25/08/01Elektronmultipliserende CCD-sensor er en videreutvikling av CCD-sensoren for å tillate drift i lavere lys. De er vanligvis beregnet på signaler fra noen få hundre fotoelektroner, ned til nivået for individuelle fotonteller.
Denne artikkelen forklarer hva EMCCD-sensorer er, hvordan de fungerer, deres fordeler og ulemper, og hvorfor de regnes som den neste utviklingen av CCD-teknologi for avbildning i svakt lys.
Hva er en EMCCD-sensor?
En EMCCD-sensor (Electron-Multiplying Charge-Coupled Device) er en spesialisert type CCD-sensor som forsterker svake signaler før de leses ut, noe som gir ekstremt høy følsomhet i omgivelser med lite lys.
EMCCD-er ble opprinnelig utviklet for bruksområder som astronomi og avansert mikroskopi, og kan oppdage enkeltfotoner, en oppgave som tradisjonelle CCD-sensorer sliter med. Denne evnen til å oppdage individuelle fotoner gjør EMCCD-er avgjørende for felt som krever presis avbildning under svært lave lysnivåer.
Hvordan fungerer EMCCD-sensorer?
Frem til avlesningspunktet fungerer EMCCD-sensorer etter de samme prinsippene som CCD-sensorer. Før måling med ADC multipliseres imidlertid detekterte ladninger gjennom en prosess som kalles impaksjonisering, i et «elektronmultiplikasjonsregister». Over en serie på flere hundre trinn flyttes ladningene fra en piksel langs en serie maskerte piksler med høy spenning. Hvert elektron i hvert trinn har en sjanse til å bringe med seg flere elektroner. Signalet multipliseres derfor eksponentielt.
Sluttresultatet av en godt kalibrert EMCCD er muligheten til å velge en presis mengde gjennomsnittlig multiplikasjon, vanligvis rundt 300 til 400 for arbeid i svakt lys. Dette gjør at signalene som oppdages kan multipliseres mye høyere enn kameraets lesestøy, noe som i praksis reduserer kameraets lesestøy. Dessverre betyr den stokastiske naturen til denne multiplikasjonsprosessen at hver piksel multipliseres med en annen mengde, noe som introduserer en ekstra støyfaktor, som reduserer EMCCDs signal-til-støy-forhold (SNR).
Her er en oversikt over hvordan EMCCD-sensorer fungerer. Frem til trinn 6 er prosessen i praksis den samme som for CCD-sensorer.
Figur: Avlesningsprosess for EMCCD-sensor
På slutten av eksponeringen flytter EMCCD-sensorene først raskt innsamlede ladninger til en maskert rekke piksler med samme dimensjoner som den lysfølsomme rekken (rammeoverføring). Deretter flyttes ladningene, én rad om gangen, til et avlesningsregister. Ladninger i avlesningsregisteret sendes én kolonne om gangen til et multiplikasjonsregister. På hvert trinn i dette registeret (opptil 1000 trinn i ekte EMCCD-kameraer) har hvert elektron en liten sjanse til å frigjøre et ekstra elektron, og multiplisere signalet eksponentielt. På slutten leses det multipliserte signalet ut.
1. Avregning av kostnaderFor å starte innsamlingen fjernes ladningen samtidig fra hele sensoren (global lukker).
2. LadeakkumuleringLadning akkumuleres under eksponering.
3. LadelagringEtter eksponering flyttes de innsamlede ladningene til et maskert område på sensoren, hvor de kan vente på avlesning uten at nye fotoner som er detektert, telles. Dette er «rammeoverføringsprosessen».
4. Eksponering av neste bildeNår de oppdagede ladningene er lagret i de maskerte pikslene, kan de aktive pikslene starte eksponeringen av neste bilde (overlappingsmodus).
5. AvlesningsprosessÉn rad om gangen flyttes ladninger for hver rad i den ferdige rammen til et «avlesningsregister».
6. Én kolonne om gangen sendes ladninger fra hver piksel inn i avlesningsnoden.
7. ElektronmultiplikasjonDeretter går alle elektronladninger fra pikselet inn i elektronmultiplikasjonsregisteret, og beveger seg trinn for trinn, og multipliserer i antall eksponentielt ved hvert trinn.
8. AvlesningDet multipliserte signalet leses av ADC-en, og prosessen gjentas til hele rammen er lest ut.
Fordeler og ulemper med EMCCD-sensorer
Fordeler med EMCCD-sensorer
| Fordel | Beskrivelse |
| Fotontelling | Registrerer individuelle fotoelektroner med ultralav lesestøy (<0,2e⁻), noe som muliggjør følsomhet for enkeltfotoner. |
| Ultralav lysfølsomhet | Betydelig bedre enn tradisjonelle CCD-er, og overgår noen ganger selv avanserte sCMOS-kameraer ved svært lave lysnivåer. |
| Lav mørk strøm | Dypkjøling reduserer termisk støy, noe som gir renere bilder under lange eksponeringer. |
| «Halvglobal» lukker | Bildeoverføring tillater nesten global eksponering med veldig rask ladningsskifte (~1 mikrosekund). |
● FotontellingMed høy nok elektronmultiplikasjon kan lesestøy praktisk talt elimineres (<0,2e-). Dette, sammen med den høye forsterkningsverdien og den nesten perfekte kvanteeffektiviteten, betyr at det er mulig å skille individuelle fotoelektroner.
● Ultralav lysfølsomhetSammenlignet med CCD-er er EMCCD-er drastisk bedre i svakt lys. Det kan finnes noen bruksområder der EMCCD gir bedre deteksjonskapasitet og kontrast, selv enn avanserte sCMOS-er ved lavest mulig lysnivå.
● Lav mørk strømSom med CCD-er, er EMCCD-er vanligvis dypt avkjølte og i stand til å levere svært lave mørkestrømverdier.
● «Halvglobal» lukkerBildeoverføringsprosessen for å starte og avslutte eksponeringen er ikke helt samtidig, men tar vanligvis rundt 1 mikrosekund.
Ulemper med EMCCD-sensorer
| Ulempe | Beskrivelse |
| Begrenset hastighet | Maksimale bildefrekvenser (~30 fps ved 1 MP) er mye tregere enn moderne CMOS-alternativer. |
| Forsterkningsstøy | Den tilfeldige naturen til elektronmultiplikasjon introduserer overflødig støy, noe som reduserer signal-støyforholdet (SNR). |
| Klokkeindusert ladning (CIC) | Rask ladebevegelse kan introdusere falske signaler som forsterkes. |
| Redusert dynamisk rekkevidde | Høy forsterkning reduserer det maksimale signalet sensoren kan håndtere før metning. |
| Stor pikselstørrelse | Vanlige pikselstørrelser (13–16 μm) samsvarer kanskje ikke med mange krav til optiske systemer. |
| Krav til kraftig kjøling | Stabil dypkjøling er nødvendig for å oppnå jevn multiplikasjon og lav støy. |
| Kalibreringsbehov | EM-forsterkning forringes over tid (multiplikasjonsforfall), noe som krever regelmessig kalibrering. |
| Instabilitet ved kort eksponering | Svært korte eksponeringer kan forårsake uforutsigbar signalforsterkning og støy. |
| Høye kostnader | Kompleks produksjon og dypkjøling gjør disse sensorene dyrere enn sCMOS. |
| Begrenset levetid | Elektronmultiplikasjonsregisteret slites ut, og varer vanligvis i 5–10 år. |
| Eksportutfordringer | Underlagt strenge regler på grunn av potensielle militære bruksområder. |
● Begrenset hastighetRaske EMCCD-er gir rundt 30 fps ved 1 MP, tilsvarende CCD-er, størrelsesordener saktere enn CMOS-kameraer.
● Støyinnføring«Overflødig støyfaktor» forårsaket av tilfeldig elektronmultiplikasjon, sammenlignet med et lavstøyende sCMOS-kamera med samme kvanteeffektivitet, kan gi EMCCD-er drastisk høyere støy avhengig av signalnivåer. SNR for avanserte sCMOS er vanligvis bedre for signaler på rundt 3e-, og enda bedre for høyere signaler.
● Klokkeindusert ladning (CIC)Med mindre bevegelse av ladninger over sensoren kontrolleres nøye, kan den introdusere flere elektroner i pikslene. Denne støyen multipliseres deretter med elektronmultiplikasjonsregisteret. Høyere ladningsbevegelseshastigheter (klokkefrekvenser) fører til høyere bildefrekvenser, men mer CIC.
● Redusert dynamisk rekkeviddeDe svært høye elektronmultiplikasjonsverdiene som kreves for å overvinne EMCCD-lesestøyen fører til et mye redusert dynamisk område.
● Stor pikselstørrelseDen minste vanlige pikselstørrelsen for EMCCD-kameraer er 10 μm, men 13 eller 16 μm er vanligst. Dette er altfor stort til å oppfylle de fleste optiske systemers oppløsningskrav.
● KalibreringskravElektronmultiplikasjonsprosessen sliter ut EM-registeret ved bruk, noe som reduserer dets evne til å multiplisere i en prosess som kalles «elektronmultiplikasjonsforfall». Dette betyr at kameraets forsterkning stadig endrer seg, og kameraet krever regelmessig kalibrering for å utføre kvantitativ avbildning.
● Inkonsekvent eksponering over korte tidsperioderNår man bruker svært korte eksponeringstider, kan EMCCD-kameraer gi inkonsistente resultater fordi det svake signalet blir overveldet av støy, og forsterkningsprosessen introduserer statistiske svingninger.
● Krav til kraftig kjølingElektronmultiplikasjonsprosessen påvirkes sterkt av temperaturen. Avkjøling av sensoren øker den tilgjengelige elektronmultiplikasjonen. Derfor er dyp sensorkjøling samtidig som temperaturstabilitet opprettholdes, avgjørende for reproduserbare EMCCD-målinger.
● Høye kostnaderVanskeligheten med å produsere disse flerkomponentsensorene, kombinert med dyp kjøling, fører til priser som vanligvis er høyere enn sCMOS-sensorkameraer av høyeste kvalitet.
● Begrenset levetidElektronmultiplikasjonsforfall setter en grense for levetiden til disse dyre sensorene på vanligvis 5–10 år, avhengig av bruksnivået.
● EksportutfordringerImport og eksport av EMCCD-sensorer har en tendens til å være logistisk utfordrende på grunn av deres potensielle bruk i militære applikasjoner.
Hvorfor EMCCD er etterfølgeren til CCD
| Trekk | CCD-nummer | EMCCD |
| Følsomhet | Høy | Ultrahøy (spesielt svakt lys) |
| Avlesningsstøy | Moderat | Ekstremt lav (på grunn av forsterkning) |
| Dynamisk rekkevidde | Høy | Moderat (begrenset av gevinst) |
| Koste | Senke | Høyere |
| Kjøling | Valgfri | Vanligvis nødvendig for optimal ytelse |
| Brukstilfeller | Generell avbildning | Deteksjon av enkeltfotoner i svakt lys |
EMCCD-sensorer bygger på tradisjonell CCD-teknologi ved å inkludere et elektronmultiplikasjonstrinn. Dette forbedrer evnen til å forsterke svake signaler og redusere støy, noe som gjør EMCCD-er til det foretrukne valget for bildebehandlingsapplikasjoner i ekstremt svakt lys der CCD-sensorer ikke er tilstrekkelige.
Viktige bruksområder for EMCCD-sensorer
EMCCD-sensorer brukes ofte innen vitenskapelige og industrielle felt som krever høy følsomhet og evne til å oppdage svake signaler:
● Livsvitenskapelig fantasig: For applikasjoner som enkeltmolekylær fluorescensmikroskopi og total intern refleksjonsfluorescensmikroskopi (TIRF).
● AstronomiBrukes til å fange opp svakt lys fra fjerne stjerner, galakser og forskning på eksoplaneter.
● KvanteoptikkFor fotonsammenfiltring og kvanteinformasjonseksperimenter.
● Rettsmedisin og sikkerhetBrukes i overvåking i svakt lys og analyse av sporbevis.
● SpektroskopiI Ramanspektroskopi og lavintensitetsfluorescensdeteksjon.
Når bør du velge en EMCCD-sensor?
Med forbedringene av CMOS-sensorer de siste årene har fordelen med lesestøy fra EMCCD-sensorer blitt mindre, ettersom nå selv sCMOS-kameraer er i stand til å lese subelektronstøy, i tillegg til en rekke andre fordeler. Hvis en applikasjon tidligere har brukt EMCCD-er, er det vel verdt å vurdere om dette er det beste valget gitt utviklingen innen sCMOS.
Historisk sett kunne EMCCD-er fortsatt utføre fotontelling med større suksess, sammen med noen få andre nisjeapplikasjoner med typiske signalnivåer på mindre enn 3–5 e- per piksel på topp. Men med større pikselstørrelser og subelektronlesestøy som blir tilgjengelig ivitenskapelige kameraerBasert på sCMOS-teknologi er det mulig at også disse applikasjonene snart kan utføres med avansert sCMOS.
Vanlige spørsmål
Hva er minimum eksponeringstid for bildeoverføringskameraer?
For alle bildeoverføringssensorer, inkludert EMCCD-er, er spørsmålet om minimum mulig eksponeringstid komplisert. For enkeltbildeopptak kan eksponeringen avsluttes ved å omstokke innsamlede ladninger til det maskerte området for avlesning veldig raskt, og korte (sub-mikrosekund) minimumseksponeringstider er mulige.
Men så snart kameraet strømmer i full hastighet, dvs. henter inn flere bilder/en film med full bildefrekvens, vil det maskerte området, så snart det første bildet er ferdig eksponert, okkuperes av det bildet inntil avlesningen er fullført. Eksponeringen kan derfor ikke avsluttes. Dette betyr at uavhengig av eksponeringstiden som forespurt i programvaren, er den reelle eksponeringstiden for påfølgende bilder etter det første av en fullhastighets flerbildeopptak gitt av bildetiden, dvs. 1 / bildefrekvens, til kameraet.
Erstatter sCMOS-teknologi EMCCD-sensorer?
EMCCD-kameraer hadde to spesifikasjoner som bidro til å beholde fordelen i bildescenarioer med ekstremt svakt lys (med toppsignalnivåer på 5 fotoelektroner eller mindre). For det første de store pikslene, opptil 16 μm, og for det andre deres <1e-lesestøy.
En ny generasjon avsCMOS-kamerahar dukket opp som tilbyr de samme egenskapene, uten de mange ulempene med EMCCD-er, spesielt den overflødige støyfaktoren. Kameraer som Aries 16 fra Tucsen tilbyr 16 μm bakgrunnsbelyste piksler med en lesestøy på 0,8e-. Med lav støy og 'naturlig' store piksler, overgår disse kameraene også de fleste binned sCMOS-kameraer, på grunn av forholdet mellom binning og lesestøy.
Hvis du vil vite mer om EMCCD, kan du klikke:
Kan EMCCD erstattes, og ville vi noen gang ønske oss det?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rettigheter forbeholdt. Vennligst oppgi kilden ved sitering:www.tucsen.com
