25/08/01Matryca CCD z powielaniem elektronów to rozwinięcie matrycy CCD, umożliwiające pracę przy niższym oświetleniu. Zazwyczaj są one przeznaczone do sygnałów rzędu kilkuset fotoelektronów, aż do poziomu zliczania pojedynczych fotonów.
W tym artykule wyjaśniono, czym są czujniki EMCCD, jak działają, jakie mają zalety i wady oraz dlaczego uważa się je za kolejny etap rozwoju technologii CCD w zakresie obrazowania przy słabym oświetleniu.
Czym jest czujnik EMCCD?
Czujnik EMCCD (Electron-Multiplying Charge-Coupled Device) to specjalistyczny typ czujnika CCD, który wzmacnia słabe sygnały przed ich odczytaniem, co zapewnia wyjątkowo wysoką czułość w warunkach słabego oświetlenia.
Początkowo opracowane do zastosowań takich jak astronomia i zaawansowana mikroskopia, detektory EMCCD mogą wykrywać pojedyncze fotony, co stanowi wyzwanie dla tradycyjnych matryc CCD. Ta zdolność do wykrywania pojedynczych fotonów sprawia, że detektory EMCCD są kluczowe w dziedzinach wymagających precyzyjnego obrazowania przy bardzo słabym oświetleniu.
Jak działają czujniki EMCCD?
Do momentu odczytu czujniki EMCCD działają na tej samej zasadzie co czujniki CCD. Jednak przed pomiarem za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), wykryte ładunki są mnożone w procesie zwanym impakcjonizacją, w „rejestrze mnożenia elektronów”. W serii kilkuset kroków ładunki z piksela są przemieszczane wzdłuż szeregu zamaskowanych pikseli pod wysokim napięciem. Każdy elektron w każdym kroku ma szansę przenieść kolejne elektrony. Sygnał jest zatem mnożony wykładniczo.
Efektem końcowym dobrze skalibrowanego EMCCD jest możliwość doboru precyzyjnej wartości średniego mnożenia, zazwyczaj około 300–400 w przypadku pracy w słabym oświetleniu. Pozwala to na mnożenie wykrytych sygnałów znacznie powyżej szumu odczytu kamery, co w efekcie redukuje szum odczytu kamery. Niestety, stochastyczna natura tego procesu mnożenia oznacza, że każdy piksel jest mnożony przez inną wartość, co wprowadza dodatkowy współczynnik szumu, zmniejszając stosunek sygnału do szumu (SNR) EMCCD.
Oto opis działania czujników EMCCD. Do kroku 6 proces jest zasadniczo taki sam, jak w przypadku czujników CCD.
Po zakończeniu ekspozycji czujniki EMCCD najpierw szybko przenoszą zebrane ładunki do zamaskowanej matrycy pikseli o tych samych wymiarach co matryca światłoczuła (transfer klatek). Następnie, wiersz po wierszu, ładunki są przenoszone do rejestru odczytu. Kolumna po kolumnie, ładunki w rejestrze odczytu są przekazywane do rejestru mnożenia. Na każdym etapie tego rejestru (do 1000 etapów w rzeczywistych kamerach EMCCD) każdy elektron ma niewielką szansę na uwolnienie dodatkowego elektronu, mnożąc sygnał wykładniczo. Na koniec, pomnożony sygnał jest odczytywany.
1. Rozliczanie opłat:Aby rozpocząć akwizycję, ładunek jest jednocześnie usuwany z całego czujnika (migawka globalna).
2. Akumulacja ładunku:Ładunek gromadzi się podczas ekspozycji.
3. Ładowanie PrzechowywaniePo naświetleniu zebrane ładunki są przenoszone do zamaskowanego obszaru czujnika, gdzie mogą oczekiwać na odczyt bez zliczania nowych fotonów. To proces „transferu ramki”.
4. Następna ekspozycja klatki:Po zapisaniu wykrytych ładunków w zamaskowanych pikselach, aktywne piksele mogą rozpocząć naświetlanie następnej klatki (tryb nakładania się).
5. Proces odczytu:Ładunki za każdy wiersz ukończonej ramki są kolejno przenoszone do „rejestru odczytu”.
6. Ładunki z każdego piksela są przekazywane kolejno kolumna po kolumnie do węzła odczytu.
7. Mnożenie elektronów:Następnie wszystkie ładunki elektronów z piksela trafiają do rejestru mnożenia elektronów i przemieszczają się krok po kroku, mnożąc się wykładniczo na każdym kroku.
8. Odczyt:Przetwornik ADC odczytuje pomnożony sygnał, a proces powtarza się aż do odczytania całej ramki.
Zalety i wady czujników EMCCD
Zalety czujników EMCCD
| Korzyść | Opis |
| Liczenie fotonów | Wykrywa pojedyncze fotoelektrony z wyjątkowo niskim szumem odczytu (<0,2e⁻), co umożliwia czułość na pojedynczy foton. |
| Ultraniska czułość na światło | Znacznie lepsze od tradycyjnych matryc CCD, czasami przewyższające nawet zaawansowane kamery sCMOS przy bardzo słabym oświetleniu. |
| Niski prąd ciemny | Głębokie chłodzenie redukuje szum termiczny, umożliwiając wykonywanie czystszych zdjęć podczas długich ekspozycji. |
| „Półglobalna” migawka | Transfer klatek pozwala na niemal globalną ekspozycję z bardzo szybkim przesuwaniem ładunku (~1 mikrosekunda). |
● Liczenie fotonów:Przy odpowiednio wysokim mnożeniu elektronów, szum odczytu może zostać praktycznie wyeliminowany (<0,2e-). To, w połączeniu z wysoką wartością wzmocnienia i niemal idealną wydajnością kwantową, oznacza, że możliwe jest rozróżnianie pojedynczych fotoelektronów.
● Bardzo niska czułość na światłoW porównaniu z matrycami CCD, wydajność matryc EMCCD przy słabym oświetleniu jest znacznie lepsza. Mogą istnieć zastosowania, w których EMCCD zapewnia lepszą detekcję i kontrast nawet niż zaawansowane matryce sCMOS przy najniższych możliwych poziomach oświetlenia.
● Niski prąd ciemnyPodobnie jak w przypadku CCD, EMCCD są zazwyczaj głęboko chłodzone i mogą generować bardzo niskie wartości prądu ciemnego.
● Migawka „Half Global”:Proces przesyłania klatek do początku i końca ekspozycji nie odbywa się w pełni jednocześnie, ale zwykle trwa około 1 mikrosekundy.
Wady czujników EMCCD
| Niekorzyść | Opis |
| Ograniczona prędkość | Maksymalna liczba klatek na sekundę (~30 kl./s przy 1 MP) jest znacznie wolniejsza niż w przypadku nowoczesnych alternatywnych technologii CMOS. |
| Szum wzmacniający | Losowy charakter mnożenia elektronów wprowadza nadmiar szumu, co powoduje zmniejszenie współczynnika SNR. |
| Ładunek indukowany zegarem (CIC) | Szybki ruch ładunku może generować fałszywe sygnały, które ulegają wzmocnieniu. |
| Zredukowany zakres dynamiki | Wysokie wzmocnienie zmniejsza maksymalny sygnał, jaki czujnik może obsłużyć przed nasyceniem. |
| Duży rozmiar piksela | Typowe rozmiary pikseli (13–16 μm) mogą nie spełniać wielu wymagań układów optycznych. |
| Duże zapotrzebowanie na chłodzenie | Aby uzyskać stały współczynnik mnożenia i niski poziom hałasu, konieczne jest zastosowanie głębokiego, stabilnego chłodzenia. |
| Potrzeby kalibracji | Wzmocnienie elektromagnetyczne z czasem ulega pogorszeniu (zanik mnożenia), co wymaga regularnej kalibracji. |
| Niestabilność krótkiej ekspozycji | Bardzo krótkie ekspozycje mogą powodować nieprzewidywalne wzmocnienie sygnału i szum. |
| Wysoki koszt | Skomplikowana produkcja i głębokie chłodzenie sprawiają, że te czujniki są droższe niż sCMOS. |
| Ograniczona żywotność | Rejestr mnożenia elektronów ulega zużyciu, zwykle trwa to 5–10 lat. |
| Wyzwania eksportowe | Podlega ścisłym regulacjom ze względu na potencjalne zastosowania militarne. |
● Ograniczona prędkośćSzybkie matryce EMCCD zapewniają około 30 klatek na sekundę przy rozdzielczości 1 MP, podobnie jak matryce CCD, ale są o rzędy wielkości wolniejsze od kamer CMOS.
● Wprowadzenie szumu„Nadmiarowy współczynnik szumu” spowodowany losowym mnożeniem elektronów, w porównaniu z kamerą sCMOS o niskim poziomie szumów i tej samej wydajności kwantowej, może powodować drastycznie wyższy poziom szumu w EMCCD, w zależności od poziomu sygnału. Współczynnik SNR dla wysokiej klasy kamer sCMOS jest zazwyczaj lepszy dla sygnałów rzędu 3Ω, a jeszcze lepszy dla sygnałów o wyższej częstotliwości.
● Ładunek indukowany zegarem (CIC): Jeśli nie jest starannie kontrolowany, ruch ładunków w matrycy może wprowadzić dodatkowe elektrony do pikseli. Ten szum jest następnie mnożony przez rejestr mnożenia elektronów. Wyższe prędkości ruchu ładunków (częstotliwości zegara) prowadzą do wyższej liczby klatek na sekundę, ale większego CIC.
● Zmniejszony zakres dynamiki:Bardzo wysokie wartości mnożenia elektronów wymagane do pokonania szumu odczytu EMCCD powodują znaczne ograniczenie zakresu dynamiki.
● Duży rozmiar piksela:Najmniejszy typowy rozmiar piksela w kamerach EMCCD wynosi 10 μm, ale najczęściej spotykane są 13 lub 16 μm. To zdecydowanie za dużo, aby spełnić wymagania rozdzielczości większości systemów optycznych.
● Wymagania dotyczące kalibracjiProces mnożenia elektronów powoduje zużycie rejestru EM w miarę użytkowania, zmniejszając jego zdolność do mnożenia w procesie zwanym „zanikiem mnożenia elektronów”. Oznacza to, że wzmocnienie kamery stale się zmienia, a kamera wymaga regularnej kalibracji, aby móc wykonywać obrazowanie ilościowe.
● Nierównomierna ekspozycja w krótkich odstępach czasu:W przypadku stosowania bardzo krótkich czasów ekspozycji kamery EMCCD mogą dawać niespójne wyniki, ponieważ słaby sygnał zostaje przytłoczony szumem, a proces wzmocnienia wprowadza wahania statystyczne.
● Duże zapotrzebowanie na chłodzenieProces mnożenia elektronów jest silnie zależny od temperatury. Chłodzenie czujnika zwiększa dostępne mnożenie elektronów. Dlatego głębokie chłodzenie czujnika przy jednoczesnym zachowaniu stabilności temperatury ma kluczowe znaczenie dla powtarzalności pomiarów EMCCD.
● Wysoki koszt:Trudność produkcji tych wieloskładnikowych czujników, w połączeniu z głębokim chłodzeniem, sprawia, że ich cena jest zwykle wyższa niż w przypadku kamer z najwyższej jakości czujnikiem sCMOS.
● Ograniczona żywotność:Rozpad mnożenia elektronów ogranicza żywotność tych drogich czujników, zwykle do 5–10 lat, w zależności od intensywności użytkowania.
● Wyzwania eksportowe:Import i eksport czujników EMCCD bywa logistycznie trudny ze względu na ich potencjalne zastosowanie w zastosowaniach wojskowych.
Dlaczego EMCCD jest następcą CCD
| Funkcja | CCD | EMCCD |
| Wrażliwość | Wysoki | Ultra-wysokie (szczególnie przy słabym oświetleniu) |
| Odczyt szumu | Umiarkowany | Bardzo niski (ze względu na zysk) |
| Zakres dynamiczny | Wysoki | Umiarkowany (ograniczony wzmocnieniem) |
| Koszt | Niżej | Wyższy |
| Chłodzenie | Fakultatywny | Zwykle wymagane dla optymalnej wydajności |
| Przypadki użycia | Obrazowanie ogólne | Detekcja pojedynczego fotonu przy słabym oświetleniu |
Czujniki EMCCD bazują na tradycyjnej technologii CCD, wykorzystując etap mnożenia elektronów. Zwiększa to zdolność do wzmacniania słabych sygnałów i redukcji szumów, dzięki czemu EMCCD są preferowanym wyborem w zastosowaniach obrazowania przy bardzo słabym oświetleniu, gdzie czujniki CCD nie spełniają oczekiwań.
Kluczowe zastosowania czujników EMCCD
Czujniki EMCCD są powszechnie stosowane w dziedzinach naukowych i przemysłowych, w których wymagana jest wysoka czułość i zdolność wykrywania słabych sygnałów:
● Wyobraźnia nauk przyrodniczychg: Do zastosowań takich jak mikroskopia fluorescencyjna pojedynczych cząsteczek i mikroskopia całkowitego wewnętrznego odbicia fluorescencji (TIRF).
● Astronomia:Służy do rejestrowania słabego światła odległych gwiazd i galaktyk, a także do badań egzoplanet.
● Optyka kwantowa:Do eksperymentów nad splątaniem fotonów i informacją kwantową.
● Kryminalistyka i bezpieczeństwo:Zastosowany do obserwacji przy słabym oświetleniu i analizy śladów.
● Spektroskopia:W spektroskopii Ramana i detekcji fluorescencji o niskiej intensywności.
Kiedy należy wybrać czujnik EMCCD?
Wraz z udoskonaleniem matryc CMOS w ostatnich latach, przewaga matryc EMCCD w zakresie szumu odczytu zmalała, ponieważ obecnie nawet kamery sCMOS umożliwiają odczyt szumu subelektronowego, a do tego dochodzi szereg innych korzyści. Jeśli w danym zastosowaniu wcześniej wykorzystywano matryce EMCCD, warto rozważyć, czy jest to najlepszy wybór w kontekście rozwoju technologii sCMOS.
Historycznie rzecz biorąc, EMCCD nadal mogły skuteczniej zliczać fotony, obok kilku innych niszowych zastosowań z typowymi poziomami sygnału poniżej 3-5e- na piksel w szczycie. Jednak wraz z pojawieniem się większych rozmiarów pikseli i szumu odczytu subelektronowego,kamery naukowePonieważ aplikacje te bazują na technologii sCMOS, możliwe jest, że wkrótce będzie można je realizować przy użyciu zaawansowanych technologii sCMOS.
Często zadawane pytania
Jaki jest minimalny czas naświetlania w aparatach z funkcją przesyłania klatek?
W przypadku wszystkich czujników z transferem klatek, w tym EMCCD, kwestia minimalnego możliwego czasu ekspozycji jest skomplikowana. W przypadku akwizycji pojedynczych obrazów ekspozycję można zakończyć, przenosząc zebrane ładunki do obszaru maskowanego w celu bardzo szybkiego odczytu, a możliwe są krótkie (poniżej mikrosekundy) minimalne czasy ekspozycji.
Jednakże, gdy kamera działa z pełną prędkością, tj. akwizycją wielu klatek/filmu z pełną szybkością klatek, po zakończeniu naświetlania pierwszego obrazu, zamaskowany obszar jest zajmowany przez tę klatkę aż do zakończenia odczytu. Naświetlanie nie może się zatem zakończyć. Oznacza to, że niezależnie od czasu naświetlania żądanego w oprogramowaniu, rzeczywisty czas naświetlania kolejnych klatek po pierwszej w akwizycji wieloklatkowej z pełną szybkością jest określony przez czas klatki, tj. 1/szybkość klatek, kamery.
Czy technologia sCMOS zastąpi czujniki EMCCD?
Kamery EMCCD miały dwie specyfikacje, które pomagały im zachować przewagę w scenariuszach obrazowania przy ekstremalnie słabym oświetleniu (z maksymalnym poziomem sygnału 5 fotoelektronów lub mniejszym). Po pierwsze, ich duże piksele, do 16 μm, a po drugie, ich szum odczytu <1e.
Nowe pokolenieKamera sCMOSPojawił się nowy aparat, który oferuje te same cechy, bez licznych wad matryc EMCCD, zwłaszcza nadmiernego współczynnika szumów. Aparaty takie jak Aries 16 firmy Tucsen oferują 16 μm pikseli podświetlanych od tyłu z szumem odczytu na poziomie 0,8e-. Dzięki niskiemu poziomowi szumów i „naturalnie” dużym pikselom, aparaty te przewyższają również większość kamer sCMOS z binowaniem, ze względu na zależność między binowaniem a szumem odczytu.
Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o EMCCD, kliknij:
Czy EMCCD można zastąpić i czy kiedykolwiek będziemy tego chcieli?
