25/08/01Elektronmultiplikator-CCD-sensorn är en utveckling av CCD-sensorn för att möjliggöra drift i lägre ljus. De är vanligtvis avsedda för signaler från några hundra fotoelektroner, ner till den individuella fotonräkningsnivån.
Den här artikeln förklarar vad EMCCD-sensorer är, hur de fungerar, deras fördelar och nackdelar, och varför de anses vara nästa utveckling av CCD-teknik för avbildning i svagt ljus.
Vad är en EMCCD-sensor?
En EMCCD-sensor (Electron-Multiplying Charge-Coupled Device) är en specialiserad typ av CCD-sensor som förstärker svaga signaler innan de avläses, vilket möjliggör extremt hög känslighet i miljöer med svagt ljus.
EMCCD-sensorer utvecklades ursprungligen för tillämpningar som astronomi och avancerad mikroskopi, men kan detektera enskilda fotoner, en uppgift som traditionella CCD-sensorer kämpar med. Denna förmåga att detektera enskilda fotoner gör EMCCD-sensorer avgörande för områden som kräver exakt avbildning under mycket låga ljusnivåer.
Hur fungerar EMCCD-sensorer?
Fram till avläsningstillfället fungerar EMCCD-sensorer enligt samma principer som CCD-sensorer. Innan mätning med ADC multipliceras dock detekterade laddningar genom en process som kallas impaktionisering, i ett "elektronmultiplikationsregister". Under en serie av flera hundra steg flyttas laddningarna från en pixel längs en serie maskerade pixlar med hög spänning. Varje elektron i varje steg har en chans att ta med sig ytterligare elektroner. Signalen multipliceras därför exponentiellt.
Slutresultatet av en välkalibrerad EMCCD är möjligheten att välja en exakt mängd genomsnittlig multiplikation, vanligtvis runt 300 till 400 för arbete i svagt ljus. Detta gör att de detekterade signalerna kan multipliceras mycket högre än kamerans läsbrus, vilket i själva verket minskar kamerans läsbrus. Tyvärr innebär den stokastiska naturen hos denna multiplikationsprocess att varje pixel multipliceras med ett annat belopp, vilket introducerar en ytterligare brusfaktor, vilket minskar EMCCD:ns signal-brusförhållande (SNR).
Här är en sammanfattning av hur EMCCD-sensorer fungerar. Fram till steg 6 är processen i praktiken densamma som för CCD-sensorer.
Vid slutet av sin exponering flyttar EMCCD-sensorerna först snabbt insamlade laddningar till en maskerad matris av pixlar med samma dimensioner som den ljuskänsliga matrisen (bildöverföring). Sedan flyttas laddningarna, en rad i taget, till ett avläsningsregister. En kolumn i taget skickas laddningar inom avläsningsregistret till ett multiplikationsregister. Vid varje steg i detta register (upp till 1000 steg i riktiga EMCCD-kameror) har varje elektron en liten chans att frigöra ytterligare en elektron, vilket multiplicerar signalen exponentiellt. I slutet läses den multiplicerade signalen ut.
1. AvgiftsrensningFör att påbörja registreringen rensas laddningen samtidigt från hela sensorn (global slutare).
2. LaddningsackumuleringLaddning ackumuleras under exponering.
3. LaddningslagringEfter exponering flyttas insamlade laddningar till ett maskerat område på sensorn, där de kan vänta på avläsning utan att nya fotoner som detekterats räknas. Detta är "Frame Transfer"-processen.
4. Nästa bildruteexponeringMed de detekterade laddningarna lagrade i de maskerade pixlarna kan de aktiva pixlarna påbörja exponeringen av nästa bildruta (överlappningsläge).
5. AvläsningsprocessEn rad i taget flyttas laddningarna för varje rad i den färdiga ramen till ett "avläsningsregister".
6. En kolumn i taget skickas laddningar från varje pixel in i avläsningsnoden.
7. ElektronmultiplikationDärefter går alla elektronladdningar från pixeln in i elektronmultiplikationsregistret och rör sig steg för steg, och multipliceras i antal exponentiellt vid varje steg.
8. AvläsningDen multiplicerade signalen läses av ADC:n, och processen upprepas tills hela ramen är utläst.
För- och nackdelar med EMCCD-sensorer
Fördelar med EMCCD-sensorer
| Fördel | Beskrivning |
| Fotonräkning | Detekterar enskilda fotoelektroner med ultralågt läsbrus (<0,2e⁻), vilket möjliggör känslighet för enskilda fotoner. |
| Ultralåg ljuskänslighet | Betydligt bättre än traditionella CCD-kameror, och överträffar ibland även avancerade sCMOS-kameror vid mycket svaga ljusnivåer. |
| Låg mörkström | Djupkylning minskar termiskt brus, vilket möjliggör renare bilder under långa exponeringar. |
| "Halvglobal" slutare | Bildöverföring möjliggör nästan global exponering med mycket snabb laddningsförskjutning (~1 mikrosekund). |
● FotonräkningMed tillräckligt hög elektronmultiplikation kan läsbrus praktiskt taget elimineras (<0,2e-). Detta, tillsammans med det höga förstärkningsvärdet och den nästan perfekta kvantverkningsgraden, innebär att det är möjligt att särskilja enskilda fotoelektroner.
● Ultralåg ljuskänslighetJämfört med CCD:er är EMCCD:ers prestanda i svagt ljus drastiskt bättre. Det kan finnas vissa tillämpningar där EMCCD ger bättre detekteringsförmåga och kontrast även än avancerade sCMOS vid lägsta möjliga ljusnivåer.
● Låg mörkströmPrecis som CCD:er är EMCCD:er vanligtvis djupkylda och kan leverera mycket låga mörkerströmsvärden.
● 'Halvglobal' slutareBildöverföringsprocessen för att starta och avsluta exponeringen är inte helt samtidig, utan tar vanligtvis runt 1 mikrosekund.
Nackdelar med EMCCD-sensorer
| Nackdel | Beskrivning |
| Begränsad hastighet | Maximala bildfrekvenser (~30 fps vid 1 MP) är mycket långsammare än moderna CMOS-alternativ. |
| Förstärkningsbrus | Den slumpmässiga naturen hos elektronmultiplikationen introducerar överskottsbrus, vilket minskar signal-brusförhållandet. |
| Klockinducerad laddning (CIC) | Snabb laddningsrörelse kan introducera falska signaler som förstärks. |
| Minskat dynamiskt omfång | Hög förstärkning minskar den maximala signalen som sensorn kan hantera innan den mättas. |
| Stor pixelstorlek | Vanliga pixelstorlekar (13–16 μm) kanske inte överensstämmer med många krav för optiska system. |
| Krav på kraftig kylning | Stabil djupkylning krävs för att uppnå jämn multiplikation och lågt brus. |
| Kalibreringsbehov | EM-förstärkningen försämras med tiden (multiplikationsavklingning), vilket kräver regelbunden kalibrering. |
| Instabilitet vid kort exponering | Mycket korta exponeringar kan orsaka oförutsägbar signalförstärkning och brus. |
| Hög kostnad | Komplex tillverkning och djupkylning gör dessa sensorer dyrare än sCMOS. |
| Begränsad livslängd | Elektronmultiplikationsregistret slits ut, vilket vanligtvis varar i 5–10 år. |
| Exportutmaningar | Föremål för strikta regler på grund av potentiella militära tillämpningar. |
● Begränsad hastighetSnabba EMCCD-kameror ger cirka 30 bilder per sekund vid 1 MP, liknande CCD-kameror, men flera storleksordningar långsammare än CMOS-kameror.
● BrusintroduktionDen "överskottsbrusfaktor" som orsakas av den slumpmässiga elektronmultiplikationen, jämfört med en sCMOS-kamera med lågt brus och samma kvantverkningsgrad, kan ge EMCCD:er drastiskt högre brus beroende på signalnivåer. SNR för avancerade sCMOS är vanligtvis bättre för signaler runt 3e-, ännu mer för högre signaler.
● Klockinducerad laddning (CIC)Om inte noggrant kontrollerad kan laddningars rörelse över sensorn introducera ytterligare elektroner i pixlarna. Detta brus multipliceras sedan med elektronmultiplikationsregistret. Högre laddningsrörelsehastigheter (klockfrekvenser) leder till högre bildfrekvenser, men mer CIC.
● Minskat dynamiskt omfångDe mycket höga elektronmultiplikationsvärdena som krävs för att övervinna EMCCD-läsbruset leder till ett kraftigt reducerat dynamiskt omfång.
● Stor pixelstorlekDen minsta vanliga pixelstorleken för EMCCD-kameror är 10 μm, men 13 eller 16 μm är vanligast. Detta är alldeles för stort för att uppfylla de flesta optiska systems upplösningskrav.
● KalibreringskravElektronmultiplikationsprocessen sliter ut det elektromagnetiska registret med tiden, vilket minskar dess förmåga att multiplicera i en process som kallas "elektronmultiplikationsavklingning". Detta innebär att kamerans förstärkning ständigt förändras, och kameran kräver regelbunden kalibrering för att utföra kvantitativ avbildning.
● Inkonsekvent exponering under korta tidsperioderVid användning av mycket korta exponeringstider kan EMCCD-kameror ge inkonsekventa resultat eftersom den svaga signalen överväldigas av brus och förstärkningsprocessen introducerar statistiska fluktuationer.
● Krav på kraftig kylningElektronmultiplikationsprocessen påverkas starkt av temperaturen. Kylning av sensorn ökar den tillgängliga elektronmultiplikationen. Därför är djup sensorkylning samtidigt som temperaturstabilitet bibehålls avgörande för reproducerbara EMCCD-mätningar.
● Hög kostnadSvårigheten att tillverka dessa flerkomponentsensorer, i kombination med djupkylning, leder till priser som vanligtvis är högre än för sCMOS-sensorkameror av högsta kvalitet.
● Begränsad livslängdElektronmultiplikationsavklingning begränsar livslängden för dessa dyra sensorer på vanligtvis 5–10 år, beroende på användningsnivå.
● ExportutmaningarImport och export av EMCCD-sensorer tenderar att vara logistiskt utmanande på grund av deras potentiella användning i militära tillämpningar.
Varför EMCCD är efterträdaren till CCD
| Särdrag | CCD-kod | EMCCD |
| Känslighet | Hög | Ultrahög (särskilt svagt ljus) |
| Avläsningsbrus | Måttlig | Extremt låg (på grund av förstärkning) |
| Dynamiskt omfång | Hög | Måttlig (begränsad av förstärkning) |
| Kosta | Lägre | Högre |
| Kyl | Frivillig | Vanligtvis nödvändigt för optimal prestanda |
| Användningsfall | Allmän bildbehandling | Detektering av en enda foton i svagt ljus |
EMCCD-sensorer bygger på traditionell CCD-teknik genom att införliva ett elektronmultiplikationssteg. Detta förbättrar förmågan att förstärka svaga signaler och minska brus, vilket gör EMCCD:er till det föredragna valet för avbildningstillämpningar i extremt svagt ljus där CCD-sensorer inte räcker till.
Viktiga tillämpningar av EMCCD-sensorer
EMCCD-sensorer används ofta inom vetenskapliga och industriella områden som kräver hög känslighet och förmåga att detektera svaga signaler:
● Livsvetenskaplig fantasig: För tillämpningar som fluorescensmikroskopi av enmolekyler och TIRF-mikroskopi (total intern reflektionsfluorescens).
● AstronomiAnvänds för att fånga svagt ljus från avlägsna stjärnor, galaxer och exoplanetforskning.
● KvantoptikFör fotonsammanflätning och kvantinformationsexperiment.
● Rättsmedicin och säkerhetAnvänds för övervakning i svagt ljus och analys av spår av bevis.
● SpektroskopiInom Ramanspektroskopi och lågintensiv fluorescensdetektion.
När ska du välja en EMCCD-sensor?
Med förbättringarna av CMOS-sensorer under senare år har fördelen med läsbrus hos EMCCD-sensorer minskat, då även sCMOS-kameror nu kan läsa av subelektronbrus, tillsammans med en mängd andra fördelar. Om en applikation tidigare har använt EMCCD:er är det väl värt att undersöka om detta är det bästa valet med tanke på utvecklingen inom sCMOS.
Historiskt sett kunde EMCCD:er fortfarande utföra fotonräkning mer framgångsrikt, tillsammans med ett par andra nischapplikationer med typiska signalnivåer mindre än 3-5e- per pixel som mest. Men med större pixelstorlekar och subelektronläsningsbrus som blir tillgängligt ivetenskapliga kamerorBaserat på sCMOS-teknik är det möjligt att även dessa applikationer snart kan utföras med avancerad sCMOS.
Vanliga frågor
Vad är den minsta exponeringstiden för bildöverföringskameror?
För alla bildöverföringssensorer, inklusive EMCCD:er, är frågan om minsta möjliga exponeringstid komplicerad. För enskild bildtagning kan exponeringen avslutas genom att mycket snabbt blanda in de insamlade laddningarna i det maskerade området för avläsning, och korta (submikrosekunder) minsta exponeringstider är möjliga.
Men så snart kameran streamar i full hastighet, dvs. tar emot flera bildrutor/en film i full bildfrekvens, så snart den första bilden är klar med exponeringen, upptas det maskerade området av den bilden tills avläsningen är klar. Exponeringen kan därför inte avslutas. Det betyder att, oavsett exponeringstid som begärs i programvaran, ges den verkliga exponeringstiden för efterföljande bildrutor efter den första av en fullhastighets multibildtagning av kamerans bildtid, dvs. 1/bildfrekvens.
Ersätter sCMOS-tekniken EMCCD-sensorer?
EMCCD-kameror hade två specifikationer som bidrog till att behålla deras fördel i extremt svagt ljus (med maximala signalnivåer på 5 fotoelektroner eller mindre). För det första deras stora pixlar, upp till 16 μm, och för det andra deras brus på <1e.
En ny generation avsCMOS-kamerahar framkommit som erbjuder samma egenskaper, utan de många nackdelarna med EMCCD:er, särskilt den överdrivna brusfaktorn. Kameror som Aries 16 från Tucsen erbjuder 16 μm bakgrundsbelysta pixlar med ett läsbrus på 0,8e-. Med lågt brus och "naturligt" stora pixlar överträffar dessa kameror också de flesta binning-sCMOS-kameror, på grund av sambandet mellan binning- och läsbrus.
Om du vill veta mer om EMCCD, vänligen klicka:
