25. 8. 2001Senzor CCD z množenjem elektronov je nadgradnja senzorja CCD, ki omogoča delovanje pri šibkejši svetlobi. Običajno so namenjeni signalom nekaj sto fotoelektronov, vse do ravni štetja posameznih fotonov.
Ta članek pojasnjuje, kaj so senzorji EMCCD, kako delujejo, njihove prednosti in slabosti ter zakaj veljajo za naslednji korak v razvoju tehnologije CCD za slikanje pri šibki svetlobi.
Kaj je senzor EMCCD?
Senzor EMCCD (Electron-Multiplying Charge-Coupled Device) je specializirana vrsta CCD senzorja, ki ojača šibke signale, preden jih odčita, kar omogoča izjemno visoko občutljivost v okoljih s slabo svetlobo.
EMCCD-ji, ki so bili prvotno razviti za aplikacije, kot sta astronomija in napredna mikroskopija, lahko zaznajo posamezne fotone, kar je naloga, s katero se tradicionalni CCD senzorji težko spopadajo. Zaradi te sposobnosti zaznavanja posameznih fotonov so EMCCD-ji ključni za področja, ki zahtevajo natančno slikanje pri zelo šibki svetlobi.
Kako delujejo senzorji EMCCD?
Do točke odčitavanja delujejo senzorji EMCCD po enakih principih kot senzorji CCD. Vendar pa se pred meritvijo z ADC zaznani naboji pomnožijo s postopkom, imenovanim impakcionizacija, v "registru za množenje elektronov". V seriji več sto korakov se naboji iz slikovne pike premikajo vzdolž serije maskiranih slikovnih pik pri visoki napetosti. Vsak elektron ima v vsakem koraku možnost, da s seboj prinese dodatne elektrone. Signal se zato eksponentno pomnoži.
Končni rezultat dobro kalibriranega EMCCD je možnost izbire natančne količine povprečnega množenja, običajno okoli 300 do 400 za delo pri šibki svetlobi. To omogoča, da se zaznani signali pomnožijo veliko bolj kot bralni šum kamere, kar dejansko zmanjša bralni šum kamere. Žal stohastična narava tega procesa množenja pomeni, da se vsaka slikovna pika pomnoži z drugačno količino, kar uvaja dodaten faktor šuma in zmanjšuje razmerje signal/šum (SNR) EMCCD.
Tukaj je razčlenitev delovanja senzorjev EMCCD. Do 6. koraka je postopek praktično enak kot pri senzorjih CCD.
Slika: Postopek odčitavanja za senzor EMCCD
Ob koncu osvetlitve senzorji EMCCD najprej hitro premaknejo zbrane naboje v maskirano matriko slikovnih pik enakih dimenzij kot svetlobno občutljiva matrika (prenos sličic). Nato se naboji, eno vrstico naenkrat, premaknejo v register za branje. Stolpec naenkrat se naboji znotraj registra za branje prenesejo v register za množenje. Na vsaki stopnji tega registra (do 1000 stopenj v pravih kamerah EMCCD) ima vsak elektron majhno možnost, da sprosti dodaten elektron, s čimer se signal eksponentno pomnoži. Na koncu se pomnoženi signal prebere.
1. Pobiranje bremenitveZa začetek zajemanja se naboj hkrati izbriše iz celotnega senzorja (globalni zaklop).
2. Kopičenje naboja: Naboj se med izpostavljenostjo kopiči.
3. Shranjevanje polnjenjaPo osvetlitvi se zbrani naboji premaknejo na maskirano območje senzorja, kjer lahko počakajo na odčitavanje, ne da bi se pri tem prešteli novi zaznani fotoni. To je postopek »prenosa okvirja«.
4. Osvetlitev naslednjega kadraKo se zaznani naboji shranijo v maskiranih slikovnih pikah, lahko aktivne slikovne pike začnejo osvetljevati naslednji kader (način prekrivanja).
5. Postopek odčitavanja: Vrstica za vrstico se naboji za vsako vrstico končnega okvirja premaknejo v 'register za branje'.
6. Naboji iz vsakega slikovnega elementa se v vsakem stolpcu naenkrat prenašajo v bralno vozlišče.
7. Množenje elektronovNato vsi elektronski naboji iz piksla vstopijo v register za množenje elektronov in se premikajo korak za korakom, pri čemer se njihovo število eksponentno množi v vsakem koraku.
8. OdčitavanjePomnoženi signal prebere ADC in postopek se ponavlja, dokler se ne prebere celoten okvir.
Prednosti in slabosti senzorjev EMCCD
Prednosti senzorjev EMCCD
| Prednost | Opis |
| Štetje fotonov | Zazna posamezne fotoelektrone z izjemno nizkim bralnim šumom (<0,2e⁻), kar omogoča občutljivost na posamezne fotone. |
| Občutljivost pri izjemno šibki svetlobi | Bistveno boljši od tradicionalnih CCD-jev, včasih celo pri zelo šibki svetlobi presega vrhunske sCMOS kamere. |
| Nizek temni tok | Globoko hlajenje zmanjša toplotni šum, kar omogoča čistejše slike pri dolgih osvetlitvah. |
| 'Polglobalni' zaklop | Prenos sličic omogoča skoraj globalno osvetlitev z zelo hitrim premikanjem naboja (~1 mikrosekunda). |
● Štetje fotonovZ dovolj visokim pomnoževanjem elektronov je mogoče šum odčitavanja praktično odpraviti (<0,2e-). To skupaj z visoko vrednostjo ojačanja in skoraj popolno kvantno učinkovitostjo pomeni, da je mogoče razlikovati posamezne fotoelektrone.
● Občutljivost pri izjemno šibki svetlobiV primerjavi s CCD-ji je delovanje EMCCD-jev pri šibki svetlobi bistveno boljše. V nekaterih primerih EMCCD zagotavlja boljšo zaznavno zmogljivost in kontrast celo kot vrhunski sCMOS-ji pri najnižjih možnih ravneh svetlobe.
● Nizek temni tokTako kot CCD-ji so tudi EMCCD-ji običajno globoko hlajeni in lahko zagotavljajo zelo nizke vrednosti temnega toka.
● Zaklop »polovični globalni«Postopek prenosa sličic na začetek in konec osvetlitve ni resnično sočasen, ampak običajno traja približno 1 mikrosekundo.
Slabosti senzorjev EMCCD
| Slabost | Opis |
| Omejena hitrost | Največje hitrosti sličic na sekundo (~30 sličic na sekundo pri 1 MP) so veliko počasnejše od sodobnih CMOS alternativ. |
| Ojačevalni šum | Naključna narava množenja elektronov povzroča presežek šuma, kar zmanjšuje razmerje signal-šum. |
| Polnjenje, ki ga inducira ura (CIC) | Hitro gibanje polnjenja lahko povzroči lažne signale, ki se okrepijo. |
| Zmanjšan dinamični razpon | Visoko ojačanje zmanjša največji signal, ki ga senzor lahko obdela, preden pride do nasičenja. |
| Velika velikost slikovnih pik | Običajne velikosti slikovnih pik (13–16 μm) morda ne ustrezajo številnim zahtevam optičnega sistema. |
| Zahteva po močnem hlajenju | Za doseganje doslednega množenja in nizkega šuma je potrebno stabilno globoko hlajenje. |
| Potrebe po kalibraciji | Elektromagnetno ojačanje se sčasoma poslabša (množilni upad), kar zahteva redno kalibracijo. |
| Nestabilnost pri kratki izpostavljenosti | Zelo kratke osvetlitve lahko povzročijo nepredvidljivo ojačanje signala in šum. |
| Visoki stroški | Zaradi kompleksne izdelave in globokega hlajenja so ti senzorji dražji od sCMOS. |
| Omejena življenjska doba | Register za množenje elektronov se obrabi, običajno v 5–10 letih. |
| Izvozni izzivi | Zaradi morebitne vojaške uporabe veljajo strogi predpisi. |
● Omejena hitrostHitri EMCCD-ji zagotavljajo približno 30 sličic na sekundo pri ločljivosti 1 MP, podobno kot CCD-ji, vendar so za več vrst velikosti počasnejši od CMOS kamer.
● Uvod v hrup: »Faktor presežnega šuma«, ki ga povzroča naključno množenje elektronov, lahko v primerjavi z nizkošumno sCMOS kamero z enako kvantno učinkovitostjo povzroči EMCCD-jem drastično višji šum, odvisno od nivojev signala. Razmerje signal-šum (SNR) za vrhunske sCMOS-e je običajno boljše za signale okoli 3e-, še bolj pa za višje signale.
● Naboj, ki ga inducira ura (CIC)Če ni skrbno nadzorovano, lahko gibanje nabojev po senzorju vnese dodatne elektrone v slikovne pike. Ta šum se nato pomnoži z registrom za množenje elektronov. Višje hitrosti gibanja nabojev (frekvence takta) vodijo do višjih hitrosti sličic, vendar večjega CIC.
● Zmanjšan dinamični razponZelo visoke vrednosti množenja elektronov, potrebne za premagovanje bralnega šuma EMCCD, vodijo do precej zmanjšanega dinamičnega razpona.
● Velika velikost slikovnih pikNajmanjša običajna velikost slikovne pike za kamere EMCCD je 10 μm, najpogostejša pa je 13 ali 16 μm. To je veliko preveliko, da bi ustrezalo zahtevam glede ločljivosti večine optičnih sistemov.
● Zahteve za kalibracijoProces množenja elektronov z uporabo obrabi EM register, kar zmanjša njegovo sposobnost množenja v procesu, imenovanem "razpad množenja elektronov". To pomeni, da se ojačanje kamere nenehno spreminja in kamera potrebuje redno kalibracijo za izvajanje kvantitativnega slikanja.
● Nedosledna osvetlitev pri kratkih časihPri uporabi zelo kratkih časov osvetlitve lahko kamere EMCCD dajo nedosledne rezultate, ker šibek signal preglasi šum, postopek ojačanja pa povzroči statistična nihanja.
● Zahteva po močnem hlajenjuNa proces množenja elektronov močno vpliva temperatura. Hlajenje senzorja poveča razpoložljivo množenje elektronov. Zato je globoko hlajenje senzorja ob ohranjanju temperaturne stabilnosti ključnega pomena za ponovljive meritve EMCCD.
● Visoki stroškiTežavnost izdelave teh večkomponentnih senzorjev v kombinaciji z globokim hlajenjem običajno vodi do višjih cen kot pri najkakovostnejših sCMOS senzorskih kamerah.
● Omejena življenjska dobaRazpad zaradi množenja elektronov omejuje življenjsko dobo teh dragih senzorjev, ki običajno znaša 5–10 let, odvisno od stopnje uporabe.
● Izvozni izziviUvoz in izvoz senzorjev EMCCD je zaradi njihove potencialne uporabe v vojaške namene običajno logistično zahteven.
Zakaj je EMCCD naslednik CCD
| Funkcija | CCD | EMCCD |
| Občutljivost | Visoka | Ultra visoka (zlasti pri šibki svetlobi) |
| Hrup pri odčitavanju | Zmerno | Izjemno nizko (zaradi ojačanja) |
| Dinamični razpon | Visoka | Zmerno (omejeno z ojačanjem) |
| Stroški | Spodnje | Višje |
| Hlajenje | Neobvezno | Običajno potrebno za optimalno delovanje |
| Primeri uporabe | Splošno slikanje | Zaznavanje posameznih fotonov pri šibki svetlobi |
Senzorji EMCCD temeljijo na tradicionalni tehnologiji CCD z vključitvijo koraka množenja elektronov. To izboljša sposobnost ojačanja šibkih signalov in zmanjšanja šuma, zaradi česar so EMCCD-ji prednostna izbira za aplikacije slikanja pri izjemno šibki svetlobi, kjer senzorji CCD ne uspevajo.
Ključne uporabe senzorjev EMCCD
Senzorji EMCCD se pogosto uporabljajo na znanstvenih in industrijskih področjih, ki zahtevajo visoko občutljivost in sposobnost zaznavanja šibkih signalov:
● Predstavljajte si znanost o življenjug: Za aplikacije, kot sta fluorescenčna mikroskopija z eno samo molekulo in mikroskopija s popolno notranjo refleksijo (TIRF).
● AstronomijaUporablja se za zajemanje šibke svetlobe oddaljenih zvezd, galaksij in raziskav eksoplanetov.
● Kvantna optikaZa eksperimente s prepletanjem fotonov in kvantno informacijo.
● Forenzika in varnostZaposlen pri nadzoru v slabih svetlobnih pogojih in analizi sledov dokazov.
● SpektroskopijaV Ramanski spektroskopiji in detekciji fluorescence nizke intenzivnosti.
Kdaj izbrati senzor EMCCD?
Z izboljšavami CMOS senzorjev v zadnjih letih se je prednost senzorjev EMCCD glede bralnega šuma zmanjšala, saj so zdaj celo sCMOS kamere sposobne subelektronskega bralnega šuma, poleg številnih drugih prednosti. Če je aplikacija že prej uporabljala EMCCD, je vredno preveriti, ali je to glede na razvoj sCMOS najboljša izbira.
Zgodovinsko gledano so lahko EMCCD-ji še vedno uspešneje šteli fotone, skupaj z nekaj drugimi nišnimi aplikacijami s tipičnimi nivoji signala, manjšimi od 3–5 e- na slikovno piko na vrhuncu. Vendar pa so z večjimi velikostmi slikovnih pik in šumom odčitavanja pod elektroni postali dostopni vznanstvene kamereNa podlagi tehnologije sCMOS je možno, da se bodo tudi te aplikacije kmalu izvajale z vrhunskimi sCMOS.
Pogosta vprašanja
Kakšen je minimalni čas osvetlitve za kamere s prenosom slikovnega signala?
Za vse senzorje s prenosom slikovnega sličice, vključno z EMCCD, je vprašanje minimalnega možnega časa osvetlitve zapleteno. Pri zajemanju posameznih slik se lahko osvetlitev konča s premeščanjem pridobljenih nabojev v maskirano območje za zelo hitro odčitavanje, možni pa so tudi kratki (podmikrosekundni) minimalni časi osvetlitve.
Vendar pa takoj, ko kamera začne pretakati s polno hitrostjo, tj. zajame več sličic/film s polno hitrostjo sličic, takoj ko se prva slika konča s osvetlitvijo, maskirano območje zasede ta sličica, dokler se odčitavanje ne zaključi. Osvetlitev se zato ne more končati. To pomeni, da je ne glede na čas osvetlitve, zahtevan v programski opremi, dejanski čas osvetlitve naslednjih sličic po prvem posnetku več sličic s polno hitrostjo podan s časom sličic kamere, tj. 1 / hitrost sličic.
Ali tehnologija sCMOS nadomešča senzorje EMCCD?
Kamere EMCCD so imele dve specifikaciji, ki sta jim pomagali ohraniti prednost pri snemanju v izjemno šibki svetlobi (z najvišjimi nivoji signala 5 fotoelektronov ali manj). Prvič, njihove velike slikovne pike, do 16 μm, in drugič, njihov šum pri branju <1e.
Nova generacijasCMOS kameraPojavila se je nova kamera, ki ponuja iste lastnosti, vendar brez številnih pomanjkljivosti EMCCD, zlasti prekomernega faktorja šuma. Kamere, kot je Aries 16 podjetja Tucsen, ponujajo 16 μm osvetljene slikovne pike z bralnim šumom 0,8e-. Z nizkim šumom in »izvorno« velikimi slikovnimi pikami te kamere prekašajo tudi večino združevanih sCMOS kamer zaradi razmerja med združevanjem in bralnim šumom.
Če želite izvedeti več o EMCCD, kliknite:
Ali je mogoče EMCCD nadomestiti in ali bi si to kdaj želeli?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Vse pravice pridržane. Pri citiranju navedite vir:www.tucsen.com
