25/08/01Senzorul CCD cu multiplicare de electroni este o evoluție a senzorului CCD care permite funcționarea în lumină mai scăzută. De obicei, aceștia sunt destinați semnalelor de câteva sute de fotoelectroni, până la nivelul de numărare individuală a fotonilor.
Acest articol explică ce sunt senzorii EMCCD, cum funcționează, avantajele și dezavantajele lor și de ce sunt considerați următoarea evoluție a tehnologiei CCD pentru imagistica în condiții de lumină slabă.
Ce este un senzor EMCCD?
Un senzor EMCCD (Electron-Mulplying Charge-Coupled Device) este un tip specializat de senzor CCD care amplifică semnalele slabe înainte de a fi citite, permițând o sensibilitate extrem de mare în medii cu lumină slabă.
Dezvoltate inițial pentru aplicații precum astronomia și microscopia avansată, senzorii EMCCD pot detecta fotoni individuali, o sarcină cu care senzorii CCD tradiționali se confruntă cu dificultăți. Această capacitate de a detecta fotoni individuali face ca senzorii EMCCD să fie esențiali pentru câmpurile care necesită imagistică precisă în condiții de niveluri foarte scăzute de lumină.
Cum funcționează senzorii EMCCD?
Până la punctul de citire, senzorii EMCCD funcționează pe aceleași principii ca și senzorii CCD. Cu toate acestea, înainte de măsurarea cu ADC-ul, sarcinile detectate sunt multiplicate printr-un proces numit impactizare, într-un „registru de multiplicare a electronilor”. Pe parcursul unei serii de câteva sute de pași, sarcinile dintr-un pixel sunt deplasate de-a lungul unei serii de pixeli mascați la tensiune înaltă. Fiecare electron din fiecare pas are șansa de a aduce electroni suplimentari. Prin urmare, semnalul este multiplicat exponențial.
Rezultatul final al unui EMCCD bine calibrat este capacitatea de a alege o cantitate precisă de multiplicare medie, de obicei în jur de 300 până la 400 pentru lucrări în condiții de lumină slabă. Acest lucru permite ca semnalele detectate să fie multiplicate mult mai mult decât zgomotul de citire al camerei, reducând în fapt zgomotul de citire al camerei. Din păcate, natura stocastică a acestui proces de multiplicare înseamnă că fiecare pixel este multiplicat cu o cantitate diferită, ceea ce introduce un factor de zgomot suplimentar, reducând raportul semnal-zgomot (SNR) al EMCCD.
Iată o descriere detaliată a modului în care funcționează senzorii EMCCD. Până la pasul 6, procesul este practic același ca cel pentru senzorii CCD.
La sfârșitul expunerii, senzorii EMCCD mută mai întâi rapid sarcinile colectate către o matrice mascată de pixeli de aceleași dimensiuni ca și matricea fotosensibilă (transfer de cadre). Apoi, câte un rând pe rând, sarcinile sunt mutate într-un registru de citire. Câte o coloană pe rând, sarcinile din registrul de citire sunt transmise către un registru de multiplicare. În fiecare etapă a acestui registru (până la 1000 de etape în camerele EMCCD reale), fiecare electron are o mică șansă de a elibera un electron suplimentar, multiplicând semnalul exponențial. La final, semnalul multiplicat este citit.
1. Compensare taxăPentru a începe achiziția, încărcarea este eliminată simultan din întregul senzor (obturator global).
2. Acumularea de încărcareSarcina se acumulează în timpul expunerii.
3. Stocarea încărcăriiDupă expunere, sarcinile colectate sunt mutate într-o zonă mascată a senzorului, unde pot aștepta citirea fără ca noii fotoni detectați să fie numărați. Acesta este procesul de „transfer de cadre”.
4. Expunere cadru următorOdată cu sarcinile detectate stocate în pixelii mascați, pixelii activi pot începe expunerea următorului cadru (mod suprapunere).
5. Procesul de citireCâștigurile pentru fiecare rând al cadrului finalizat sunt mutate într-un „registru de citire”.
6. Pe rând, sarcinile de la fiecare pixel sunt transferate în nodul de citire.
7. Înmulțirea electronilorApoi, toate sarcinile electronice din pixel intră în registrul de multiplicare a electronilor și se deplasează pas cu pas, înmulțindu-se exponențial la fiecare pas.
8. Citi cu voce tareSemnalul multiplicat este citit de ADC, iar procesul se repetă până când întregul cadru este citit.
Avantaje și dezavantaje ale senzorilor EMCCD
Avantajele senzorilor EMCCD
| Avantaj | Descriere |
| Numărarea fotonilor | Detectează fotoelectroni individuali cu zgomot de citire ultra-scăzut (<0,2e⁻), permițând sensibilitate la un singur foton. |
| Sensibilitate la lumină ultra-slabă | Semnificativ mai bun decât CCD-urile tradiționale, depășind uneori chiar și camerele sCMOS de înaltă performanță la niveluri foarte scăzute de lumină. |
| Curent de întuneric scăzut | Răcirea profundă reduce zgomotul termic, permițând imagini mai curate în timpul expunerilor lungi. |
| Obturator „Semi-Global” | Transferul de cadre permite o expunere aproape globală cu o schimbare foarte rapidă a încărcării (~1 microsecundă). |
● Numărarea fotonilorCu o multiplicare suficient de mare a electronilor, zgomotul de citire poate fi practic eliminat (<0,2e-). Acest lucru, alături de valoarea mare a câștigului și eficiența cuantică aproape perfectă, înseamnă că este posibilă distingerea fotoelectronilor individuali.
● Sensibilitate la lumină ultra-slabăComparativ cu CCD-urile, performanța în lumină slabă a EMCCD-urilor este drastic mai bună. Pot exista unele aplicații în care EMCCD oferă o capacitate de detecție și un contrast mai buni chiar și decât sCMOS de înaltă performanță la cele mai scăzute niveluri de lumină posibile.
● Curent de întuneric scăzutLa fel ca în cazul CCD-urilor, EMCCD-urile sunt de obicei răcite profund și capabile să furnizeze valori foarte scăzute ale curentului de întuneric.
● Obturator „Jumătate global”Procesul de transfer al cadrelor pentru a începe și a termina expunerea nu este cu adevărat simultan, ci durează de obicei aproximativ 1 microsecundă.
Dezavantajele senzorilor EMCCD
| Dezavantaj | Descriere |
| Viteză limitată | Ratele maxime de cadre pe secundă (~30 fps la 1 MP) sunt mult mai lente decât la alternativele CMOS moderne. |
| Zgomot de amplificare | Natura aleatorie a multiplicării electronilor introduce zgomot excesiv, reducând raportul semnal-zgomot (SNR). |
| Încărcare indusă de ceas (CIC) | Mișcarea rapidă de încărcare poate introduce semnale false care sunt amplificate. |
| Gamă dinamică redusă | Câștigul mare reduce semnalul maxim pe care senzorul îl poate gestiona înainte de saturație. |
| Dimensiune mare a pixelilor | Dimensiunile comune ale pixelilor (13–16 μm) pot să nu se alinieze cu multe cerințe ale sistemelor optice. |
| Necesar mare de răcire | O răcire profundă stabilă este necesară pentru a obține o multiplicare consistentă și un zgomot redus. |
| Nevoi de calibrare | Câștigul EM se degradează în timp (descreștere prin multiplicare), necesitând calibrare regulată. |
| Instabilitate la expunere scurtă | Expunerile foarte scurte pot cauza amplificarea imprevizibilă a semnalului și zgomot. |
| Cost ridicat | Fabricația complexă și răcirea profundă fac ca acești senzori să fie mai scumpi decât sCMOS. |
| Durată de viață limitată | Registrul de multiplicare a electronilor se uzează, durând de obicei 5-10 ani. |
| Provocări la export | Supus unor reglementări stricte din cauza potențialelor aplicații militare. |
● Viteză limitatăCamerele EMCCD rapide oferă în jur de 30 fps la 1 MP, similar cu CCD-urile, cu ordine de mărime mai lente decât camerele CMOS.
● Introducerea zgomotului„Factorul de zgomot excesiv” cauzat de multiplicarea aleatorie a electronilor, comparativ cu o cameră sCMOS cu zgomot redus și aceeași eficiență cuantică, poate da camerelor EMCCD un zgomot drastic mai mare, în funcție de nivelurile semnalului. Raportul semnal-zgomot (SNR) pentru sCMOS de înaltă performanță este de obicei mai bun pentru semnale de aproximativ 3e-, chiar mai mult pentru semnale mai mari.
● Încărcare indusă de ceas (CIC)Dacă nu este controlată cu atenție, mișcarea sarcinilor prin senzor poate introduce electroni suplimentari în pixeli. Acest zgomot este apoi multiplicat de registrul de multiplicare a electronilor. Viteze mai mari de mișcare a sarcinilor (frecvențe de ceas) duc la rate de cadre mai mari, dar la mai mult CIC.
● Interval dinamic redusValorile foarte mari de multiplicare a electronilor necesare pentru a depăși zgomotul de citire EMCCD duc la o gamă dinamică mult redusă.
● Dimensiune mare a pixelilorCea mai mică dimensiune obișnuită a pixelilor pentru camerele EMCCD este de 10 μm, dar cea mai comună este 13 sau 16 μm. Această valoare este mult prea mare pentru a îndeplini cerințele de rezoluție ale majorității sistemelor optice.
● Cerințe de calibrareProcesul de multiplicare a electronilor uzează registrul EM odată cu utilizarea, reducându-i capacitatea de multiplicare într-un proces numit „descreștere a multiplicării electronilor”. Aceasta înseamnă că amplificarea camerei se schimbă constant, iar camera necesită calibrare regulată pentru a efectua orice imagistică cantitativă.
● Expunere inconsistentă la perioade scurte de timpCând se utilizează timpi de expunere foarte scurți, camerele EMCCD pot produce rezultate inconsistente deoarece semnalul slab este copleșit de zgomot, iar procesul de amplificare introduce fluctuații statistice.
● Necesități mari de răcireProcesul de multiplicare a electronilor este puternic influențat de temperatură. Răcirea senzorului crește multiplicarea electronilor disponibili. Prin urmare, răcirea profundă a senzorului, menținând în același timp stabilitatea temperaturii, este esențială pentru măsurători EMCCD reproductibile.
● Cost ridicatDificultatea fabricării acestor senzori multi-componente, combinată cu răcirea profundă, duce la prețuri de obicei mai mari decât ale camerelor cu senzori sCMOS de cea mai înaltă calitate.
● Durată de viață limitatăDecăderea prin multiplicare a electronilor limitează durata de viață a acestor senzori scumpi, de obicei 5-10 ani, în funcție de nivelul de utilizare.
● Provocări legate de exporturiImportul și exportul senzorilor EMCCD tinde să fie dificile din punct de vedere logistic, din cauza utilizării lor potențiale în aplicații militare.
De ce EMCCD este succesorul CCD
| Caracteristică | CCD | EMCCD |
| Sensibilitate | Ridicat | Ultra-înalt (în special lumină slabă) |
| Zgomot de citire | Moderat | Extrem de scăzut (datorită amplificării) |
| Interval dinamic | Ridicat | Moderat (limitat de câștig) |
| Cost | Inferior | Superior |
| Răcire | Opțional | De obicei necesar pentru performanță optimă |
| Cazuri de utilizare | Imagistică generală | Detectare a unui singur foton în lumină slabă |
Senzorii EMCCD se bazează pe tehnologia CCD tradițională prin încorporarea unei etape de multiplicare a electronilor. Aceasta îmbunătățește capacitatea de a amplifica semnalele slabe și de a reduce zgomotul, făcând din EMCCD alegerea preferată pentru aplicațiile de imagistică în condiții de lumină extrem de slabă, unde senzorii CCD sunt deficienți.
Aplicații cheie ale senzorilor EMCCD
Senzorii EMCCD sunt utilizați în mod obișnuit în domenii științifice și industriale care necesită o sensibilitate ridicată și capacitatea de a detecta semnale slabe:
● Știința vieții Imaging: Pentru aplicații precum microscopia cu fluorescență cu o singură moleculă și microscopia cu fluorescență cu reflexie internă totală (TIRF).
● AstronomieFolosit pentru captarea luminii slabe de la stele îndepărtate, galaxii și cercetarea exoplanetelor.
● Optică cuanticăPentru experimente de inseparabilitate fotonică și informație cuantică.
● Criminalistică și SecuritateUtilizat în supravegherea în condiții de lumină slabă și analiza urmelor.
● SpectroscopieÎn spectroscopia Raman și detectarea fluorescenței de intensitate scăzută.
Când ar trebui să alegeți un senzor EMCCD?
Odată cu îmbunătățirile aduse senzorilor CMOS în ultimii ani, avantajul zgomotului de citire al senzorilor EMCCD a diminuat, deoarece acum chiar și camerele sCMOS sunt capabile de zgomot de citire subelectronic, alături de o gamă largă de alte beneficii. Dacă o aplicație a folosit anterior EMCCD-uri, merită să se verifice dacă aceasta este cea mai bună alegere, având în vedere evoluțiile din domeniul sCMOS.
Din punct de vedere istoric, EMCCD-urile puteau încă să efectueze numărarea fotonilor cu mai mult succes, alături de alte câteva aplicații de nișă cu niveluri tipice de semnal mai mici de 3-5 e- pe pixel la vârf. Cu toate acestea, odată cu apariția unor dimensiuni mai mari ale pixelilor și a unui zgomot de citire subelectronic,camere științificeBazându-se pe tehnologia sCMOS, este posibil ca și aceste aplicații să fie realizate în curând cu sCMOS de înaltă performanță.
Întrebări frecvente
Care este timpul minim de expunere pentru camerele cu transfer de cadre?
Pentru toți senzorii de transfer de cadre, inclusiv EMCCD-urile, problema timpului minim de expunere posibil este una complicată. Pentru achizițiile de imagini individuale, expunerea poate fi încheiată prin amestecarea sarcinilor achiziționate în regiunea mascată pentru citire foarte rapidă, fiind posibile timpi minimi de expunere scurți (sub microsecunde).
Totuși, imediat ce camera transmite la viteză maximă, adică achiziționează mai multe cadre / un film la rata maximă a cadrelor, imediat ce prima imagine termină expunerea, regiunea mascată este ocupată de acel cadru până la finalizarea citirii. Prin urmare, expunerea nu se poate termina. Aceasta înseamnă că, indiferent de timpul de expunere solicitat în software, timpul real de expunere al cadrelor ulterioare după primul dintr-o achiziție multi-cadru la viteză maximă este dat de timpul de cadru, adică 1 / rata cadrelor, al camerei.
Înlocuiește tehnologia sCMOS senzorii EMCCD?
Camerele EMCCD aveau două specificații care le-au ajutat să își mențină avantajul în scenarii de imagistică cu lumină extrem de slabă (cu niveluri maxime de semnal de 5 fotoelectroni sau mai puțin). În primul rând, pixelii lor mari, de până la 16 μm, și în al doilea rând, zgomotul de citire <1 e.
O nouă generație decameră sCMOSA apărut o tehnologie care oferă aceleași caracteristici, fără numeroasele dezavantaje ale EMCCD-urilor, în special factorul de zgomot excesiv. Camere precum Aries 16 de la Tucsen oferă pixeli iluminați din spate de 16 μm cu un zgomot de citire de 0,8e-. Cu zgomot redus și pixeli „nativi” mari, aceste camere depășesc, de asemenea, majoritatea camerelor sCMOS cu funcție de binning, datorită relației dintre binning și zgomotul de citire.
Dacă doriți să aflați mai multe despre EMCCD, vă rugăm să faceți clic pe:
