Датчики EMCCD: преемник ПЗС для работы при слабом освещении |

ПЗС-матрица с электронным умножением представляет собой усовершенствованную версию ПЗС-матрицы, позволяющую работать при более низкой освещённости. Они обычно предназначены для регистрации сигналов от нескольких сотен фотоэлектронов, вплоть до уровня подсчёта отдельных фотонов.

В этой статье объясняется, что такое датчики EMCCD, как они функционируют, их преимущества и недостатки, а также почему их считают следующим этапом эволюции технологии ПЗС для получения изображений в условиях низкой освещенности.

Что такое датчик EMCCD?

Датчик на основе электронного умножителя с зарядовой связью (EMCCD) — это специализированный тип датчика ПЗС, который усиливает слабые сигналы перед их считыванием, что обеспечивает чрезвычайно высокую чувствительность в условиях низкой освещенности.

Первоначально разработанные для таких приложений, как астрономия и передовая микроскопия, ЭМЦКД способны обнаруживать отдельные фотоны, с чем традиционные ПЗС-сенсоры с трудом справляются. Эта способность обнаруживать отдельные фотоны делает ЭМЦКД незаменимыми в областях, требующих точной визуализации при очень слабом освещении.

Как работают датчики EMCCD?

Вплоть до момента считывания данные датчики EMCCD работают по тем же принципам, что и датчики CCD. Однако перед измерением с помощью АЦП обнаруженные заряды умножаются посредством процесса, называемого ударной ионизацией, в «регистре умножения электронов». В течение нескольких сотен шагов заряды из пикселя перемещаются вдоль ряда замаскированных пикселей под высоким напряжением. Каждый электрон на каждом шаге имеет шанс привлечь дополнительные электроны. Таким образом, сигнал умножается экспоненциально.

Конечным результатом хорошо откалиброванного EMCCD является возможность точно выбрать степень усреднения, обычно от 300 до 400 для работы в условиях низкой освещённости. Это позволяет умножать обнаруженные сигналы значительно сильнее, чем шум считывания камеры, фактически снижая его. К сожалению, стохастический характер этого процесса умножения означает, что каждый пиксель умножается на разную величину, что вносит дополнительный шумовой фактор и снижает отношение сигнал/шум (SNR) EMCCD.

Ниже представлено описание работы датчиков EMCCD. До шага 6 процесс фактически аналогичен процессу для датчиков CCD.

Рисунок: Процесс считывания данных датчика EMCCD

По завершении экспозиции датчики EMCCD сначала быстро перемещают собранные заряды в маскированный массив пикселей того же размера, что и светочувствительный массив (передача кадров). Затем, по одной строке за раз, заряды перемещаются в регистр считывания. По одному столбцу за раз заряды из регистра считывания передаются в регистр умножения. На каждом этапе этого регистра (до 1000 этапов в реальных камерах EMCCD) каждый электрон имеет небольшой шанс испустить дополнительный электрон, что экспоненциально увеличивает сигнал. В конце умноженный сигнал считывается.

1. Очистка зарядов: Для начала захвата заряд одновременно сбрасывается со всего сенсора (глобальный затвор).
2. Накопление заряда: Заряд накапливается во время экспозиции.
3. Хранение заряда: После экспозиции собранные заряды перемещаются в замаскированную область датчика, где они могут ожидать считывания без подсчёта новых обнаруженных фотонов. Это процесс «переноса кадра».
4. Экспозиция следующего кадра: После того как обнаруженные заряды будут сохранены в замаскированных пикселях, активные пиксели смогут начать экспонирование следующего кадра (режим перекрытия).
5. Процесс считывания: По одной строке за раз, заряды для каждого ряда готовой рамы перемещаются в «считывающий регистр».
6. По одному столбцу за раз заряды из каждого пикселя передаются в узел считывания.
7. Умножение электронов: Затем все электронные заряды из пикселя поступают в регистр умножения электронов и продвигаются шаг за шагом, увеличиваясь в числе по экспоненте на каждом шаге.
8. Зачитать: Умноженный сигнал считывается АЦП, и процесс повторяется до тех пор, пока не будет считан весь кадр.

Плюсы и минусы датчиков EMCCD

Преимущества датчиков EMCCD

Преимущество	Описание
Подсчет фотонов	Обнаруживает отдельные фотоэлектроны со сверхнизким уровнем шума считывания (<0,2e⁻), что обеспечивает чувствительность к одиночным фотонам.
Чувствительность к сверхнизкому освещению	Значительно лучше, чем традиционные ПЗС-матрицы, иногда превосходя даже высококлассные sCMOS-камеры при очень низких уровнях освещенности.
Низкий темновой ток	Глубокое охлаждение снижает тепловой шум, обеспечивая более четкие изображения при длительной выдержке.
«Полуглобальный» затвор	Передача кадров обеспечивает практически глобальную экспозицию с очень быстрым смещением заряда (~1 микросекунда).

● Подсчет фотонов: При достаточно высокой степени умножения электронов шум чтения может быть практически устранен (<0,2e-). Это, наряду с высоким коэффициентом усиления и практически идеальной квантовой эффективностью, означает возможность различения отдельных фотоэлектронов.
● Чувствительность к сверхнизкому освещению: По сравнению с ПЗС, характеристики EMCCD при слабом освещении значительно лучше. В некоторых приложениях EMCCD может обеспечивать лучшую детектирующую способность и контрастность, чем даже высококлассные sCMOS при минимально возможном уровне освещенности.
● Низкий темновой ток: Как и ПЗС, ЭМЦКД обычно имеют глубокое охлаждение и способны обеспечивать очень низкие значения темнового тока.
● «Полуглобальный» затвор: Процесс передачи кадров для начала и окончания экспозиции не является полностью одновременным, но обычно занимает порядка 1 микросекунды.

Недостатки датчиков EMCCD

Недостаток	Описание
Ограниченная скорость	Максимальная частота кадров (~30 кадров в секунду при 1 МП) значительно ниже, чем у современных альтернатив CMOS.
Шум усиления	Случайный характер размножения электронов вносит избыточный шум, снижая отношение сигнал/шум.
Заряд, индуцированный тактовой частотой (CIC)	Быстрое движение заряда может привести к появлению ложных сигналов, которые затем усиливаются.
Уменьшенный динамический диапазон	Высокий коэффициент усиления снижает максимальный сигнал, который датчик может обработать до насыщения.
Большой размер пикселя	Обычные размеры пикселей (13–16 мкм) могут не соответствовать требованиям многих оптических систем.
Требование интенсивного охлаждения	Для достижения постоянного размножения и низкого уровня шума требуется стабильное глубокое охлаждение.
Потребности в калибровке	Коэффициент усиления ЭМ со временем снижается (снижение умножения), поэтому требуется регулярная калибровка.
Нестабильность короткой выдержки	Очень кратковременное воздействие может вызвать непредсказуемое усиление сигнала и шум.
Высокая стоимость	Сложное производство и глубокое охлаждение делают эти датчики более дорогими, чем sCMOS.
Ограниченный срок службы	Регистр умножения электронов изнашивается, обычно срок его службы составляет 5–10 лет.
Проблемы экспорта	Подлежит строгим правилам ввиду возможного военного применения.

● Ограниченная скорость: Быстрые EMCCD-камеры обеспечивают скорость около 30 кадров в секунду при разрешении 1 МП, что сопоставимо с ПЗС-камерами, но на несколько порядков медленнее, чем КМОП-камеры.

● Введение в шум: «Избыточный коэффициент шума», вызванный случайным умножением электронов, по сравнению с малошумящей sCMOS-камерой с такой же квантовой эффективностью может привести к значительному повышению уровня шума в EMCCD-камерах в зависимости от уровня сигнала. Отношение сигнал/шум (SNR) для высококачественных sCMOS-камер обычно лучше для сигналов порядка 3e-, и ещё лучше для более высоких сигналов.

● Заряд, индуцированный тактовой частотой (CIC): Если не контролировать движение зарядов по сенсору, оно может привести к появлению дополнительных электронов в пикселях. Этот шум затем умножается регистром умножения электронов. Более высокая скорость движения зарядов (тактовая частота) приводит к более высокой частоте кадров, но и к большему CIC.

● Уменьшенный динамический диапазон: Очень высокие значения умножения электронов, необходимые для преодоления шума чтения EMCCD, приводят к значительному сужению динамического диапазона.

● Большой размер пикселя: Наименьший размер пикселя для EMCCD-камер составляет 10 мкм, но наиболее распространённые — 13 или 16 мкм. Это слишком много для большинства оптических систем с высоким разрешением.

● Требования к калибровке: Процесс электронного умножения приводит к износу электронного регистра, снижая его способность к умножению в процессе, называемом «распадом электронного умножения». Это означает, что коэффициент усиления камеры постоянно меняется, и для получения количественных изображений камера требует регулярной калибровки.

● Непостоянная экспозиция в короткие промежутки времени: При использовании очень короткого времени экспозиции камеры EMCCD могут давать непоследовательные результаты, поскольку слабый сигнал перекрывается шумом, а процесс усиления вносит статистические флуктуации.

● Требуются большие объемы охлажденияПроцесс размножения электронов сильно зависит от температуры. Охлаждение датчика увеличивает доступную скорость размножения электронов. Поэтому глубокое охлаждение датчика при сохранении стабильности температуры критически важно для воспроизводимых измерений ЭМКД.

● Высокая стоимость: Сложность производства этих многокомпонентных датчиков в сочетании с глубоким охлаждением приводит к тому, что цены на них, как правило, выше, чем на камеры с датчиками sCMOS самого высокого качества.

● Ограниченный срок службы: Распад вследствие умножения электронов накладывает ограничение на срок службы этих дорогостоящих датчиков, который обычно составляет 5–10 лет, в зависимости от интенсивности использования.

● Проблемы экспорта: Импорт и экспорт датчиков ЭМКД, как правило, представляет собой сложную логистическую задачу из-за их потенциального использования в военных целях.

Почему EMCCD является преемником CCD

Особенность	ПЗС-матрица	EMCCD
Чувствительность	Высокий	Сверхвысокий (особенно при слабом освещении)
Шум считывания	Умеренный	Крайне низкий (из-за усиления)
Динамический диапазон	Высокий	Умеренный (ограничен усилением)
Расходы	Ниже	Выше
Охлаждение	Необязательный	Обычно требуется для оптимальной производительности
Варианты использования	Общая визуализация	Обнаружение одиночных фотонов при слабом освещении

Датчики EMCCD построены на основе традиционной технологии ПЗС с использованием этапа электронного умножения. Это расширяет возможности усиления слабых сигналов и снижения шума, делая датчики EMCCD предпочтительным выбором для задач получения изображений в условиях крайне слабого освещения, где ПЗС-датчики неэффективны.

Основные области применения датчиков EMCCD

Датчики EMCCD широко используются в научных и промышленных областях, где требуется высокая чувствительность и способность обнаруживать слабые сигналы:

● Life Science Imaging: Для таких применений, как флуоресцентная микроскопия одиночных молекул и флуоресцентная микроскопия полного внутреннего отражения (TIRF).
● Астрономия: Используется для регистрации слабого света от далеких звезд, галактик и исследования экзопланет.
● Квантовая оптика: Для экспериментов по запутыванию фотонов и квантовой информации.

● Криминалистика и безопасность: Используется для наблюдения в условиях низкой освещенности и анализа трасологических доказательств.
● Спектроскопия: В рамановской спектроскопии и детектировании флуоресценции низкой интенсивности.

Когда следует выбирать датчик EMCCD?

С развитием КМОП-сенсоров в последние годы преимущество EMCCD-сенсоров в плане шума чтения снизилось, поскольку теперь даже камеры sCMOS способны считывать субэлектронный шум, наряду с целым рядом других преимуществ. Если в приложении ранее использовались EMCCD-сенсоры, стоит оценить, является ли это лучшим выбором, учитывая развитие sCMOS.

Исторически сложилось так, что EMCCD-устройства всё ещё могли успешно выполнять счёт фотонов, наряду с несколькими другими узкоспециализированными приложениями с типичными уровнями сигнала менее 3-5 электрон-ионов на пиксель в пике. Однако, с появлением большего размера пикселей и субэлектронного шума чтения,научные камерыоснованные на технологии sCMOS, вполне возможно, что эти приложения вскоре также смогут реализовываться с использованием высококачественных sCMOS.

Часто задаваемые вопросы

Каково минимальное время экспозиции для камер с покадровой передачей изображения?

Для всех датчиков с кадровой передачей, включая EMCCD, вопрос минимально возможного времени экспозиции является сложным. При получении одиночных изображений экспозицию можно завершить, переместив полученные заряды в область маски для очень быстрого считывания, что позволяет использовать короткие (доли микросекунды) минимальные времена экспозиции.

Однако, как только камера начинает потоковую передачу на полной скорости, то есть снимает несколько кадров/видео с полной частотой кадров, как только экспозиция первого изображения заканчивается, маскированная область занимает этот кадр до завершения считывания. Таким образом, экспозиция не может быть завершена. Это означает, что независимо от времени экспозиции, запрошенного в программном обеспечении, фактическое время экспозиции последующих кадров после первого из многокадровой съемки на полной скорости определяется временем кадра камеры, то есть 1/Частота кадров.

Заменяет ли технология sCMOS датчики EMCCD?

У EMCCD-камер были две характеристики, которые помогли им сохранить преимущество в условиях экстремально низкой освещённости (с пиковыми уровнями сигнала не более 5 фотоэлектронов). Во-первых, большой размер пикселя (до 16 мкм) и, во-вторых, уровень шума считывания <1e.

Новое поколениеsCMOS-камераПоявилась камера, обладающая теми же характеристиками, но без многочисленных недостатков EMCCD, особенно избыточного коэффициента шума. Такие камеры, как Aries 16 из Туксена, оснащены пикселями с тыловой подсветкой размером 16 мкм и шумом чтения 0,8e-. Благодаря низкому уровню шума и «исходно» большому размеру пикселей эти камеры также превосходят большинство sCMOS-камер с биннингом благодаря взаимосвязи между биннингом и шумом чтения.

Если вы хотите узнать больше о EMCCD, нажмите:

Можно ли заменить EMCCD и нужно ли нам это?