25. 8. 2001CCD snímač s násobením elektrónov je evolúciou CCD snímača, ktorá umožňuje prevádzku pri slabšom osvetlení. Zvyčajne je určený pre signály niekoľkých stoviek fotoelektrónov až po úroveň počítania jednotlivých fotónov.
Tento článok vysvetľuje, čo sú senzory EMCCD, ako fungujú, aké sú ich výhody a nevýhody a prečo sa považujú za ďalší vývojový stupeň technológie CCD pre zobrazovanie pri slabom osvetlení.
Čo je to senzor EMCCD?
Senzor EMCCD (Electron-Multiplying Charge-Coupled Device) je špecializovaný typ CCD senzora, ktorý zosilňuje slabé signály pred ich načítaním, čo umožňuje extrémne vysokú citlivosť v prostrediach so slabým osvetlením.
EMCCD, pôvodne vyvinuté pre aplikácie ako astronómia a pokročilá mikroskopia, dokážu detekovať jednotlivé fotóny, čo je úloha, s ktorou sa tradičné CCD senzory trápia. Táto schopnosť detekovať jednotlivé fotóny robí z EMCCD kľúčové oblasti vyžadujúce presné zobrazovanie pri veľmi slabom osvetlení.
Ako fungujú senzory EMCCD?
Až do bodu odčítania fungujú senzory EMCCD na rovnakých princípoch ako senzory CCD. Pred meraním pomocou ADC sa však detekované náboje vynásobia procesom nazývaným impactionizácia v „registri násobenia elektrónov“. V priebehu série niekoľkých stoviek krokov sa náboje z pixelu pohybujú pozdĺž série maskovaných pixelov pri vysokom napätí. Každý elektrón má v každom kroku šancu priniesť ďalšie elektróny. Signál sa preto exponenciálne vynásobí.
Konečným výsledkom dobre kalibrovaného EMCCD je schopnosť zvoliť presnú hodnotu priemerného násobenia, zvyčajne okolo 300 až 400 pre prácu pri slabom osvetlení. To umožňuje vynásobiť detekované signály oveľa viac ako je čítací šum kamery, čím sa v skutočnosti znižuje čítací šum kamery. Stochastická povaha tohto procesu násobenia bohužiaľ znamená, že každý pixel sa vynásobí iným množstvom, čo zavádza dodatočný faktor šumu a znižuje pomer signálu k šumu (SNR) EMCCD.
Tu je rozpis fungovania senzorov EMCCD. Až do kroku 6 je proces v podstate rovnaký ako pri senzoroch CCD.
Obrázok: Proces odčítania údajov zo senzora EMCCD
Na konci expozície senzory EMCCD najprv rýchlo presunú zozbierané náboje do maskovaného poľa pixelov s rovnakými rozmermi ako pole citlivé na svetlo (prenos snímky). Potom sa náboje, jeden riadok po druhom, presúvajú do čítacieho registra. Jeden stĺpec po druhom sa náboje v čítacom registri prenášajú do multiplikačného registra. V každej fáze tohto registra (v skutočných kamerách EMCCD až do 1000 fáz) má každý elektrón malú šancu uvoľniť ďalší elektrón, čím sa signál exponenciálne znásobí. Nakoniec sa vynásobený signál načíta.
1. Zúčtovanie poplatkovNa začatie snímania sa náboj súčasne vyčistí z celého senzora (globálna uzávierka).
2. Akumulácia nábojaPočas expozície sa akumuluje náboj.
3. Úložisko nabíjaniaPo expozícii sa zozbierané náboje presunú do maskovanej oblasti senzora, kde môžu čakať na načítanie bez toho, aby sa počítali nové detekované fotóny. Toto je proces „prenosu snímky“.
4. Expozícia ďalšieho snímkuPo zistených nábojoch uložených v maskovaných pixeloch môžu aktívne pixely začať s expozíciou ďalšieho snímku (režim prekrývania).
5. Proces odčítaniaNáboje pre každý riadok hotového rámca sa po jednom riadku presúvajú do „registra na odčítanie“.
6. Náboje z každého pixelu sú po stĺpci po stĺpci prenášané do čítacieho uzla.
7. Násobenie elektrónovĎalej všetky elektrónové náboje z pixelu vstupujú do registra násobenia elektrónov a pohybujú sa krok za krokom, pričom sa ich počet v každom kroku exponenciálne násobí.
8. OdčítanieVynásobený signál je načítaný ADC a proces sa opakuje, kým nie je načítaný celý rámec.
Výhody a nevýhody senzorov EMCCD
Výhody senzorov EMCCD
| Výhoda | Popis |
| Počítanie fotónov | Detekuje jednotlivé fotoelektróny s ultranízkym šumom pri čítaní (<0,2e⁻), čo umožňuje citlivosť na jeden fotón. |
| Citlivosť pri veľmi slabom osvetlení | Výrazne lepšie ako tradičné CCD snímače, niekedy prekonávajú aj špičkové sCMOS kamery pri veľmi slabom osvetlení. |
| Nízky tmavý prúd | Hlboké chladenie znižuje tepelný šum, čo umožňuje čistejšie snímky aj pri dlhých expozíciách. |
| „Pologlobálna“ uzávierka | Prenos snímky umožňuje takmer globálnu expozíciu s veľmi rýchlym posunom náboja (~1 mikrosekunda). |
● Počítanie fotónovPri dostatočne vysokom násobení elektrónov je možné šum pri čítaní prakticky eliminovať (<0,2e-). To spolu s vysokou hodnotou zosilnenia a takmer dokonalou kvantovou účinnosťou znamená, že je možné rozlíšiť jednotlivé fotoelektróny.
● Citlivosť pri veľmi slabom osvetleníV porovnaní s CCD je výkon EMCCD pri slabom osvetlení výrazne lepší. V niektorých aplikáciách môže EMCCD poskytovať lepšiu detekčnú schopnosť a kontrast aj pri najnižších možných úrovniach osvetlenia ako špičkové sCMOS.
● Nízky tmavý prúdRovnako ako CCD, aj EMCCD sú zvyčajne hlboko chladené a schopné poskytovať veľmi nízke hodnoty tmavého prúdu.
● „Pologlobálna“ uzávierkaProces prenosu snímky na začiatok a koniec expozície nie je skutočne simultánny, ale zvyčajne trvá rádovo 1 mikrosekundu.
Nevýhody senzorov EMCCD
| Nevýhoda | Popis |
| Obmedzená rýchlosť | Maximálne snímkové frekvencie (~30 fps pri 1 MP) sú oveľa pomalšie ako moderné alternatívy CMOS. |
| Zosilňovací šum | Náhodná povaha násobenia elektrónov zavádza nadmerný šum, čím sa znižuje pomer signálu k šumu (SNR). |
| Hodinou indukovaný náboj (CIC) | Rýchly pohyb nabíjania môže spôsobiť falošné signály, ktoré sa zosilňujú. |
| Znížený dynamický rozsah | Vysoký zisk znižuje maximálny signál, ktorý senzor dokáže spracovať pred saturáciou. |
| Veľká veľkosť pixelu | Bežné veľkosti pixelov (13 – 16 μm) nemusia zodpovedať mnohým požiadavkám na optický systém. |
| Požiadavka na silné chladenie | Na dosiahnutie konzistentného násobenia a nízkeho šumu je potrebné stabilné hlboké chladenie. |
| Potreby kalibrácie | Zisk EM sa časom znižuje (násobiaci útlm), čo si vyžaduje pravidelnú kalibráciu. |
| Nestabilita krátkodobej expozície | Veľmi krátke expozície môžu spôsobiť nepredvídateľné zosilnenie signálu a šum. |
| Vysoké náklady | Zložitá výroba a hlboké chladenie robia tieto senzory drahšími ako sCMOS. |
| Obmedzená životnosť | Register násobenia elektrónov sa opotrebuje, zvyčajne po 5 – 10 rokoch. |
| Výzvy v oblasti exportu | Podlieha prísnym predpisom z dôvodu možného vojenského použitia. |
● Obmedzená rýchlosťRýchle EMCCD snímače poskytujú približne 30 snímok za sekundu pri rozlíšení 1 MP, podobne ako CCD snímače, ale o rády pomalšie ako CMOS fotoaparáty.
● Úvod do hluku„Faktor nadmerného šumu“ spôsobený náhodným násobením elektrónov môže v porovnaní s nízkošumovou sCMOS kamerou s rovnakou kvantovou účinnosťou poskytnúť EMCCD drasticky vyšší šum v závislosti od úrovne signálu. Pomer signálu k šumu (SNR) pre špičkové sCMOS je zvyčajne lepší pre signály okolo 3e-, ešte lepší pre vyššie signály.
● Nabíjanie indukované hodinami (CIC)Ak nie je pohyb nábojov cez snímač starostlivo kontrolovaný, môže do pixelov vniesť ďalšie elektróny. Tento šum je potom znásobený registrom násobenia elektrónov. Vyššie rýchlosti pohybu náboja (taktovacie frekvencie) vedú k vyšším snímkovým frekvenciám, ale k väčšiemu CIC.
● Znížený dynamický rozsahVeľmi vysoké hodnoty násobenia elektrónov potrebné na prekonanie čítacieho šumu EMCCD vedú k výrazne zníženému dynamickému rozsahu.
● Veľká veľkosť pixeluNajmenšia bežná veľkosť pixelu pre kamery EMCCD je 10 μm, ale najbežnejšia je 13 alebo 16 μm. To je príliš veľká veľkosť na to, aby spĺňala požiadavky na rozlíšenie väčšiny optických systémov.
● Požiadavky na kalibráciuProces násobenia elektrónov opotrebováva EM register používaním, čím sa znižuje jeho schopnosť násobiť v procese nazývanom „rozpad násobenia elektrónov“. To znamená, že zisk kamery sa neustále mení a kamera vyžaduje pravidelnú kalibráciu na vykonanie akéhokoľvek kvantitatívneho zobrazovania.
● Nekonzistentná expozícia v krátkych časochPri použití veľmi krátkych expozičných časov môžu kamery EMCCD produkovať nekonzistentné výsledky, pretože slabý signál je prekrytý šumom a proces zosilnenia zavádza štatistické fluktuácie.
● Požiadavka na silné chladenieProces násobenia elektrónov je silne ovplyvnený teplotou. Chladenie senzora zvyšuje dostupné násobenie elektrónov. Preto je dôkladné chladenie senzora pri zachovaní teplotnej stability kľúčové pre reprodukovateľné merania EMCCD.
● Vysoká cenaNáročnosť výroby týchto viacprvkových senzorov v kombinácii s hlbokým chladením vedie k cenám, ktoré sú zvyčajne vyššie ako ceny kamier s najkvalitnejšími sCMOS senzormi.
● Obmedzená životnosťRozpad násobenia elektrónov obmedzuje životnosť týchto drahých senzorov, zvyčajne na 5 – 10 rokov, v závislosti od úrovne používania.
● Výzvy v oblasti exportuDovoz a vývoz senzorov EMCCD býva logisticky náročný kvôli ich potenciálnemu využitiu vo vojenských aplikáciách.
Prečo je EMCCD nástupcom CCD
| Funkcia | CCD | EMCCD |
| Citlivosť | Vysoká | Ultravysoké (najmä pri slabom osvetlení) |
| Hluk pri odčítaní | Mierne | Extrémne nízke (kvôli zisku) |
| Dynamický rozsah | Vysoká | Mierny (obmedzený ziskom) |
| Cena | Nižšie | Vyššia |
| Chladenie | Voliteľné | Zvyčajne potrebné pre optimálny výkon |
| Prípady použitia | Všeobecné zobrazovanie | Detekcia jednotlivých fotónov pri slabom osvetlení |
Snímače EMCCD stavajú na tradičnej technológii CCD začlenením kroku násobenia elektrónov. To zlepšuje schopnosť zosilňovať slabé signály a redukovať šum, vďaka čomu sú EMCCD preferovanou voľbou pre zobrazovacie aplikácie s extrémne slabým osvetlením, kde CCD snímače zlyhávajú.
Kľúčové aplikácie senzorov EMCCD
Senzory EMCCD sa bežne používajú vo vedeckých a priemyselných oblastiach, ktoré vyžadujú vysokú citlivosť a schopnosť detekovať slabé signály:
● Predstavivosť v biologických vedáchg: Pre aplikácie ako fluorescenčná mikroskopia jednotlivých molekúl a fluorescenčná mikroskopia s úplným vnútorným odrazom (TIRF).
● AstronómiaPoužíva sa na zachytávanie slabého svetla zo vzdialených hviezd, galaxií a výskum exoplanét.
● Kvantová optikaPre experimenty s previazaním fotónov a kvantovou informáciou.
● Forenzná veda a bezpečnosťPracuje na monitorovaní v slabom osvetlení a analýze stopových dôkazov.
● SpektroskopiaV Ramanovej spektroskopii a detekcii fluorescencie s nízkou intenzitou.
Kedy by ste si mali vybrať senzor EMCCD?
S vylepšeniami CMOS senzorov v posledných rokoch sa výhoda čítacieho šumu senzorov EMCCD znížila, pretože v súčasnosti sú aj sCMOS kamery schopné dosahovať subelektónový čítací šum, spolu s obrovským množstvom ďalších výhod. Ak aplikácia predtým používala EMCCD, stojí za to preskúmať, či je to vzhľadom na vývoj v sCMOS najlepšia voľba.
Historicky, EMCCD stále dokázali úspešnejšie vykonávať počítanie fotónov, spolu s niekoľkými ďalšími špecializovanými aplikáciami s typickými úrovňami signálu menšími ako 3-5e- na pixel v špičke. Hoci s väčšou veľkosťou pixelov a šumom čítania subelektrónov sa stáva dostupným v...vedecké kameryna základe technológie sCMOS je možné, že aj tieto aplikácie budú čoskoro vykonávané s použitím špičkových sCMOS.
Často kladené otázky
Aký je minimálny expozičný čas pre kamery s prenosom snímky?
Pre všetky snímače s prenosom snímky vrátane EMCCD je otázka minimálneho možného expozičného času zložitá. Pri snímaní jednotlivých snímok je možné expozíciu ukončiť premiešaním získaných nábojov do maskovanej oblasti pre veľmi rýchle načítanie a sú možné aj krátke (submikrosekundové) minimálne expozičné časy.
Avšak hneď ako kamera začne streamovať plnou rýchlosťou, t. j. získavať viacero snímok / film s plnou snímkovou frekvenciou, hneď ako sa dokončí expozícia prvého obrázka, maskovaná oblasť je obsadená týmto snímkom, kým sa nedokončí načítanie. Expozícia sa preto nemôže ukončiť. To znamená, že bez ohľadu na expozičný čas požadovaný v softvéri je skutočný expozičný čas nasledujúcich snímok po prvom z viacnásobného snímania plnou rýchlosťou daný snímkovým časom kamery, t. j. 1 / snímková frekvencia.
Nahrádza technológia sCMOS senzory EMCCD?
Kamery EMCCD mali dve špecifikácie, ktoré im pomohli udržať si výhodu v extrémne slabých svetelných podmienkach (s maximálnou úrovňou signálu 5 fotoelektrónov alebo menej). Po prvé, ich veľké pixely, až do 16 μm, a po druhé, ich šum pri čítaní <1e.
Nová generáciasCMOS kameraobjavila sa kamera, ktorá ponúka rovnaké vlastnosti bez početných nevýhod EMCCD, najmä nadmerného šumového faktora. Kamery ako Aries 16 od spoločnosti Tucsen ponúkajú 16 μm podsvietené pixely s čítacím šumom 0,8e-. Vďaka nízkemu šumu a „natívne“ veľkým pixelom tieto kamery prekonávajú väčšinu binned sCMOS kamier vďaka vzťahu medzi binningom a čítacím šumom.
Ak sa chcete dozvedieť viac o EMCCD, kliknite na:
Dá sa EMCCD nahradiť a chceli by sme to vôbec niekedy?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Všetky práva vyhradené. Pri citovaní uveďte zdroj:www.tucsen.com
