EMCCD-sensoren: de opvolger van CCD bij weinig licht |

De elektronenvermenigvuldigende CCD-sensor is een verdere ontwikkeling van de CCD-sensor voor gebruik bij weinig licht. Ze zijn doorgaans bedoeld voor signalen van enkele honderden foto-elektronen, tot op het niveau van de individuele fotonentelling.

In dit artikel wordt uitgelegd wat EMCCD-sensoren zijn, hoe ze werken, wat hun voor- en nadelen zijn en waarom ze worden beschouwd als de volgende stap in CCD-technologie voor beeldvorming bij weinig licht.

Wat is een EMCCD-sensor?

Een Electron-Multiplying Charge-Coupled Device (EMCCD)-sensor is een gespecialiseerd type CCD-sensor die zwakke signalen versterkt voordat ze worden uitgelezen. Hierdoor is een extreem hoge gevoeligheid mogelijk in omgevingen met weinig licht.

Oorspronkelijk ontwikkeld voor toepassingen zoals astronomie en geavanceerde microscopie, kunnen EMCCD's individuele fotonen detecteren, een taak waar traditionele CCD-sensoren moeite mee hebben. Dit vermogen om individuele fotonen te detecteren maakt EMCCD's cruciaal voor vakgebieden die nauwkeurige beeldvorming bij zeer lage lichtniveaus vereisen.

Hoe werken EMCCD-sensoren?

Tot aan de uitlezing werken EMCCD-sensoren volgens dezelfde principes als CCD-sensoren. Vóór de meting met de ADC worden de gedetecteerde ladingen echter vermenigvuldigd via een proces genaamd impactionisatie, in een 'elektronenvermenigvuldigingsregister'. In een reeks van enkele honderden stappen worden de ladingen van een pixel met hoge spanning langs een reeks gemaskeerde pixels verplaatst. Elk elektron bij elke stap heeft de kans om extra elektronen mee te nemen. Het signaal wordt dus exponentieel vermenigvuldigd.

Het eindresultaat van een goed gekalibreerde EMCCD is de mogelijkheid om een precieze hoeveelheid gemiddelde vermenigvuldiging te kiezen, meestal rond de 300 tot 400 voor werk bij weinig licht. Hierdoor kunnen de gedetecteerde signalen veel sterker worden vermenigvuldigd dan de leesruis van de camera, waardoor de leesruis van de camera wordt verminderd. Helaas betekent de stochastische aard van dit vermenigvuldigingsproces dat elke pixel met een andere hoeveelheid wordt vermenigvuldigd, wat een extra ruisfactor introduceert en de signaal-ruisverhouding (SNR) van de EMCCD verlaagt.

Hieronder volgt een overzicht van hoe EMCCD-sensoren werken. Tot stap 6 is het proces in feite hetzelfde als dat voor CCD-sensoren.

Figuur: Uitleesproces voor EMCCD-sensor

Aan het einde van hun belichting verplaatsen EMCCD-sensoren eerst snel de verzamelde ladingen naar een gemaskeerde matrix van pixels met dezelfde afmetingen als de lichtgevoelige matrix (frameoverdracht). Vervolgens worden de ladingen rij voor rij naar een uitleesregister verplaatst. De ladingen in het uitleesregister worden kolom voor kolom doorgegeven aan een vermenigvuldigingsregister. In elke fase van dit register (tot 1000 fasen in echte EMCCD-camera's) heeft elk elektron een kleine kans om een extra elektron vrij te geven, waardoor het signaal exponentieel wordt vermenigvuldigd. Aan het einde wordt het vermenigvuldigde signaal uitgelezen.

1. Kosten vereffenen:Om de opname te starten, wordt de lading gelijktijdig uit de hele sensor verwijderd (globale sluiter).
2. Ladingaccumulatie: Tijdens blootstelling ontstaat er lading.
3. Laadopslag: Na belichting worden de verzamelde ladingen overgebracht naar een gemaskeerd deel van de sensor, waar ze kunnen wachten op uitlezing zonder dat er nieuwe fotonen worden geteld. Dit is het 'Frame Transfer'-proces.
4. Belichting volgend frame:Met de gedetecteerde ladingen die in de gemaskeerde pixels zijn opgeslagen, kunnen de actieve pixels beginnen met de belichting van het volgende frame (overlapmodus).
5. Uitleesproces:De ladingen voor elke rij van het voltooide frame worden één voor één naar een 'uitleesregister' verplaatst.
6. De ladingen van elke pixel worden één kolom per keer naar het uitleesknooppunt gestuurd.
7. Elektronenvermenigvuldiging:Vervolgens komen alle elektronenladingen van de pixel in het elektronenvermenigvuldigingsregister terecht en bewegen zich stap voor stap voort, waarbij hun aantal bij elke stap exponentieel toeneemt.
8. Uitlezen:Het vermenigvuldigde signaal wordt door de ADC gelezen en het proces wordt herhaald totdat het volledige frame is uitgelezen.

Voor- en nadelen van EMCCD-sensoren

Voordelen van EMCCD-sensoren

Voordeel	Beschrijving
Fotonen tellen	Detecteert individuele foto-elektronen met een uiterst lage leesruis (<0,2e⁻), waardoor gevoeligheid voor afzonderlijke fotonen mogelijk is.
Gevoeligheid bij extreem laag licht	Aanzienlijk beter dan traditionele CCD's en soms zelfs beter dan geavanceerde sCMOS-camera's bij zeer lage lichtniveaus.
Lage donkere stroom	Diepe koeling vermindert thermische ruis, waardoor u bij lange belichtingen schonere beelden krijgt.
'Half-globale' sluiter	Frameoverdracht maakt een bijna-globale belichting mogelijk met zeer snelle ladingverschuiving (~1 microseconde).

● Fotonentelling:Met een voldoende hoge elektronenvermenigvuldiging kan leesruis praktisch worden geëlimineerd (<0,2e-). Dit, samen met de hoge versterkingswaarde en de bijna perfecte kwantumefficiëntie, betekent dat het mogelijk is om individuele foto-elektronen te onderscheiden.
● Gevoeligheid voor extreem weinig lichtVergeleken met CCD's zijn de prestaties van EMCCD's bij weinig licht aanzienlijk beter. Er zijn mogelijk toepassingen waarbij EMCCD's zelfs bij de laagst mogelijke lichtniveaus een betere detectiecapaciteit en contrast bieden dan high-end sCMOS.
● Lage donkere stroom:Net als CCD's zijn EMCCD's doorgaans diep gekoeld en kunnen ze zeer lage donkerstroomwaarden leveren.
● 'Half Global'-sluiter:Het proces van frameoverdracht om de belichting te starten en te beëindigen, is niet echt gelijktijdig, maar duurt normaal gesproken ongeveer 1 microseconde.

Nadelen van EMCCD-sensoren

Nadeel	Beschrijving
Beperkte snelheid	De maximale framesnelheden (~30 fps bij 1 MP) zijn veel langzamer dan bij moderne CMOS-alternatieven.
Versterkingsruis	Het willekeurige karakter van elektronenvermenigvuldiging introduceert overtollig ruis, waardoor de signaal-ruisverhouding afneemt.
Klok-geïnduceerde lading (CIC)	Snelle laadbewegingen kunnen valse signalen veroorzaken, die worden versterkt.
Verminderd dynamisch bereik	Een hoge versterking vermindert het maximale signaal dat de sensor kan verwerken voordat het beeld verzadigd raakt.
Grote pixelgrootte	Veelgebruikte pixelgroottes (13–16 μm) voldoen mogelijk niet aan de vereisten van veel optische systemen.
Zware koelbehoefte	Stabiele, diepe koeling is vereist om een consistente vermenigvuldiging en een laag geluidsniveau te bereiken.
Kalibratiebehoeften	De EM-versterking neemt in de loop van de tijd af (vermenigvuldigingsverval), waardoor regelmatige kalibratie noodzakelijk is.
Instabiliteit bij korte blootstelling	Zeer korte belichtingen kunnen onvoorspelbare signaalversterking en ruis veroorzaken.
Hoge kosten	Door de complexe productie en diepe koeling zijn deze sensoren duurder dan sCMOS.
Beperkte levensduur	Het elektronenvermenigvuldigingsregister slijt, wat doorgaans na 5 tot 10 jaar gebeurt.
Exportuitdagingen	Vanwege mogelijke militaire toepassingen gelden er strenge regels.

● Beperkte snelheid:Snelle EMCCD's leveren ongeveer 30 fps bij 1 MP, vergelijkbaar met CCD's, maar zijn vele malen langzamer dan CMOS-camera's.

● Introductie van ruis:De 'overmatige ruisfactor' die wordt veroorzaakt door de willekeurige elektronenvermenigvuldiging, vergeleken met een sCMOS-camera met lage ruis en dezelfde kwantumrendement, kan EMCCD's aanzienlijk meer ruis opleveren, afhankelijk van de signaalsterkte. De signaal-ruisverhouding (SNR) van high-end sCMOS is doorgaans beter voor signalen van rond de 3e-, en nog beter voor hogere signalen.

● Klok-geïnduceerde lading (CIC): Tenzij zorgvuldig gecontroleerd, kan de beweging van ladingen over de sensor extra elektronen in pixels introduceren. Deze ruis wordt vervolgens vermenigvuldigd door het elektronenvermenigvuldigingsregister. Hogere ladingsbewegingssnelheden (kloksnelheden) leiden tot hogere framesnelheden, maar meer CIC.

● Verminderd dynamisch bereik:De zeer hoge waarden van de elektronenvermenigvuldiging die nodig zijn om de EMCCD-leesruis te overwinnen, leiden tot een sterk verminderd dynamisch bereik.

● Grote pixelgrootteDe kleinste pixelgrootte voor EMCCD-camera's is 10 μm, maar 13 of 16 μm is het meest gangbaar. Dit is veel te groot om te voldoen aan de resolutievereisten van de meeste optische systemen.

● Kalibratievereisten: Het proces van elektronenvermenigvuldiging verslijt het EM-register door gebruik, waardoor het vermogen om te vermenigvuldigen afneemt. Dit proces wordt 'elektronenvermenigvuldigingsverval' genoemd. Dit betekent dat de versterking van de camera voortdurend verandert en dat de camera regelmatig moet worden gekalibreerd om kwantitatieve beelden te kunnen maken.

● Inconsistente blootstelling op korte tijden:Bij gebruik van zeer korte belichtingstijden kunnen EMCCD-camera's inconsistente resultaten produceren, omdat het zwakke signaal wordt overstemd door ruis en het versterkingsproces statistische fluctuaties introduceert.

● Zware koelbehoefte: Het proces van elektronenvermenigvuldiging wordt sterk beïnvloed door de temperatuur. Het koelen van de sensor verhoogt de beschikbare elektronenvermenigvuldiging. Diepe koeling van de sensor met behoud van temperatuurstabiliteit is daarom cruciaal voor reproduceerbare EMCCD-metingen.

● Hoge kostenDe moeilijkheidsgraad van de productie van deze sensoren met meerdere componenten, gecombineerd met de diepe koeling, leidt ertoe dat de prijzen doorgaans hoger liggen dan die van de hoogste kwaliteit sCMOS-sensorcamera's.

● Beperkte levensduur:Door het verval door elektronenvermenigvuldiging is de levensduur van deze dure sensoren beperkt. Deze bedraagt doorgaans 5 tot 10 jaar, afhankelijk van het gebruik.

● ExportuitdagingenDe import en export van EMCCD-sensoren vormen vanwege hun potentiële militaire toepassingen vaak een logistieke uitdaging.

Waarom EMCCD de opvolger is van CCD

Functie	CCD	EMCCD
Gevoeligheid	Hoog	Ultrahoog (vooral bij weinig licht)
Uitleesruis	Gematigd	Extreem laag (door winst)
Dynamisch bereik	Hoog	Matig (beperkt door winst)
Kosten	Lager	Hoger
Koeling	Optioneel	Meestal vereist voor optimale prestaties
Gebruiksscenario's	Algemene beeldvorming	Detectie van één foton bij weinig licht

EMCCD-sensoren bouwen voort op traditionele CCD-technologie door een elektronenvermenigvuldigingsstap te integreren. Dit verbetert de mogelijkheid om zwakke signalen te versterken en ruis te verminderen, waardoor EMCCD's de voorkeurskeuze zijn voor toepassingen met extreem weinig licht, waar CCD-sensoren tekortschieten.

Belangrijkste toepassingen van EMCCD-sensoren

EMCCD-sensoren worden veel gebruikt in wetenschappelijke en industriële sectoren waar een hoge gevoeligheid en het vermogen om zwakke signalen te detecteren vereist zijn:

● Levenswetenschappelijke verbeeldingg: Voor toepassingen zoals enkelvoudige-molecuulfluorescentiemicroscopie en totale interne reflectiefluorescentie (TIRF)-microscopie.
● Astronomie: Wordt gebruikt voor het vastleggen van zwak licht van verre sterren, sterrenstelsels en voor onderzoek naar exoplaneten.
● Kwantumoptica: Voor fotonverstrengeling en kwantuminformatie-experimenten.

● Forensisch onderzoek en beveiliging:Wordt gebruikt bij bewaking bij weinig licht en bij de analyse van sporen.
● Spectroscopie: In Ramanspectroscopie en detectie van lage-intensiteitsfluorescentie.

Wanneer moet u kiezen voor een EMCCD-sensor?

Met de verbeteringen aan CMOS-sensoren in de afgelopen jaren is het voordeel van EMCCD-sensoren op het gebied van leesruis afgenomen, omdat zelfs sCMOS-camera's nu sub-elektronen leesruis kunnen detecteren, naast een breed scala aan andere voordelen. Als een toepassing eerder EMCCD's heeft gebruikt, is het de moeite waard om te overwegen of dit de beste keuze is gezien de ontwikkelingen in sCMOS.

Historisch gezien konden EMCCD's fotonentelling nog steeds succesvoller uitvoeren, naast een paar andere nichetoepassingen met typische signaalniveaus van minder dan 3-5 e- per pixel op piekniveau. Echter, met de komst van grotere pixelgroottes en sub-elektronen leesruis inwetenschappelijke camera'sOmdat deze toepassingen gebaseerd zijn op sCMOS-technologie, is het mogelijk dat ze binnenkort ook met geavanceerde sCMOS kunnen worden uitgevoerd.

Veelgestelde vragen

Wat is de minimale belichtingstijd voor frametransfercamera's?

Voor alle frametransfersensoren, inclusief EMCCD's, is de vraag naar de minimale mogelijke belichtingstijd een complexe kwestie. Bij enkelvoudige beeldopnamen kan de belichting worden beëindigd door de opgenomen ladingen zeer snel in het gemaskeerde gebied te schuiven voor uitlezing, en zijn korte (sub-microseconde) minimale belichtingstijden mogelijk.

Zodra de camera echter op volle snelheid streamt, d.w.z. meerdere frames/een film opneemt met de volledige framesnelheid, wordt het gemaskeerde gebied, zodra de eerste afbeelding is belicht, door dat frame ingenomen totdat het uitlezen is voltooid. De belichting kan dus niet worden beëindigd. Dit betekent dat, ongeacht de in de software opgegeven belichtingstijd, de werkelijke belichtingstijd van volgende frames na het eerste van een multiframe-opname op volle snelheid wordt bepaald door de frametijd, d.w.z. 1/framesnelheid, van de camera.

Vervangt sCMOS-technologie EMCCD-sensoren?

EMCCD-camera's hadden twee specificaties die hun voordeel hielpen te behouden in extreem zwakke lichtomstandigheden (met pieksignaalniveaus van 5 foto-elektronen of minder). Ten eerste hun grote pixels, tot 16 μm, en ten tweede hun leesruis <1e-.

Een nieuwe generatie vansCMOS-camerais een camera ontwikkeld die dezelfde eigenschappen biedt, zonder de vele nadelen van EMCCD's, met name de overmatige ruisfactor. Camera's zoals de Aries 16 van Tucsen bieden 16 μm back-illuminated pixels met een leesruis van 0,8 e-. Met weinig ruis en 'native' grote pixels presteren deze camera's ook beter dan de meeste binned sCMOS-camera's, dankzij de verhouding tussen binning en leesruis.

Wilt u meer weten over EMCCD, klik dan op:

Kan het EMCCD vervangen worden en zouden we dat ooit willen?