Sensores EMCCD: O sucessor do CCD para baixa luminosidade |

O sensor CCD Multiplicador de Elétrons é uma evolução do sensor CCD para permitir operação com menor intensidade luminosa. Normalmente, são projetados para sinais de algumas centenas de fotoelétrons, até o nível de contagem de fótons individuais.

Este artigo explica o que são sensores EMCCD, como eles funcionam, suas vantagens e desvantagens e por que eles são considerados a próxima evolução da tecnologia CCD para imagens com pouca luz.

O que é um sensor EMCCD?

Um sensor de dispositivo de carga acoplada e multiplicação de elétrons (EMCCD) é um tipo especializado de sensor CCD que amplifica sinais fracos antes que eles sejam lidos, permitindo uma sensibilidade extremamente alta em ambientes com pouca luz.

Inicialmente desenvolvidos para aplicações como astronomia e microscopia avançada, os EMCCDs podem detectar fótons individuais, uma tarefa com a qual os sensores CCD tradicionais têm dificuldade. Essa capacidade de detectar fótons individuais torna os EMCCDs cruciais para áreas que exigem imagens precisas em níveis de luminosidade muito baixos.

Como funcionam os sensores EMCCD?

Até o momento da leitura, os sensores EMCCD operam com os mesmos princípios dos sensores CCD. No entanto, antes da medição com o conversor analógico-digital (ADC), as cargas detectadas são multiplicadas por um processo chamado impactação, em um "registrador de multiplicação de elétrons". Ao longo de uma série de centenas de passos, as cargas de um pixel são movidas ao longo de uma série de pixels mascarados em alta tensão. Cada elétron em cada passo tem a chance de trazer elétrons adicionais. O sinal é, portanto, multiplicado exponencialmente.

O resultado final de um EMCCD bem calibrado é a capacidade de escolher uma quantidade precisa de multiplicação média, normalmente em torno de 300 a 400 para trabalhos com pouca luz. Isso permite que os sinais detectados sejam multiplicados muito mais do que o ruído de leitura da câmera, reduzindo efetivamente o ruído de leitura da câmera. Infelizmente, a natureza estocástica desse processo de multiplicação significa que cada pixel é multiplicado por uma quantidade diferente, o que introduz um fator de ruído adicional, reduzindo a relação sinal-ruído (SNR) do EMCCD.

Aqui está uma análise de como os sensores EMCCD funcionam. Até a Etapa 6, o processo é efetivamente o mesmo dos sensores CCD.

Figura: Processo de leitura para sensor EMCCD

Ao final da exposição, os sensores EMCCD inicialmente movem rapidamente as cargas coletadas para uma matriz mascarada de pixels com as mesmas dimensões da matriz sensível à luz (transferência de quadros). Em seguida, uma linha de cada vez, as cargas são movidas para um registrador de leitura. Uma coluna de cada vez, as cargas dentro do registrador de leitura são passadas para um registrador de multiplicação. Em cada estágio desse registrador (até 1.000 estágios em câmeras EMCCD reais), cada elétron tem uma pequena chance de liberar um elétron adicional, multiplicando o sinal exponencialmente. Ao final, o sinal multiplicado é lido.

1. Compensação de cobrança: Para iniciar a aquisição, a carga é simultaneamente removida de todo o sensor (obturador global).
2. Acúmulo de carga: A carga se acumula durante a exposição.
3. Armazenamento de carga: Após a exposição, as cargas coletadas são movidas para uma área mascarada do sensor, onde podem aguardar a leitura sem que novos fótons detectados sejam contados. Este é o processo de "Transferência de Quadros".
4. Exposição do próximo quadro: Com as cargas detectadas armazenadas nos pixels mascarados, os pixels ativos podem iniciar a exposição do próximo quadro (modo de sobreposição).
5. Processo de leitura:Uma linha de cada vez, as cargas de cada linha do quadro finalizado são movidas para um 'registrador de leitura'.
6. Uma coluna de cada vez, cargas de cada pixel são enviadas para o nó de leitura.
7. Multiplicação de elétrons:Em seguida, todas as cargas de elétrons do pixel entram no registrador de multiplicação de elétrons e avançam passo a passo, multiplicando-se exponencialmente em cada passo.
8. Leia: O sinal multiplicado é lido pelo ADC, e o processo é repetido até que todo o quadro seja lido.

Prós e contras dos sensores EMCCD

Prós dos sensores EMCCD

Vantagem	Descrição
Contagem de fótons	Detecta fotoelétrons individuais com ruído de leitura ultrabaixo (<0,2e⁻), permitindo sensibilidade a fótons únicos.
Sensibilidade à luz ultrabaixa	Significativamente melhor que os CCDs tradicionais, às vezes superando até mesmo câmeras sCMOS de ponta em níveis de luz muito baixos.
Corrente Escura Baixa	O resfriamento profundo reduz o ruído térmico, permitindo imagens mais nítidas durante exposições longas.
Obturador 'Meio Global'	A transferência de quadros permite exposição quase global com mudança de carga muito rápida (~1 microssegundo).

● Contagem de fótons: Com uma multiplicação de elétrons suficientemente alta, o ruído de leitura pode ser praticamente eliminado (<0,2e-). Isso, juntamente com o alto valor de ganho e a eficiência quântica quase perfeita, significa que é possível distinguir fotoelétrons individuais.
● Sensibilidade à luz ultrabaixa: Comparado aos CCDs, o desempenho em baixa luminosidade dos EMCCDs é significativamente melhor. Pode haver algumas aplicações em que o EMCCD ofereça melhor capacidade de detecção e contraste, mesmo do que sCMOS de ponta, nos níveis de luminosidade mais baixos possíveis.
● Corrente Escura Baixa: Assim como os CCDs, os EMCCDs geralmente são profundamente resfriados e capazes de fornecer valores de corrente escura muito baixos.
● Obturador 'Meio Global':O processo de transferência de quadros para iniciar e terminar a exposição não é verdadeiramente simultâneo, mas normalmente leva cerca de 1 microssegundo.

Contras dos sensores EMCCD

Desvantagem	Descrição
Velocidade limitada	As taxas máximas de quadros (~30 fps a 1 MP) são muito mais lentas que as alternativas CMOS modernas.
Ruído de amplificação	A natureza aleatória da multiplicação de elétrons introduz ruído excessivo, reduzindo o SNR.
Carga Induzida por Relógio (CIC)	O movimento rápido de carga pode introduzir sinais falsos que são amplificados.
Faixa dinâmica reduzida	O ganho alto reduz o sinal máximo que o sensor pode suportar antes de saturar.
Tamanho de pixel grande	Tamanhos de pixels comuns (13–16 μm) podem não atender a muitos requisitos de sistemas ópticos.
Necessidade de resfriamento pesado	O resfriamento profundo e estável é necessário para obter multiplicação consistente e baixo ruído.
Necessidades de calibração	O ganho EM se degrada ao longo do tempo (decaimento da multiplicação), exigindo calibração regular.
Instabilidade de curta exposição	Exposições muito breves podem causar amplificação de sinal e ruído imprevisíveis.
Alto custo	A fabricação complexa e o resfriamento profundo tornam esses sensores mais caros que os sCMOS.
Vida útil limitada	O registro de multiplicação de elétrons se desgasta, o que geralmente dura de 5 a 10 anos.
Desafios de Exportação	Sujeito a regulamentações rigorosas devido a potenciais aplicações militares.

● Velocidade limitada: EMCCDs rápidos fornecem cerca de 30 fps a 1 MP, semelhantes aos CCDs, ordens de magnitude mais lentos que as câmeras CMOS.

● Introdução ao Ruído: O "fator de ruído excessivo" causado pela multiplicação aleatória de elétrons, em comparação com uma câmera sCMOS de baixo ruído com a mesma eficiência quântica, pode gerar ruídos significativamente maiores em EMCCDs, dependendo dos níveis de sinal. A relação sinal-ruído (SNR) para sCMOS de ponta é normalmente melhor para sinais em torno de 3e-, ainda mais para sinais mais altos.

● Carga Induzida por Relógio (CIC): A menos que seja cuidadosamente controlado, o movimento de cargas através do sensor pode introduzir elétrons adicionais nos pixels. Esse ruído é então multiplicado pelo registrador de multiplicação de elétrons. Velocidades de movimento de carga (taxas de clock) mais altas levam a taxas de quadros mais altas, mas a mais CIC.

● Faixa dinâmica reduzida:Os valores muito altos de multiplicação de elétrons necessários para superar o ruído de leitura do EMCCD levam a uma faixa dinâmica muito reduzida.

● Tamanho de pixel grande: O menor tamanho de pixel comum para câmeras EMCCD é 10 μm, mas 13 ou 16 μm são os mais comuns. É muito grande para atender aos requisitos de resolução da maioria dos sistemas ópticos.

● Requisitos de calibração: O processo de multiplicação de elétrons desgasta o registro EM com o uso, reduzindo sua capacidade de multiplicação em um processo chamado "decaimento da multiplicação de elétrons". Isso significa que o ganho da câmera muda constantemente, e a câmera requer calibração regular para realizar qualquer imagem quantitativa.

● Exposição inconsistente em períodos curtos:Ao usar tempos de exposição muito curtos, as câmeras EMCCD podem produzir resultados inconsistentes porque o sinal fraco é sobrecarregado pelo ruído, e o processo de amplificação introduz flutuações estatísticas.

● Necessidade de resfriamento pesado: O processo de multiplicação de elétrons é fortemente influenciado pela temperatura. O resfriamento do sensor aumenta a multiplicação de elétrons disponíveis. Portanto, o resfriamento profundo do sensor, mantendo a estabilidade da temperatura, é fundamental para medições EMCCD reprodutíveis.

● Alto custo: A dificuldade de fabricação desses sensores multicomponentes, combinada com o resfriamento profundo, resulta em preços normalmente mais altos do que as câmeras com sensor sCMOS de altíssima qualidade.

● Vida útil limitada: A decadência da multiplicação de elétrons impõe um limite à vida útil desses sensores caros, geralmente de 5 a 10 anos, dependendo do nível de uso.

● Desafios de Exportação:A importação e exportação de sensores EMCCD tendem a ser logisticamente desafiadoras devido ao seu uso potencial em aplicações militares.

Por que o EMCCD é o sucessor do CCD

Recurso	CCD	EMCCD
Sensibilidade	Alto	Ultra-alta (especialmente com pouca luz)
Ruído de leitura	Moderado	Extremamente baixo (devido ao ganho)
Faixa dinâmica	Alto	Moderado (limitado pelo ganho)
Custo	Mais baixo	Mais alto
Resfriamento	Opcional	Normalmente necessário para desempenho ideal
Casos de uso	Imagem geral	Detecção de fóton único com pouca luz

Os sensores EMCCD se baseiam na tecnologia CCD tradicional, incorporando uma etapa de multiplicação de elétrons. Isso aumenta a capacidade de amplificar sinais fracos e reduzir ruídos, tornando os EMCCDs a escolha preferida para aplicações de imagem com luminosidade extremamente baixa, onde os sensores CCD são insuficientes.

Principais aplicações dos sensores EMCCD

Os sensores EMCCD são comumente usados em campos científicos e industriais que exigem alta sensibilidade e capacidade de detectar sinais fracos:

● Imagem de Ciências da Vidag: Para aplicações como microscopia de fluorescência de molécula única e microscopia de fluorescência de reflexão interna total (TIRF).
● Astronomia: Usado para capturar luz fraca de estrelas distantes, galáxias e pesquisas de exoplanetas.
● Óptica Quântica: Para experimentos de emaranhamento de fótons e informação quântica.

● Forense e Segurança: Empregado em vigilância com pouca luz e análise de vestígios de evidências.
● Espectroscopia: Em espectroscopia Raman e detecção de fluorescência de baixa intensidade.

Quando você deve escolher um sensor EMCCD?

Com as melhorias nos sensores CMOS nos últimos anos, a vantagem do ruído de leitura dos sensores EMCCD diminuiu, visto que agora até mesmo câmeras sCMOS são capazes de ruído de leitura subeletrônico, além de uma ampla gama de outros benefícios. Se uma aplicação já utilizou EMCCDs, vale a pena analisar se esta é a melhor escolha, considerando os avanços em sCMOS.

Historicamente, os EMCCDs ainda conseguiam realizar a contagem de fótons com mais sucesso, juntamente com algumas outras aplicações de nicho com níveis de sinal típicos inferiores a 3-5e por pixel no pico. No entanto, com tamanhos de pixel maiores e ruído de leitura subelétron se tornando disponíveis emcâmeras científicascom base na tecnologia sCMOS, é possível que essas aplicações também possam em breve ser executadas com sCMOS de ponta.

Perguntas frequentes

Qual é o tempo mínimo de exposição para câmeras de transferência de quadros?

Para todos os sensores de transferência de quadros, incluindo EMCCDs, a questão do tempo mínimo de exposição possível é complexa. Para aquisições de imagens individuais, a exposição pode ser encerrada embaralhando as cargas adquiridas na região mascarada para leitura muito rápida, e tempos mínimos de exposição curtos (submicrossegundos) são possíveis.

No entanto, assim que a câmera estiver transmitindo em velocidade máxima, ou seja, adquirindo vários quadros / um filme na taxa de quadros máxima, assim que a primeira imagem terminar de ser exposta, a região mascarada será ocupada por esse quadro até que a leitura seja concluída. A exposição, portanto, não pode terminar. Isso significa que, independentemente do tempo de exposição solicitado no software, o tempo real de exposição dos quadros subsequentes após o primeiro de uma aquisição de vários quadros em velocidade máxima é dado pelo tempo de quadro, ou seja, 1 / Taxa de Quadros, da câmera.

A tecnologia sCMOS está substituindo os sensores EMCCD?

As câmeras EMCCD tinham duas especificações que as ajudavam a manter sua vantagem em cenários de imagens com luminosidade extremamente baixa (com níveis de sinal de pico de 5 fotoelétrons ou menos). Primeiro, seus pixels grandes, de até 16 μm, e segundo, seu ruído de leitura <1e.

Uma nova geração decâmera sCMOSsurgiu uma câmera que oferece essas mesmas características, sem as inúmeras desvantagens dos EMCCDs, especialmente o fator de ruído excessivo. Câmeras como a Aries 16 da Tucsen oferecem pixels retroiluminados de 16 μm com ruído de leitura de 0,8e-. Com baixo ruído e pixels "nativamente" grandes, essas câmeras também superam a maioria das câmeras sCMOS binned, devido à relação entre binning e ruído de leitura.

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O EMCCD pode ser substituído e nós desejaríamos isso?