25/08/01CCD сензор са електронским умножавањем је еволуција CCD сензора како би се омогућио рад у условима слабијег осветљења. Обично су намењени за сигнале од неколико стотина фотоелектрона, све до нивоа бројања појединачних фотона.
Овај чланак објашњава шта су EMCCD сензори, како функционишу, њихове предности и мане и зашто се сматрају следећом еволуцијом CCD технологије за снимање у условима слабог осветљења.
Шта је EMCCD сензор?
Сензор са електронским множењем наелектрисања (EMCCD) је специјализовани тип CCD сензора који појачава слабе сигнале пре него што се очитају, омогућавајући изузетно високу осетљивост у условима слабог осветљења.
Првобитно развијени за примене као што су астрономија и напредна микроскопија, EMCCD-ови могу да детектују појединачне фотоне, задатак са којим се традиционални CCD сензори муче. Ова способност детекције појединачних фотона чини EMCCD-ове кључним за области које захтевају прецизно снимање при веома слабом осветљењу.
Како раде EMCCD сензори?
До тачке очитавања, EMCCD сензори раде на истим принципима као и CCD сензори. Међутим, пре мерења помоћу ADC-а, детектована наелектрисања се множе кроз процес који се назива импакционизација, у „регистру за множење електрона“. Током низа од неколико стотина корака, наелектрисања из пиксела се померају дуж низа маскираних пиксела под високим напоном. Сваки електрон у сваком кораку има шансу да донесе додатне електроне. Сигнал се стога експоненцијално множи.
Крајњи резултат добро калибрисаног EMCCD-а је могућност избора прецизне количине просечног множења, обично око 300 до 400 за рад у условима слабог осветљења. Ово омогућава да се детектовани сигнали множе далеко више од шума очитавања камере, што заправо смањује шум очитавања камере. Нажалост, стохастичка природа овог процеса множења значи да се сваки пиксел множи различитим износом, што уводи додатни фактор шума, смањујући однос сигнал-шум (SNR) EMCCD-а.
Ево детаљног прегледа како EMCCD сензори раде. До корака 6, процес је ефикасно исти као и за CCD сензоре.
Слика: Процес очитавања за EMCCD сензор
На крају експозиције, EMCCD сензори прво брзо премештају сакупљена наелектрисања у маскирани низ пиксела истих димензија као и светлосно осетљиви низ (пренос кадра). Затим, ред по ред, наелектрисања се премештају у регистар за очитавање. Колону по колону, наелектрисања унутар регистра за очитавање се преносе у регистар за множење. У свакој фази овог регистра (до 1000 фаза у правим EMCCD камерама), сваки електрон има малу шансу да ослободи додатни електрон, експоненцијално множећи сигнал. На крају, умножени сигнал се очитава.
1. Клиринг наплатеДа би се започело снимање, наелектрисање се истовремено брише са целог сензора (глобални затварач).
2. Акумулација наелектрисањаНаелектрисање се акумулира током излагања.
3. Складиштење пуњењаНакон експозиције, сакупљена наелектрисања се премештају у маскирано подручје сензора, где могу чекати очитавање без бројања нових детектованих фотона. Ово је процес „преноса оквира“.
4. Експозиција следећег кадраСа детектованим наелектрисањима сачуваним у маскираним пикселима, активни пиксели могу започети експозицију следећег кадра (режим преклапања).
5. Процес очитавањаРед по ред, наелектрисања за сваки ред завршеног оквира се премештају у „регистар за очитавање“.
6. Колону по колону, наелектрисања из сваког пиксела се преносе у чвор за очитавање.
7. Множење електронаЗатим, сва наелектрисања електрона из пиксела улазе у регистар за множење електрона и крећу се корак по корак, множећи се експоненцијално у сваком кораку.
8. ОчитавањеАДЦ чита помножени сигнал и процес се понавља док се не прочита цео оквир.
Предности и мане EMCCD сензора
Предности EMCCD сензора
| Предност | Опис |
| Бројање фотона | Детектује појединачне фотоелектроне са ултраниским шумом очитавања (<0,2e⁻), омогућавајући осетљивост на један фотон. |
| Осетљивост на ултраслабо осветљење | Значајно бољи од традиционалних CCD-ова, понекад надмашује чак и врхунске sCMOS камере при веома слабом осветљењу. |
| Ниска тамна струја | Дубинско хлађење смањује термички шум, омогућавајући чистије слике током дугих експозиција. |
| „Полуглобални“ затварач | Пренос кадра омогућава скоро глобалну експозицију са веома брзим померањем наелектрисања (~1 микросекунду). |
● Бројање фотонаСа довољно високим множењем електрона, шум очитавања се практично може елиминисати (<0,2e-). Ово, уз високу вредност појачања и скоро савршену квантну ефикасност, значи да је могуће разликовање појединачних фотоелектрона.
● Осетљивост при ултраслабом осветљењуУ поређењу са CCD-овима, перформансе EMCCD-ова при слабом осветљењу су драстично боље. Могуће је да постоје неке примене где EMCCD пружа бољу могућност детекције и контраст чак и од врхунских sCMOS сензора при најнижим могућим нивоима осветљења.
● Ниска тамна струјаКао и код CCD-ова, EMCCD-ови су обично дубоко хлађени и могу да испоруче веома ниске вредности струје таме.
● „Полуглобални“ затварачПроцес преноса кадра за почетак и крај експозиције није заиста истовремен, већ обично траје око 1 микросекунде.
Мане EMCCD сензора
| Недостатак | Опис |
| Ограничена брзина | Максималне брзине кадрова (~30 fps при 1 MP) су много спорије од модерних CMOS алтернатива. |
| Шум појачања | Случајна природа множења електрона уноси вишак шума, смањујући однос сигнал/шум (SNR). |
| Наелектрисање индуковано тактом (CIC) | Брзо кретање пуњења може увести лажне сигнале који се појачавају. |
| Смањени динамички опсег | Велико појачање смањује максимални сигнал који сензор може да обради пре засићења. |
| Велика величина пиксела | Уобичајене величине пиксела (13–16 μm) можда нису у складу са многим захтевима оптичког система. |
| Захтев за јако хлађење | За постизање конзистентног умножавања и ниског нивоа шума потребно је стабилно дубоко хлађење. |
| Потребе за калибрацијом | ЕМ појачање се временом смањује (опадање множења), што захтева редовну калибрацију. |
| Нестабилност краткотрајне експозиције | Веома кратке експозиције могу изазвати непредвидиво појачање сигнала и шум. |
| Висока цена | Сложена производња и дубоко хлађење чине ове сензоре скупљим од sCMOS сензора. |
| Ограничен животни век | Регистар за умножавање електрона се троши, обично траје 5-10 година. |
| Изазови извоза | Подложно строгим прописима због потенцијалне војне примене. |
● Ограничена брзинаБрзи EMCCD-ови пружају око 30 fps при 1 MP, слично CCD-овима, за редове величине спорије од CMOS камера.
● Увод у буку„Фактор вишка шума“ изазван случајним множењем електрона, у поређењу са нискошумном sCMOS камером исте квантне ефикасности, може дати EMCCD-овима драстично већи шум у зависности од нивоа сигнала. SNR за врхунске sCMOS камере је обично бољи за сигнале од око 3e-, још више за веће сигнале.
● Наелектрисање индуковано тактом (CIC)Осим ако се пажљиво не контролише, кретање наелектрисања преко сензора може увести додатне електроне у пикселе. Овај шум се затим множи регистром за множење електрона. Веће брзине кретања наелектрисања (брзине такта) доводе до веће брзине кадрова, али и већег CIC-а.
● Смањени динамички опсегВеома високе вредности множења електрона потребне за превазилажење EMCCD шума читања доводе до знатно смањеног динамичког опсега.
● Велика величина пикселаНајмања уобичајена величина пиксела за EMCCD камере је 10 μm, али је 13 или 16 μm најчешћа. Ово је превелико да би задовољило захтеве резолуције већине оптичких система.
● Захтеви за калибрацијуПроцес множења електрона троши ЕМ регистар током употребе, смањујући његову способност множења у процесу који се назива „опадање множења електрона“. То значи да се појачање камере стално мења и да је камери потребна редовна калибрација да би извршила било какво квантитативно снимање.
● Неконзистентна експозиција у кратким временимаКада се користе веома кратка времена експозиције, EMCCD камере могу дати недоследне резултате јер слаб сигнал бива преплављен шумом, а процес појачавања уводи статистичке флуктуације.
● Потребно јако хлађењеПроцес умножавања електрона је под снажним утицајем температуре. Хлађење сензора повећава расположиво умножавање електрона. Стога је дубинско хлађење сензора уз одржавање стабилности температуре кључно за репродуктивна EMCCD мерења.
● Висока ценаТешкоћа производње ових вишекомпонентних сензора, у комбинацији са дубоким хлађењем, доводи до цена које су обично више од цена најквалитетнијих sCMOS сензорских камера.
● Ограничен век трајањаРаспад услед множења електрона ограничава век трајања ових скупих сензора на обично 5-10 година, у зависности од нивоа употребе.
● Изазови извозаУвоз и извоз EMCCD сензора обично је логистички изазован због њихове потенцијалне употребе у војне сврхе.
Зашто је EMCCD наследник CCD-а
| Карактеристика | ЦЦД | ЕМЦД |
| Осетљивост | Високо | Ултра-јако (посебно слабо осветљење) |
| Шум очитавања | Умерено | Изузетно ниско (због појачања) |
| Динамички опсег | Високо | Умерено (ограничено појачањем) |
| Цена | Доњи | Више |
| Хлађење | Опционо | Обично је потребно за оптималне перформансе |
| Случајеви употребе | Опште снимање | Детекција једног фотона при слабом осветљењу |
EMCCD сензори се заснивају на традиционалној CCD технологији укључивањем корака множења електрона. Ово побољшава могућност појачавања слабих сигнала и смањења шума, што EMCCD сензоре чини преферираним избором за примене снимања у изузетно слабом осветљењу где CCD сензори нису довољни.
Кључне примене EMCCD сензора
EMCCD сензори се често користе у научним и индустријским областима које захтевају високу осетљивост и способност детекције слабих сигнала:
● Замишљеност наука о животуг: За примене као што су флуоресцентна микроскопија једног молекула и микроскопија тоталне интерне рефлексије (TIRF).
● АстрономијаКористи се за снимање слабе светлости са удаљених звезда, галаксија и истраживање егзопланета.
● Квантна оптикаЗа експерименте са преплитањем фотона и квантним информацијама.
● Форензика и безбедностЗапослен у надзору у условима слабог осветљења и анализи трагова доказа.
● СпектроскопијаУ Рамановој спектроскопији и детекцији флуоресценције ниског интензитета.
Када треба да изаберете EMCCD сензор?
Са побољшањима CMOS сензора последњих година, предност EMCCD сензора у погледу шума при читању је смањена, јер сада чак и sCMOS камере могу да примењују субелектронски шум при читању, поред огромног броја других предности. Ако је нека апликација претходно користила EMCCD сензоре, вреди размотрити да ли је ово најбољи избор с обзиром на развој sCMOS сензора.
Историјски гледано, EMCCD-ови су и даље могли успешније да обављају бројање фотона, заједно са неколико других нишних апликација са типичним нивоима сигнала мањим од 3-5e- по пикселу на врхунцу. Међутим, са већим величинама пиксела и шумом читања испод електрона који постају доступни унаучне камерезасновано на sCMOS технологији, могуће је да ће се и ове апликације ускоро изводити помоћу врхунских sCMOS-ова.
Честа питања
Које је минимално време експозиције за камере са преносом кадра?
За све сензоре за пренос фрејмова, укључујући EMCCD, питање минималног могућег времена експозиције је компликовано. За снимање појединачних слика, експозиција се може завршити премештањем стечених наелектрисања у маскирану област ради веома брзог очитавања, а могућа су и кратка (субмикросекундна) минимална времена експозиције.
Међутим, чим камера почне да стримује пуном брзином, тј. снима више кадрова / филм пуном брзином кадрова, чим се заврши експозиција прве слике, маскирани регион је заузет тим кадром док се очитавање не заврши. Експозиција се стога не може завршити. То значи да, без обзира на време експозиције захтевано у софтверу, стварно време експозиције наредних кадрова након првог у вишеструком снимању пуном брзином дато је временом кадра, тј. 1 / брзина кадрова, камере.
Да ли sCMOS технологија замењује EMCCD сензоре?
EMCCD камере су имале две спецификације које су им помогле да задрже предност у сценаријима снимања при екстремно слабом осветљењу (са вршним нивоима сигнала од 5 фотоелектрона или мање). Прво, њихови велики пиксели, до 16 μm, и друго, њихов шум при читању <1e.
Нова генерацијаsCMOS камераПојавила се камера која нуди исте карактеристике, без бројних недостатака EMCCD камера, посебно фактора прекомерног шума. Камере попут Aries 16 из Tucsen-а нуде пикселе са позадинским осветљењем од 16 μm са шумом при читању од 0,8e-. Са ниским нивоом шума и „изворно“ великим пикселима, ове камере такође надмашују већину sCMOS камера са комбинованим скриптама, због односа између комбиновања и шума при читању.
Ако желите да сазнате више о EMCCD-у, кликните на:
Може ли се EMCCD заменити и да ли бисмо то икада желели?
Тусен Фотоникс Ко., Лтд. Сва права задржана. Приликом цитирања, молимо вас да наведете извор:www.tucsen.com
