01.08.2025Электронно-умножающий ПЗС-сенсор — это усовершенствованная версия ПЗС-сенсора, позволяющая работать при низком уровне освещенности. Обычно они предназначены для обработки сигналов от нескольких сотен фотоэлектронов до уровня подсчета отдельных фотонов.
В этой статье объясняется, что такое EMCCD-сенсоры, как они работают, каковы их преимущества и недостатки, а также почему они считаются следующим этапом развития технологии CCD для съемки в условиях низкой освещенности.
Что такое EMCCD-сенсор?
Датчик на основе электронно-умножающего зарядово-связанного устройства (EMCCD) — это специализированный тип CCD-датчика, который усиливает слабые сигналы перед их считыванием, что обеспечивает чрезвычайно высокую чувствительность в условиях низкой освещенности.
Первоначально разработанные для таких применений, как астрономия и передовая микроскопия, EMCCD-матрицы способны обнаруживать отдельные фотоны — задача, с которой традиционные CCD-сенсоры с трудом справляются. Эта способность обнаруживать отдельные фотоны делает EMCCD-матрицы критически важными для областей, требующих точной визуализации при очень низком уровне освещенности.
Как работают датчики EMCCD?
До момента считывания EMCCD-датчики работают по тем же принципам, что и CCD-датчики. Однако перед измерением с помощью АЦП обнаруженные заряды умножаются посредством процесса, называемого импакционизацией, в «регистре умножения электронов». В течение нескольких сотен шагов заряды от пикселя перемещаются вдоль ряда замаскированных пикселей под высоким напряжением. Каждый электрон на каждом шаге имеет шанс принести с собой дополнительные электроны. Таким образом, сигнал умножается экспоненциально.
Результатом качественной калибровки EMCCD-матрицы является возможность выбора точного значения среднего коэффициента умножения, обычно около 300–400 для работы в условиях низкой освещенности. Это позволяет умножать регистрируемые сигналы на величину, значительно превышающую шум считывания камеры, тем самым снижая шум считывания камеры. К сожалению, стохастический характер этого процесса умножения означает, что каждый пиксель умножается на разное значение, что вносит дополнительный шумовой фактор и снижает отношение сигнал/шум (SNR) EMCCD-матрицы.
Вот подробное описание принципа работы EMCCD-датчиков. До шага 6 процесс практически идентичен процессу для CCD-датчиков.
По окончании экспозиции датчики EMCCD сначала быстро перемещают собранные заряды в замаскированный массив пикселей тех же размеров, 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 высвободить дополнительный электрон, экспоненциально умножая сигнал. В конце умноженный сигнал считывается.
1. Снятие зарядаДля начала съемки заряд одновременно удаляется со всего сенсора (глобальный затвор).
2. Накопление зарядаВ процессе воздействия накапливается заряд.
3. Хранение зарядаПосле экспозиции собранные заряды перемещаются в замаскированную область датчика, где они могут ожидать считывания без учета новых обнаруженных фотонов. Это процесс «передачи кадра».
4. Экспозиция следующего кадраБлагодаря обнаруженным зарядам, хранящимся в замаскированных пикселях, активные пиксели могут начать экспозицию следующего кадра (режим перекрытия).
5. Процесс считыванияПоочередно заряды для каждого ряда готовой рамы перемещаются в «регистр считывания».
6. Поочередно заряды от каждого пикселя подаются в узел считывания.
7. Умножение электроновЗатем все электронные заряды пикселя поступают в регистр умножения электронов и перемещаются шаг за шагом, экспоненциально увеличиваясь в количестве на каждом шаге.
8. ЗачитатьУмноженный сигнал считывается АЦП, и процесс повторяется до тех пор, пока не будет считан весь кадр.
Преимущества и недостатки EMCCD-датчиков
Преимущества EMCCD-датчиков
| Преимущество | Описание |
| Подсчет фотонов | Обнаруживает отдельные фотоэлектроны со сверхнизким уровнем шума считывания (<0,2e⁻), что обеспечивает чувствительность к одиночным фотонам. |
| Сверхнизкая светочувствительность | Значительно превосходит традиционные ПЗС-матрицы, иногда опережая даже высококачественные sCMOS-камеры при очень низком уровне освещенности. |
| Низкий темновой ток | Глубокое охлаждение снижает тепловой шум, обеспечивая более четкие изображения при длительных выдержках. |
| «Полуглобальный» затвор | Передача кадров позволяет добиться практически глобальном охвата с очень быстрым изменением заряда (~1 микросекунда). |
● Подсчет фотоновПри достаточно высоком уровне электронного умножения шум считывания практически полностью устраняется (<0,2e-). Это, наряду с высоким коэффициентом усиления и почти идеальной квантовой эффективностью, означает, что становится возможным различение отдельных фотоэлектронов.
● Сверхнизкая светочувствительностьПо сравнению с ПЗС-матрицами, характеристики EMCCD-матриц при слабом освещении значительно лучше. В некоторых областях применения EMCCD-матрицы могут обеспечивать лучшие возможности обнаружения и контрастность даже по сравнению с высококачественными sCMOS-матрицами при самых низких уровнях освещенности.
● Низкий темновой токКак и ПЗС-матрицы, ЭМСПД-матрицы обычно имеют глубокое охлаждение и способны обеспечивать очень низкие значения тока утечки.
● Затвор «Половина глобального»Процесс передачи кадра для начала и окончания экспозиции не является по-настоящему одновременным, но обычно занимает порядка 1 микросекунды.
Недостатки EMCCD-датчиков
| Недостаток | Описание |
| Ограниченная скорость | Максимальная частота кадров (~30 кадров в секунду при 1 Мп) значительно ниже, чем у современных CMOS-матриц. |
| Шум усиления | Случайный характер процесса умножения электронов вносит избыточный шум, снижая отношение сигнал/шум. |
| Индуцированный тактовым сигналом заряд (CIC) | Быстрое перемещение заряда может приводить к появлению ложных сигналов, которые усиливаются. |
| Сниженный динамический диапазон | Высокое усиление уменьшает максимальный сигнал, который может обработать датчик до насыщения. |
| Большой размер пикселя | Распространенные размеры пикселей (13–16 мкм) могут не соответствовать требованиям многих оптических систем. |
| Высокие требования к охлаждению | Для обеспечения стабильного размножения и низкого уровня шума необходимо стабильное глубокое охлаждение. |
| Потребности в калибровке | Коэффициент усиления электромагнитной системы со временем снижается (эффект умножения), что требует регулярной калибровки. |
| Нестабильность при кратковременной экспозиции | Очень кратковременная выдержка может привести к непредсказуемому усилению сигнала и появлению шума. |
| Высокая стоимость | Сложные производственные процессы и глубокое охлаждение делают эти датчики дороже, чем датчики на основе sCMOS-технологии. |
| Ограниченный срок службы | Регистр электронного умножения изнашивается и обычно служит 5–10 лет. |
| Экспортные проблемы | В связи с потенциальным применением в военных целях, применяются строгие правила. |
● Ограниченная скоростьБыстрые EMCCD-матрицы обеспечивают около 30 кадров в секунду при разрешении 1 МП, что аналогично CCD-матрицам, но на порядки медленнее, чем CMOS-камеры.
● Введение в шум«Коэффициент избыточного шума», вызванный случайным умножением электронов, по сравнению с малошумящей sCMOS-камерой с той же квантовой эффективностью, может привести к значительному увеличению шума в EMCCD-матрицах в зависимости от уровня сигнала. Отношение сигнал/шум для высококачественных sCMOS-матриц обычно лучше для сигналов около 3e-, и еще лучше для более высоких уровней сигнала.
● Заряд, индуцированный тактовым сигналом (CIC)Если движение зарядов по датчику не контролируется должным образом, оно может привести к появлению дополнительных электронов в пикселях. Этот шум затем умножается на регистр умножения электронов. Более высокие скорости движения зарядов (тактовые частоты) приводят к более высокой частоте кадров, но к большему CIC (коэффициенту шума, связанного с генерацией шума).
● Сниженный динамический диапазонОчень высокие значения коэффициента электронного умножения, необходимые для преодоления шума считывания EMCCD-матрицы, приводят к значительному снижению динамического диапазона.
● Большой размер пикселяНаименьший распространенный размер пикселя для EMCCD-камер составляет 10 мкм, но наиболее часто используются размеры 13 или 16 мкм. Этого слишком много, чтобы соответствовать требованиям к разрешению большинства оптических систем.
● Требования к калибровкеПроцесс электронного умножения приводит к износу регистра электронного умножения, снижая его способность к умножению в процессе, называемом «распадом электронного умножения». Это означает, что коэффициент усиления камеры постоянно меняется, и для выполнения любых количественных исследований камере требуется регулярная калибровка.
● Неравномерное воздействие в течение коротких промежутков времениПри использовании очень коротких выдержек камеры EMCCD могут давать непоследовательные результаты, поскольку слабый сигнал подавляется шумом, а процесс усиления вносит статистические флуктуации.
● Высокие требования к охлаждениюПроцесс размножения электронов сильно зависит от температуры. Охлаждение датчика увеличивает доступное размножение электронов. Поэтому глубокое охлаждение датчика при сохранении стабильности температуры имеет решающее значение для воспроизводимых измерений с помощью ЭМСЗД.
● Высокая стоимостьСложность производства этих многокомпонентных датчиков в сочетании с необходимостью глубокого охлаждения приводит к тому, что их цены, как правило, выше, чем у камер с самыми высококачественными sCMOS-сенсорами.
● Ограниченный срок службыРаспад, вызванный размножением электронов, ограничивает срок службы этих дорогостоящих датчиков, обычно составляя 5-10 лет в зависимости от интенсивности использования.
● Проблемы экспортаИмпорт и экспорт EMCCD-датчиков сопряжены с логистическими трудностями из-за их потенциального использования в военных целях.
Почему EMCCD является преемником CCD
| Особенность | ПЗС | ЭМКЦД |
| Чувствительность | Высокий | Сверхвысокое освещение (особенно при слабом освещении) |
| Шум считывания | Умеренный | Крайне низкий (из-за прироста) |
| Динамический диапазон | Высокий | Умеренный (ограничен коэффициентом усиления) |
| Расходы | Ниже | Выше |
| Охлаждение | Необязательный | Обычно требуется для оптимальной производительности |
| Варианты использования | Общая визуализация | Обнаружение одиночных фотонов при слабом освещении |
Датчики EMCCD основаны на традиционной технологии CCD и включают в себя этап электронного умножения. Это повышает способность усиливать слабые сигналы и снижать уровень шума, что делает EMCCD предпочтительным выбором для приложений визуализации в условиях крайне низкой освещенности, где датчики CCD не справляются.
Основные области применения EMCCD-датчиков
EMCCD-датчики широко используются в научных и промышленных областях, требующих высокой чувствительности и способности обнаруживать слабые сигналы:
● Life Science Imaging: Для таких применений, как флуоресцентная микроскопия отдельных молекул и микроскопия флуоресценции с полным внутренним отражением (TIRF).
● АстрономияИспользуется для регистрации слабого света от далёких звёзд, галактик и в исследованиях экзопланет.
● Квантовая оптикаДля экспериментов по фотонной запутанности и квантовой информации.
● Криминалистика и безопасностьИспользуется для наблюдения в условиях низкой освещенности и анализа следов преступления.
● СпектроскопияВ рамановской спектроскопии и обнаружении флуоресценции низкой интенсивности.
В каких случаях следует выбирать EMCCD-сенсор?
Благодаря усовершенствованиям CMOS-сенсоров в последние годы, преимущество EMCCD-сенсоров в плане шума считывания уменьшилось, поскольку теперь даже sCMOS-камеры способны обеспечивать шум считывания на уровне ниже электронного, наряду с огромным количеством других преимуществ. Если в каком-либо приложении ранее использовались EMCCD-сенсоры, стоит пересмотреть, является ли это оптимальным выбором с учетом развития sCMOS-технологий.
Исторически сложилось так, что EMCCD-матрицы могли более успешно выполнять подсчет фотонов, а также использоваться в некоторых других нишевых приложениях с типичным уровнем сигнала менее 3-5 электронов на пиксель. Однако с появлением больших размеров пикселей и субэлектронного шума считывания в микросхемахнаучные камерыБлагодаря использованию технологии sCMOS, вполне возможно, что и эти приложения вскоре будут выполняться с помощью высокопроизводительных sCMOS-технологий.
Часто задаваемые вопросы
Каково минимальное время экспозиции для камер с покадровой передачей изображения?
Для всех датчиков с передачей кадров, включая EMCCD, вопрос минимально возможного времени экспозиции является сложным. При получении одного изображения экспозицию можно завершить, быстро переместив полученные заряды в замаскированную область для считывания, и тогда возможны короткие (менее микросекундные) минимальные времена экспозиции.
Однако, как только камера начинает потоковую передачу на полной скорости, то есть захватывает несколько кадров/видео с полной частотой кадров, как только экспозиция первого изображения завершается, замаскированная область занята этим кадром до завершения считывания. Следовательно, экспозиция не может закончиться. Это означает, что независимо от времени экспозиции, запрошенного в программном обеспечении, реальное время экспозиции последующих кадров после первого кадра в режиме полной скорости многокадровой съемки определяется временем кадра, то есть 1 / частотой кадров, камеры.
Заменяет ли технология sCMOS датчики EMCCD?
Камеры EMCCD обладали двумя характеристиками, которые помогали им сохранять преимущество в условиях крайне низкой освещенности (с пиковым уровнем сигнала 5 фотоэлектронов или менее). Во-первых, это большие пиксели, до 16 мкм, а во-вторых, уровень шума считывания <1e-.
Новое поколениеsCMOS-камераПоявились камеры, предлагающие те же характеристики, но без многочисленных недостатков EMCCD-матриц, особенно с высоким уровнем шума. Такие камеры, как Aries 16 от Tucsen, имеют пиксели с задней подсветкой размером 16 мкм и шумом считывания 0,8e-. Благодаря низкому уровню шума и «собственно» большим пикселям, эти камеры также превосходят большинство биннинговых sCMOS-камер, что объясняется соотношением между биннингом и шумом считывания.
Если вы хотите узнать больше об EMCCD, пожалуйста, перейдите по ссылке:
Можно ли заменить EMCCD, и понадобится ли нам это когда-нибудь?
