25/08/01CCD сензорот за множење на електрони е еволуција на CCD сензорот за да се овозможи работа при помала светлина. Тие обично се наменети за сигнали од неколку стотици фотоелектрони, сè до нивото на броење на поединечни фотони.
Оваа статија објаснува што се EMCCD сензори, како функционираат, нивните предности и недостатоци и зошто се сметаат за следната еволуција на CCD технологијата за снимање при слаба осветленост.
Што е EMCCD сензор?
Сензорот за уред за поврзување со електронски множење на полнеж (EMCCD) е специјализиран тип на CCD сензор кој ги засилува слабите сигнали пред да бидат прочитани, овозможувајќи екстремно висока чувствителност во средини со слаба осветленост.
Првично развиени за апликации како што се астрономијата и напредната микроскопија, EMCCD можат да детектираат единечни фотони, задача со која традиционалните CCD сензори се мачат. Оваа способност за детектирање на поединечни фотони ги прави EMCCD клучни за полињата што бараат прецизно снимање при многу ниски нивоа на светлина.
Како функционираат EMCCD сензорите?
До точката на отчитување, EMCCD сензорите работат на истите принципи како и CCD сензорите. Сепак, пред мерењето со ADC, детектираните полнежи се множат преку процес наречен импакционизација, во „регистар за множење на електрони“. Во текот на серија од неколку стотици чекори, полнежите од пиксел се движат по серија маскирани пиксели при висок напон. Секој електрон во секој чекор има шанса да донесе дополнителни електрони. Затоа, сигналот се множи експоненцијално.
Крајниот резултат на добро калибриран EMCCD е можноста за избор на прецизна количина на просечно множење, обично околу 300 до 400 за работа при слаба осветленост. Ова им овозможува на откриените сигнали да се множат многу повисоко од шумот при читање на камерата, со што всушност се намалува шумот при читање на камерата. За жал, стохастичката природа на овој процес на множење значи дека секој пиксел се множи со различна количина, што воведува дополнителен фактор на шум, намалувајќи го односот сигнал-шум (SNR) на EMCCD.
Еве еден преглед на тоа како функционираат EMCCD сензорите. До Чекор 6, процесот е ефикасно ист како оној за CCD сензорите.
Слика: Процес на отчитување за EMCCD сензор
На крајот од нивната изложеност, EMCCD сензорите прво брзо ги преместуваат собраните полнежи во маскиран низ од пиксели со исти димензии како низата чувствителна на светлина (пренос на кадар). Потоа, еден ред одеднаш, полнежите се преместуваат во регистар за отчитување. Една колона одеднаш, полнежите во регистарот за отчитување се пренесуваат во регистар за множење. Во секоја фаза од овој регистар (до 1000 фази кај реални EMCCD камери), секој електрон има мала шанса да ослободи дополнителен електрон, множејќи го сигналот експоненцијално. На крајот, се отчитува множениот сигнал.
1. Чистење на трошоциЗа да започне снимањето, полнењето се брише истовремено од целиот сензор (глобален затворач).
2. Акумулација на полнеж: Полнежот се акумулира за време на експозицијата.
3. Складирање на полнењеПо експозицијата, собраните полнежи се преместуваат во маскирана област на сензорот, каде што можат да чекаат отчитување без да се бројат нови детектирани фотони. Ова е процес на „Пренос на кадар“.
4. Следна експозиција на кадарСо детектираните полнежи складирани во маскираните пиксели, активните пиксели можат да ја започнат експозицијата на следниот кадар (режим на преклопување).
5. Процес на читањеРед по ред, полнежите за секој ред од завршената рамка се преместуваат во „регистар за отчитување“.
6. Колона по колона, полнежите од секој пиксел се пренесуваат во јазолот за отчитување.
7. Множење на електрониПотоа, сите електронски полнежи од пикселот влегуваат во регистарот за множење на електрони и се движат чекор по чекор, множејќи се експоненцијално во секој чекор.
8. ОтчитувањеПомножениот сигнал го чита ADC, а процесот се повторува сè додека не се прочита целата рамка.
Предности и недостатоци на EMCCD сензорите
Предности на EMCCD сензорите
| Предност | Опис |
| Броење на фотони | Детектира поединечни фотоелектрони со ултра низок шум за читање (<0,2e⁻), овозможувајќи чувствителност на еден фотон. |
| Ултра-ниска чувствителност на светлина | Значително подобар од традиционалните CCD, понекогаш надминувајќи ги дури и врвните sCMOS камери при многу ниски нивоа на осветленост. |
| Ниска темна струја | Длабокото ладење го намалува термичкиот шум, овозможувајќи почисти слики за време на долги експозиции. |
| „Полуглобален“ затворач | Преносот на слики овозможува речиси глобална експозиција со многу брзо поместување на полнежот (~1 микросекунда). |
● Броење на фотониСо доволно високо множење на електрони, шумот од читање може практично да се елиминира (<0,2e-). Ова, заедно со високата вредност на засилување и речиси совршената квантна ефикасност, значи дека е можно да се разликуваат поединечни фотоелектрони.
● Ултра-ниска чувствителност на светлинаВо споредба со CCD, перформансите на EMCCD при слаба осветленост се драстично подобри. Може да има некои апликации каде што EMCCD обезбедува подобар капацитет за детекција и контраст дури и од high-end sCMOS при најниски можни нивоа на осветленост.
● Ниска темна струјаКако и кај CCD, EMCCD-ата обично се ладат длабоко и можат да испорачаат многу ниски вредности на темна струја.
● „Полуглобален“ блендаПроцесот на пренос на слики за почеток и крај на експозицијата не е навистина истовремен, туку обично трае околу 1 микросекунда.
Недостатоци на EMCCD сензорите
| Недостаток | Опис |
| Ограничена брзина | Максималните брзини на слики (~30 fps при 1 MP) се многу побавни од модерните CMOS алтернативи. |
| Засилување на шум | Случајната природа на множењето на електрони воведува вишок шум, намалувајќи го SNR. |
| Часовно-индуциран полнеж (CIC) | Брзото полнење може да воведе лажни сигнали кои се засилуваат. |
| Намален динамички опсег | Високото засилување го намалува максималниот сигнал што сензорот може да го обработи пред заситување. |
| Голема големина на пиксели | Вообичаените големини на пикселите (13–16 μm) може да не се совпаѓаат со многу барања на оптичкиот систем. |
| Потреба за силно ладење | Потребно е стабилно длабоко ладење за да се постигне конзистентно множење и низок шум. |
| Потреби за калибрација | ЕМ засилувањето се влошува со текот на времето (множењечко распаѓање), што бара редовна калибрација. |
| Нестабилност на кратка експозиција | Многу кратките експозиции можат да предизвикаат непредвидливо засилување на сигналот и шум. |
| Висока цена | Комплексното производство и длабокото ладење ги прават овие сензори поскапи од sCMOS. |
| Ограничен животен век | Регистарот за множење на електрони се истрошува, обично трае 5-10 години. |
| Предизвици за извоз | Подлежи на строги прописи поради потенцијална воена примена. |
● Ограничена брзинаБрзите EMCCD сензори обезбедуваат околу 30 fps при 1 MP, слично на CCD сензорите, многу побавно од CMOS фотоапаратите.
● Вовед во бучавата„Факторот на вишок шум“ предизвикан од случајното множење на електроните, во споредба со sCMOS камера со низок шум со иста квантна ефикасност, може да им даде на EMCCD драстично поголем шум во зависност од нивоата на сигналот. SNR за high-end sCMOS е обично подобар за сигнали од околу 3e-, а уште повеќе за повисоки сигнали.
● Часовно-индуциран полнеж (CIC)Доколку не се контролира внимателно, движењето на полнежите низ сензорот може да внесе дополнителни електрони во пикселите. Овој шум потоа се множи со регистарот за множење на електрони. Повисоките брзини на движење на полнежите (фреквенции на часовникот) водат до повисоки стапки на слики, но поголем CIC.
● Намален динамички опсегМногу високите вредности на множење на електрони потребни за надминување на шумот од читање на EMCCD доведуваат до многу намален динамички опсег.
● Голема големина на пикселиНајмалата вообичаена големина на пиксел за EMCCD камерите е 10 μm, но 13 или 16 μm е најчеста. Ова е премногу големо за да ги задоволи барањата за резолуција на повеќето оптички системи.
● Потребни услови за калибрацијаПроцесот на множење на електрони го истрошува ЕМ регистарот со употреба, намалувајќи ја неговата способност за множење во процес наречен „распаѓање на множењето на електрони“. Ова значи дека засилувањето на камерата постојано се менува и на камерата ѝ е потребна редовна калибрација за да изврши какво било квантитативно снимање.
● Неконзистентна изложеност во кратки временски периодиПри користење на многу кратки времиња на експозиција, EMCCD камерите може да дадат неконзистентни резултати бидејќи слабиот сигнал е преоптоварен од шум, а процесот на засилување воведува статистички флуктуации.
● Потреба за силно ладењеПроцесот на множење на електрони е силно под влијание на температурата. Ладењето на сензорот го зголемува расположивото множење на електрони. Затоа, длабокото ладење на сензорот, а воедно и одржувањето на стабилноста на температурата, е клучно за репродуцибилни мерења на EMCCD.
● Висока ценаТешкотијата при производство на овие повеќекомпонентни сензори, во комбинација со длабоко ладење, доведува до цени обично повисоки од камерите со sCMOS сензори со највисок квалитет.
● Ограничен животен векРаспаѓањето при множење на електрони става ограничување на животниот век на овие скапи сензори, обично од 5-10 години, во зависност од нивото на употреба.
● Предизвици за извозУвозот и извозот на EMCCD сензори има тенденција да биде логистички предизвикувачки поради нивната потенцијална употреба во воени апликации.
Зошто EMCCD е наследник на CCD
| Карактеристика | CCD | ЕМЦД |
| Чувствителност | Висок | Ултра-висок (особено слаба светлина) |
| Шум на отчитување | Умерено | Исклучително ниско (поради засилување) |
| Динамички опсег | Висок | Умерено (ограничено со засилување) |
| Цена | Долна | Повисоко |
| Ладење | Опционално | Типично е потребно за оптимални перформанси |
| Случаи на употреба | Општо снимање | Детекција на еден фотон при слаба светлина |
EMCCD сензорите се градат врз основа на традиционалната CCD технологија со вклучување на чекор на множење на електрони. Ова ја подобрува способноста за засилување на слабите сигнали и намалување на шумот, што ги прави EMCCD сензорите претпочитан избор за апликации за снимање при екстремно слаба осветленост каде што CCD сензорите не се во можност да ги совладаат.
Клучни примени на EMCCD сензорите
EMCCD сензорите најчесто се користат во научни и индустриски области каде што е потребна висока чувствителност и способност за откривање на слаби сигнали:
● Имагинација за животни наукиg: За апликации како што се микроскопија со флуоресценција на еден молекул и микроскопија со тотална внатрешна рефлексија на флуоресценција (TIRF).
● АстрономијаСе користи за снимање на слаба светлина од далечни ѕвезди, галаксии и истражување на егзопланети.
● Квантна оптикаЗа експерименти со заплеткување на фотони и квантни информации.
● Форензика и безбедностВработен во надзор при слаба осветленост и анализа на докази од траги.
● СпектроскопијаВо Рамановата спектроскопија и детекција на флуоресценција со низок интензитет.
Кога треба да изберете EMCCD сензор?
Со подобрувањата на CMOS сензорите во последниве години, предноста на шумот за читање на EMCCD сензорите се намали, бидејќи сега дури и sCMOS камерите се способни за субеелектронски шум за читање, заедно со огромен спектар на други придобивки. Доколку некоја апликација претходно користела EMCCD, вреди да се разгледа дали ова е најдобриот избор со оглед на развојот на sCMOS.
Историски гледано, EMCCD-ите сè уште можеле поуспешно да вршат броење на фотони, заедно со неколку други нишни апликации со типични нивоа на сигнал помали од 3-5e- по пиксел при врв. Сепак, со поголемите големини на пикселите и шумот за читање поделектрони, станува достапен вонаучни камериВрз основа на sCMOS технологијата, можно е и овие апликации наскоро да се извршуваат со врвен sCMOS.
Најчесто поставувани прашања
Кое е минималното време на експозиција за камерите со пренос на слики?
За сите сензори за пренос на слики, вклучувајќи ги и EMCCD, прашањето за минималното можно време на експозиција е комплицирано. За аквизиции на единечна слика, експозицијата може да се заврши со брзо преместување на добиените полнежи во маскираната област за отчитување, а можни се и кратки (под микросекундни) минимални времиња на експозиција.
Сепак, штом камерата почне да снима со полна брзина, т.е. снима повеќе слики / филм со полна брзина на слики, штом првата слика заврши со експозицијата, маскираната област е окупирана од таа слика сè додека не се заврши читањето. Затоа, експозицијата не може да заврши. Ова значи дека, без оглед на времето на експозиција побарано во софтверот, вистинското време на експозиција на следните слики по првата од снимањето со повеќе слики со полна брзина е дадено со времето на сликите, т.е. 1 / брзина на слики, на камерата.
Дали sCMOS технологијата ги заменува EMCCD сензорите?
EMCCD камерите имаа две спецификации што им помогнаа да ја задржат својата предност во сценарија за снимање со екстремно слаба светлина (со врвни нивоа на сигнал од 5 фотоелектрони или помалку). Прво, нивните големи пиксели, до 16 μm, и второ, нивниот шум при читање <1e.
Нова генерација наsCMOS камераСе појави модел кој ги нуди истите карактеристики, без бројните недостатоци на EMCCD, особено факторот на прекумерен шум. Камерите како Aries 16 од Тусен нудат пиксели со задно осветлување од 16 μm со шум за читање од 0,8e-. Со низок шум и „природно“ големи пиксели, овие камери исто така ги надминуваат повеќето спакувани sCMOS камери, поради врската помеѓу спакувањето и шумот за читање.
Доколку сакате да дознаете повеќе за EMCCD, кликнете на:
Може ли EMCCD да се замени и дали некогаш би го сакале тоа?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Сите права се задржани. При цитирање, ве молиме наведете го изворот:www.tucsen.com
