sensoren
Virdeeler vun EMCCD Sensoren
| Virdeel | Beschreiwung |
| Photonenzielung | Detektéiert eenzel Photoelektrone mat ultra-niddregem Liesrauschen (<0,2e⁻), wat eng Empfindlechkeet vun eenzelne Photonen erméiglecht. |
| Ultra-Low-Light Sensibilitéit | Däitlech besser wéi traditionell CCDen, a iwwertrëfft heiansdo souguer High-End sCMOS Kameraen bei ganz niddrege Liichtniveauen. |
| Niddreg donkel Stroum | Déif Ofkillung reduzéiert thermescht Geräischer, wat méi kloer Biller bei laangen Beliichtungszäiten erméiglecht. |
| 'Halbglobal' Shutter | Frame Transfer erméiglecht eng bal global Beliichtung mat ganz schneller Ladungsverschiebung (~1 Mikrosekonn). |
● PhotonenzielungMat enger genuch héijer Elektronenmultiplikatioun kann Liesrauschen praktesch eliminéiert ginn (<0,2e-). Dëst, zesumme mam héije Verstärkungswäert an der bal perfekter Quanteneffizienz, bedeit datt d'Ënnerscheedung vun eenzelne Photoelektronen méiglech ass.
● Empfindlechkeet fir extrem niddreg LiichtAm Verglach mat CCDs ass d'Leeschtung vun EMCCDs bei schwaachem Liicht däitlech besser. Et kann Uwendungen ginn, wou EMCCDs eng besser Detektiounskapazitéit a Kontrast ubidden, och wéi High-End sCMOS bei de niddregst méigleche Liichtniveauen.
● Niddreg DäischterstroumWéi CCDs sinn EMCCDs typescherweis déif gekillt a fäeg ganz niddreg Däischterstroumwäerter ze liwweren.
● 'Hallef global' VerschlussDe Prozess vun der Bildtransfer fir d'Beliichtung unzefänken an ze beenden ass net wierklech gläichzäiteg, mä dauert typescherweis ongeféier 1 Mikrosekonn.
Nodeeler vun EMCCD Sensoren
| Nodeel | Beschreiwung |
| Limitéiert Geschwindegkeet | Maximal Bildfrequenzen (~30 fps bei 1 MP) si vill méi lues wéi modern CMOS-Alternativen. |
| Verstärkungsrauschen | Déi zoufälleg Natur vun der Elektronemultiplikatioun bréngt ze vill Rauschen mat sech, wat den SNR reduzéiert. |
| Auer-induzéiert Ladung (CIC) | Schnell Ladungsbewegung kann falsch Signaler aféieren, déi verstäerkt ginn. |
| Reduzéierten dynamesche Beräich | En héije Gain reduzéiert dat maximalt Signal, dat de Sensor veraarbechte kann, ier en gesättigt gëtt. |
| Grouss Pixelgréisst | Gewéinlech Pixelgréissten (13–16 μm) stëmmen eventuell net mat ville optesche Systemufuerderungen iwwereneen. |
| Schwéier Ofkillungsfuerderung | Eng stabil Déifkillung ass noutwendeg fir eng konsequent Multiplikatioun an e gerénge Kaméidi z'erreechen. |
| Kalibratiounsbedürfnisser | Den EM-Gewënn verschlechtert sech mat der Zäit (Multiplikatiounszerfall), wat eng reegelméisseg Kalibrierung erfuerdert. |
| Instabilitéit bei kuerzer Beliichtungszäit | Ganz kuerz Beliichtungszäite kënnen onberechenbar Signalverstärkung a Rauschen verursaachen. |
| Héich Käschten | Komplex Fabrikatioun a grouss Ofkillung maachen dës Sensoren méi deier wéi sCMOS. |
| Limitéiert Liewensdauer | Den Elektronemultiplikatiounsregister verschleeft sech, typescherweis fir 5-10 Joer. |
| Export Erausfuerderungen | Ënnerworf strenge Reglementer wéinst potenziellen militäreschen Uwendungen. |
● Limitéiert GeschwindegkeetSchnell EMCCDs liwweren ongeféier 30 fps bei 1 MP, ähnlech wéi CCDs, Gréisstenuerdnungen méi lues wéi CMOS-Kameraen.
● Kaméidi AféierungDe 'iwwerschëssege Rauschfaktor', deen duerch d'Zoufallselektronenmultiplikatioun verursaacht gëtt, kann, am Verglach mat enger sCMOS-Kamera mat geréngem Rauschen an der selwechter Quanteneffizienz, EMCCDen drastesch méi héije Rauschen ofhängeg vum Signalniveau verursaachen. Den SNR fir High-End sCMOS ass typescherweis besser fir Signaler vu ronn 3e-, nach méi fir méi héich Signaler.
● Auerinduzéiert Ladung (CIC)Wann d'Beweegung vu Ladungen iwwer de Sensor net suergfälteg kontrolléiert gëtt, kann dës zousätzlech Elektronen an d'Pixel aféieren. Dëse Rauschen gëtt dann mam Elektronenmultiplikatiounsregister multiplizéiert. Méi héich Ladungsbeweegungsgeschwindegkeeten (Taktfrequenzen) féieren zu méi héije Bildfrequenzen, awer zu méi CIC.
● Reduzéierten dynamesche BeräichDéi ganz héich Elektronemultiplikatiounswäerter, déi néideg sinn, fir den EMCCD-Liesrauschen ze iwwerwannen, féieren zu engem staark reduzéierten dynamesche Beräich.
● Grouss PixelgréisstDéi klengst üblech Pixelgréisst fir EMCCD-Kameraen ass 10 μm, awer 13 oder 16 μm sinn am heefegsten. Dëst ass vill ze grouss fir den Opléisungsufuerderunge vun de meeschten optesche Systemer gerecht ze ginn.
● KalibrierungsufuerderungenDe Prozess vun der Elektronenmultiplikatioun verschleudert den EM-Register mam Gebrauch, wouduerch seng Fäegkeet sech ze multiplizéieren an engem Prozess, deen "Elektronenmultiplikatiounszerfall" genannt gëtt, reduzéiert gëtt. Dëst bedeit, datt de Verstärkungsgrad vun der Kamera sech stänneg ännert, an d'Kamera brauch eng reegelméisseg Kalibrierung fir quantitativ Biller duerchzeféieren.
● Onkonsequent Beliichtung zu kuerzen ZäitenWann ganz kuerz Beliichtungszäiten benotzt ginn, kënnen EMCCD-Kameraen onbestänneg Resultater produzéieren, well dat schwaacht Signal duerch Rauschen iwwerwältegt gëtt an de Verstärkungsprozess statistesch Schwankungen verursaacht.
● Schwéier OfkillungsbedarfDe Prozess vun der Elektronenmultiplikatioun gëtt staark vun der Temperatur beaflosst. D'Ofkillung vum Sensor erhéicht déi verfügbar Elektronenmultiplikatioun. Dofir ass eng déif Sensorofkillung wärend d'Temperaturstabilitéit erhale bleift entscheedend fir reproduzéierbar EMCCD-Miessungen.
● Héich KäschtenD'Schwieregkeet bei der Fabrikatioun vun dëse Multikomponentsensoren, kombinéiert mat der Déifkillung, féiert zu Präisser, déi typescherweis méi héich sinn wéi déi vun de qualitativ héichwäertegsten sCMOS-Sensorkameraen.
● Limitéiert LiewensdauerDen Zerfall vun der Elektronemultiplikatioun limitéiert d'Liewensdauer vun dësen deieren Sensoren, normalerweis 5-10 Joer, ofhängeg vum Gebrauchsniveau.
● Erausfuerderunge beim ExportDen Import an den Export vun EMCCD-Sensoren ass dacks logistesch eng Erausfuerderung wéinst hirem potenziellen Asaz a militäreschen Uwendungen.
Firwat EMCCD den Nofollger vum CCD ass
| Fonktioun | CCD | EMCCD |
| Sensibilitéit | Héich | Ultrahéich (besonnesch mat wéineg Liicht) |
| Ausliesgeräischer | Mëttelméisseg | Extrem niddreg (wéinst dem Gewënn) |
| Dynamesche Beräich | Héich | Mëttel (limitéiert duerch Gewënn) |
| Käschten | ënneschten | Méi héich |
| Ofkillung | Optional | Typesch noutwendeg fir optimal Leeschtung |
| Benotzungsfäll | Allgemeng Bildgebung | Detektioun vun engem Eenzelphoton bei schwaachem Liicht |
EMCCD-Sensore baséieren op der traditioneller CCD-Technologie andeems se en Elektronemultiplikatiounsschritt integréieren. Dëst verbessert d'Fäegkeet, schwaach Signaler ze verstäerken a Rauschen ze reduzéieren, wat EMCCDen zur bevorzugter Wiel fir Bildgebungsapplikatiounen mat extrem schwaachem Liicht mécht, wou CCD-Sensore net genuch sinn.
Schlësselapplikatioune vun EMCCD-Sensoren
EMCCD-Sensore ginn dacks a wëssenschaftlechen an industrielle Beräicher benotzt, déi eng héich Empfindlechkeet an d'Fäegkeet erfuerderen, schwaach Signaler z'entdecken:
● Liewenswëssenschaftlech Imaginatioung: Fir Uwendungen ewéi Eenzelmolekülfluoreszenzmikroskopie a Mikroskopie vun der totaler interner Reflexiounsfluoreszenz (TIRF).
● AstronomieBenotzt fir schwaacht Liicht vu wäiten Stären, Galaxien an Exoplanéitfuerschung opzehuelen.
● QuanteoptikFir Photonenverstrenglung an Quanteninformatiounsexperimenter.
● Forensik a SécherheetBenotzt fir d'Iwwerwaachung bei schlechtem Liicht an d'Analyse vu Spurebeweiser.
● SpektroskopieAn der Raman-Spektroskopie an der Detektioun vun der Fluoreszenz mat gerénger Intensitéit.
Wéini sollt Dir en EMCCD Sensor wielen?
Mat de Verbesserunge vun de CMOS-Sensoren an de leschte Joren ass de Virdeel vun den EMCCD-Sensoren beim Liesrauschen erofgaangen, well elo souguer sCMOS-Kameraen fäeg sinn, Subelektronenrauschen ze liesen, nieft enger breeder Palette vun anere Virdeeler. Wann eng Applikatioun schonn EMCCDs benotzt huet, ass et derwäert ze iwwerpréiwen, ob dëst déi bescht Wiel ass, wann een d'Entwécklungen am sCMOS berécksiichtegt.
Historesch gesinn konnten EMCCDen nach ëmmer méi erfollegräich Photonenzielen duerchféieren, zesumme mat e puer aneren Nischenapplikatiounen mat typesche Signalniveauen vun manner wéi 3-5e- pro Pixel um Maximum. Och wann, mat gréissere Pixelgréissten a Subelektronenliesrauschen, déi verfügbar sinn anwëssenschaftlech KameraenBaséierend op der sCMOS-Technologie ass et méiglech, datt och dës Applikatioune geschwënn mat High-End sCMOS ausgefouert kënne ginn.
FAQs
Wat ass déi minimal Beliichtungszäit fir Frame Transfer Kameraen?
Fir all Bildtransfersensoren, och EMCCDen, ass d'Fro vun der minimal méiglecher Beliichtungszäit eng komplizéiert. Fir Eenzelbildopname kann d'Beliichtung ofgeschloss ginn, andeems déi opgeholl Ladungen ganz séier an de maskéierte Beräich fir d'Ausliesung gemëscht ginn, a kuerz (ënner enger Mikrosekond) minimal Beliichtungszäite si méiglech.
Soubal d'Kamera awer mat voller Geschwindegkeet streamt, dat heescht, datt se verschidde Biller / e Film mat voller Bildfrequenz ophëlt, gëtt déi maskéiert Regioun, soubal d'Beliichtung vum éischte Bild fäerdeg ass, vun deem Bild besat, bis d'Ausliesung ofgeschloss ass. D'Beliichtung kann dofir net ophalen. Dëst bedeit, datt onofhängeg vun der Beliichtungszäit, déi an der Software ugefrot gëtt, déi tatsächlech Beliichtungszäit vun de spéideren Biller nom éischte vun enger Vollgeschwindegkeets-Multi-Frame-Opnam duerch d'Bildzäit, also 1 / Bildfrequenz, vun der Kamera bestëmmt gëtt.
Ersetzt d'sCMOS-Technologie EMCCD-Sensoren?
EMCCD-Kameraen haten zwou Spezifikatiounen, déi gehollef hunn, hire Virdeel a Bildgebungsszenarie mat extrem schwaachem Liicht (mat Peaksignalniveauen vu 5 Photoelektronen oder manner) ze behalen. Éischtens hir grouss Pixel, bis zu 16 μm, an zweetens hire Liesrauschen vu manner wéi 1e.
Eng nei Generatioun vunsCMOS Kameraass entstanen, déi déiselwecht Charakteristiken bitt, ouni déi vill Nodeeler vun EMCCDs, besonnesch de Faktor vun iwwerschëssegem Rauschen. Kameraen wéi d'Aries 16 vun Tucsen bidden 16 μm hannerbeliichte Pixel mat engem Liesrauschen vun 0,8e-. Mat wéineg Rauschen a 'natierlech' grousse Pixelen iwwertrëffen dës Kameraen och déi meescht gebonnen sCMOS Kameraen, wéinst der Bezéiung tëscht Binning a Liesrauschen.
Wann Dir méi iwwer EMCCD wësse wëllt, klickt w.e.g. op:
