EMCCD Sensörleri: CCD'nin düşük ışıktaki halefi |

Elektron Çoğaltıcı CCD sensörü, düşük ışık koşullarında çalışmaya olanak tanıyan CCD sensörünün geliştirilmiş bir versiyonudur. Genellikle birkaç yüz fotoelektronluk sinyallerden, tek tek foton sayma seviyesine kadar olan sinyaller için tasarlanmıştır.

Bu makalede EMCCD sensörlerinin ne olduğu, nasıl çalıştığı, avantajları ve dezavantajları ve neden düşük ışık görüntüleme için CCD teknolojisinin bir sonraki evrimi olarak kabul edildikleri açıklanmaktadır.

EMCCD Sensörü Nedir?

Elektron Çoğaltıcı Yük Bağlantılı Cihaz (EMCCD) sensörü, zayıf sinyalleri okunmadan önce güçlendiren ve böylece düşük ışıklı ortamlarda son derece yüksek hassasiyet sağlayan özel bir CCD sensör türüdür.

Başlangıçta astronomi ve ileri mikroskopi gibi uygulamalar için geliştirilen EMCCD'ler, geleneksel CCD sensörlerinin zorlandığı tek fotonları tespit edebilir. Tek tek fotonları tespit etme yeteneği, EMCCD'leri çok düşük ışık seviyelerinde hassas görüntüleme gerektiren alanlar için vazgeçilmez kılar.

EMCCD Sensörleri Nasıl Çalışır?

Okuma noktasına kadar, EMCCD sensörler CCD sensörlerle aynı prensiplerle çalışır. Ancak, ADC ile ölçümden önce, tespit edilen yükler, bir "elektron çoğaltma kaydı"nda, çarpma adı verilen bir işlemle çarpılır. Yüzlerce adımdan oluşan bir dizi işlemde, bir pikseldeki yükler, yüksek voltajda bir dizi maskelenmiş piksel boyunca hareket ettirilir. Her adımda her elektronun, beraberinde ek elektronlar getirme olasılığı vardır. Bu nedenle sinyal, üssel olarak çarpılır.

İyi kalibre edilmiş bir EMCCD'nin nihai sonucu, düşük ışık koşullarında genellikle 300 ila 400 civarında hassas bir ortalama çarpma miktarı seçme yeteneğidir. Bu, algılanan sinyallerin kameranın okuma gürültüsünden çok daha yüksek bir değerde çarpılmasını sağlayarak kameranın okuma gürültüsünü azaltır. Ne yazık ki, bu çarpma işleminin stokastik yapısı, her pikselin farklı bir değerle çarpılması anlamına gelir ve bu da ek bir gürültü faktörü oluşturarak EMCCD'nin sinyal-gürültü oranını (SNR) düşürür.

EMCCD sensörlerinin nasıl çalıştığına dair bir özet aşağıda verilmiştir. 6. Adıma kadar süreç, CCD sensörleriyle aynıdır.

Şekil: EMCCD sensörü için okuma süreci

EMCCD sensörleri, pozlamalarının sonunda, toplanan yükleri önce ışığa duyarlı diziyle aynı boyutlardaki maskelenmiş bir piksel dizisine hızla aktarır (kare aktarımı). Ardından, yükler satır satır okuma kaydına aktarılır. Okuma kaydındaki yükler sütun sütun çarpma kaydına aktarılır. Bu kaydın her aşamasında (gerçek EMCCD kameralarda 1000 aşamaya kadar), her elektronun küçük bir ek elektron salma şansı vardır ve bu da sinyali üssel olarak çarpar. Sonunda, çarpılan sinyal okunur.

1. Ücret Temizleme: Edinimi başlatmak için, şarjın tüm sensörden (küresel deklanşör) eş zamanlı olarak temizlenmesi gerekir.
2. Şarj Birikimi: Maruz kalma süresince yük birikir.
3. Şarj Depolama: Pozlamadan sonra toplanan yükler, sensörün maskelenmiş bir alanına taşınır ve burada yeni fotonların algılanması ve sayılması gerekmeden okumayı beklerler. Bu, 'Çerçeve Aktarımı' işlemidir.
4. Sonraki Kare Pozlaması: Algılanan yükler maskelenmiş piksellerde depolandığında, aktif pikseller bir sonraki karenin pozlamasına başlayabilir (üst üste binme modu).
5. Okuma Süreci: Bitmiş çerçevenin her satırı için ücretler, her seferinde bir satır olmak üzere 'okuma kaydına' aktarılır.
6. Her seferinde bir sütun olmak üzere, her pikselden gelen yükler okuma düğümüne aktarılır.
7. Elektron Çarpımı:Daha sonra pikseldeki tüm elektron yükleri elektron çarpım kayıt defterine girer ve adım adım hareket ederek her adımda sayıları üssel olarak çoğalır.
8. Okuma: Çarpılan sinyal ADC tarafından okunur ve tüm çerçeve okunana kadar işlem tekrarlanır.

EMCCD Sensörlerinin Artıları ve Eksileri

EMCCD Sensörlerinin Artıları

Avantaj	Tanım
Foton Sayımı	Ultra düşük okuma gürültüsü (<0.2e⁻) ile tek tek fotoelektronları algılar ve tek foton hassasiyetini sağlar.
Ultra Düşük Işık Hassasiyeti	Geleneksel CCD'lerden önemli ölçüde daha iyi, hatta bazen çok düşük ışık seviyelerinde üst düzey sCMOS kameraları bile geride bırakıyor.
Düşük Karanlık Akım	Derin soğutma, termal gürültüyü azaltarak uzun pozlamalarda daha temiz görüntüler elde edilmesini sağlar.
'Yarı Küresel' Deklanşör	Çerçeve aktarımı, çok hızlı yük kaydırmasıyla (~1 mikrosaniye) neredeyse küresel pozlamaya olanak tanır.

● Foton Sayımı: Yeterince yüksek elektron çoğaltımı ile okuma gürültüsü pratik olarak ortadan kaldırılabilir (<0,2e-). Bu, yüksek kazanç değeri ve neredeyse mükemmel kuantum verimliliğiyle birlikte, tek tek fotoelektronların ayırt edilebileceği anlamına gelir.
● Ultra Düşük Işık Hassasiyeti: CCD'lerle karşılaştırıldığında, EMCCD'lerin düşük ışık performansı önemli ölçüde daha iyidir. EMCCD'nin, mümkün olan en düşük ışık seviyelerinde bile üst düzey sCMOS'tan daha iyi algılama kabiliyeti ve kontrast sağladığı bazı uygulamalar olabilir.
● Düşük Karanlık Akım: CCD'lerde olduğu gibi, EMCCD'ler de genellikle derin soğutmalıdır ve çok düşük karanlık akım değerleri sağlayabilirler.
● 'Yarım Küresel' Deklanşör: Pozlamayı başlatmak ve bitirmek için kare aktarım süreci gerçek anlamda eş zamanlı değildir, ancak genellikle 1 mikrosaniye mertebesinde sürer.

EMCCD Sensörlerinin Eksileri

Dezavantajı	Tanım
Sınırlı Hız	Maksimum kare hızları (~1 MP'de 30 fps) modern CMOS alternatiflerine göre çok daha yavaştır.
Amplifikasyon Gürültüsü	Elektron çoğalmasının rastgele doğası aşırı gürültüye neden olur ve SNR'yi azaltır.
Saat Endüklenen Şarj (CIC)	Hızlı şarj hareketi, güçlendirilen yanlış sinyallere yol açabilir.
Azaltılmış Dinamik Aralık	Yüksek kazanç, sensörün doyuma ulaşmadan önce işleyebileceği maksimum sinyali azaltır.
Büyük Piksel Boyutu	Yaygın piksel boyutları (13–16 μm) birçok optik sistem gereksinimiyle uyumlu olmayabilir.
Ağır Soğutma Gereksinimi	Tutarlı çoğalma ve düşük gürültü elde etmek için kararlı derin soğutma gereklidir.
Kalibrasyon İhtiyaçları	EM kazancı zamanla azalır (çoğaltma azalması), bu nedenle düzenli kalibrasyon gerekir.
Kısa Pozlama Kararsızlığı	Çok kısa süreli maruz kalmalar öngörülemeyen sinyal artışına ve gürültüye neden olabilir.
Yüksek Maliyet	Karmaşık üretim ve derin soğutma, bu sensörlerin sCMOS'tan daha pahalı olmasına neden oluyor.
Sınırlı Ömür	Elektron çoğaltma kaydının ömrü genellikle 5-10 yıl kadardır.
İhracat Zorlukları	Potansiyel askeri uygulamalar nedeniyle sıkı düzenlemelere tabidir.

● Sınırlı Hız: Hızlı EMCCD'ler, CCD'lere benzer şekilde 1 MP'de yaklaşık 30 fps sağlar, CMOS kameralardan çok daha yavaştır.

● Gürültü GirişiAynı kuantum verimliliğine sahip düşük gürültülü bir sCMOS kamerayla karşılaştırıldığında, rastgele elektron çoğalmasının neden olduğu 'aşırı gürültü faktörü', EMCCD'lere sinyal seviyelerine bağlı olarak önemli ölçüde daha yüksek gürültü verebilir. Üst düzey sCMOS için SNR, genellikle 3e- civarındaki sinyaller için daha iyidir, daha yüksek sinyaller için ise daha da iyidir.

● Saat Endüklenen Şarj (CIC)Dikkatlice kontrol edilmediği sürece, sensör boyunca yüklerin hareketi piksellere ek elektronlar ekleyebilir. Bu gürültü daha sonra elektron çoğaltma kaydı tarafından çarpılır. Daha yüksek yük hareket hızları (saat hızları), daha yüksek kare hızlarına, ancak daha fazla CIC'ye yol açar.

● Azaltılmış Dinamik Aralık:EMCCD okuma gürültüsünü yenmek için gereken çok yüksek elektron çoğaltma değerleri dinamik aralığın çok azalmasına yol açar.

● Büyük Piksel BoyutuEMCCD kameralar için en küçük yaygın piksel boyutu 10 μm'dir, ancak en yaygın olanı 13 veya 16 μm'dir. Bu, çoğu optik sistemin çözünürlük gereksinimlerini karşılamak için çok büyüktür.

● Kalibrasyon GereksinimleriElektron çoğaltma işlemi, EM kayıtlarını kullanımla yıpratarak, 'elektron çoğaltma bozunumu' adı verilen bir süreçte çoğalma yeteneğini azaltır. Bu, kameranın kazancının sürekli değiştiği ve herhangi bir nicel görüntüleme yapabilmek için kameranın düzenli olarak kalibre edilmesi gerektiği anlamına gelir.

● Kısa Sürelerde Tutarlı Olmayan Pozlama: Çok kısa pozlama süreleri kullanıldığında, EMCCD kameralar tutarsız sonuçlar üretebilir; çünkü zayıf sinyal gürültü tarafından bastırılır ve amplifikasyon süreci istatistiksel dalgalanmalara neden olur.

● Ağır Soğutma Gereksinimi: Elektron çoğaltma süreci sıcaklıktan büyük ölçüde etkilenir. Sensörün soğutulması, mevcut elektron çoğalmasını artırır. Bu nedenle, sıcaklık kararlılığını korurken sensörün derinlemesine soğutulması, tekrarlanabilir EMCCD ölçümleri için kritik öneme sahiptir.

● Yüksek maliyet:Bu çok bileşenli sensörlerin üretim zorluğu, derin soğutma ile birleşince, fiyatların genellikle en yüksek kaliteli sCMOS sensörlü kameralardan daha yüksek olmasına yol açıyor.

● Sınırlı Ömür: Elektron çoğalması bozunumu, bu pahalı sensörlerin kullanım ömrüne, kullanım seviyesine bağlı olarak genellikle 5-10 yıl sınır koyar.

● İhracat Zorlukları: EMCCD sensörlerinin askeri uygulamalarda kullanılma potansiyeli nedeniyle ithalat ve ihracatı lojistik açıdan zorlu olma eğilimindedir.

EMCCD Neden CCD'nin Halefidir?

Özellik	CCD	EMCCD
Hassasiyet	Yüksek	Ultra yüksek (özellikle düşük ışık)
Okuma Gürültüsü	Ilıman	Son derece düşük (kazanç nedeniyle)
Dinamik Aralık	Yüksek	Orta (kazançla sınırlı)
Maliyet	Daha düşük	Daha yüksek
Soğutma	İsteğe bağlı	Genellikle en iyi performans için gereklidir
Kullanım Örnekleri	Genel görüntüleme	Düşük ışık, tek foton tespiti

EMCCD sensörleri, bir elektron çoğaltma adımı ekleyerek geleneksel CCD teknolojisini temel alır. Bu, zayıf sinyalleri yükseltme ve gürültüyü azaltma yeteneğini geliştirerek, CCD sensörlerinin yetersiz kaldığı aşırı düşük ışıklı görüntüleme uygulamaları için EMCCD'leri tercih edilen seçenek haline getirir.

EMCCD Sensörlerinin Temel Uygulamaları

EMCCD sensörleri, yüksek hassasiyet ve zayıf sinyalleri algılama yeteneği gerektiren bilimsel ve endüstriyel alanlarda yaygın olarak kullanılır:

● Yaşam Bilimi Hayalig: Tek moleküllü floresan mikroskobu ve toplam iç yansıma floresan (TIRF) mikroskobu gibi uygulamalar için.
● Astronomi: Uzak yıldızlardan, galaksilerden ve ötegezegen araştırmalarından gelen zayıf ışığı yakalamak için kullanılır.
● Kuantum Optik: Foton dolanıklığı ve kuantum bilgi deneyleri için.

● Adli Bilimler ve Güvenlik: Düşük ışık koşullarında gözetim ve iz delil analizinde kullanılır.
● Spektroskopi: Raman spektroskopisi ve düşük yoğunluklu floresan tespitinde.

EMCCD Sensörünü Ne Zaman Seçmelisiniz?

Son yıllarda CMOS sensörlerdeki gelişmelerle birlikte, EMCCD sensörlerinin okuma gürültüsü avantajı azalmıştır; çünkü artık sCMOS kameralar bile çok çeşitli diğer avantajların yanı sıra elektron altı gürültüsünü okuyabilmektedir. Bir uygulama daha önce EMCCD sensörleri kullanmışsa, sCMOS'taki gelişmeler göz önüne alındığında, bunun en iyi seçenek olup olmadığını değerlendirmek faydalı olacaktır.

Tarihsel olarak, EMCCD'ler, piksel başına tipik sinyal seviyelerinin tepe noktasında 3-5e-'den düşük olduğu birkaç niş uygulamanın yanı sıra, foton sayımını daha başarılı bir şekilde gerçekleştirebiliyordu. Ancak, daha büyük piksel boyutları ve elektron altı okuma gürültüsünün kullanılabilir hale gelmesiyle birlikte,bilimsel kameralarsCMOS teknolojisine dayalı olarak, bu uygulamaların da yakın zamanda üst düzey sCMOS ile gerçekleştirilebilmesi mümkün görünüyor.

SSS

Kare Transfer Kameralarında Minimum Pozlama Süresi Nedir?

EMCCD'ler de dahil olmak üzere tüm kare aktarım sensörleri için, mümkün olan en düşük pozlama süresi sorunu karmaşık bir konudur. Tek görüntülü çekimlerde, pozlama, alınan yüklerin okuma için maskelenmiş bölgeye çok hızlı bir şekilde aktarılmasıyla sonlandırılabilir ve kısa (mikro saniyenin altında) minimum pozlama süreleri mümkündür.

Ancak, kamera tam hızda akışa geçtiğinde, yani birden fazla kareyi / tam kare hızında bir filmi çektiğinde, ilk görüntünün pozlaması biter bitmez, maskelenmiş bölge okuma tamamlanana kadar bu kare tarafından işgal edilir. Bu nedenle pozlama sona eremez. Bu, yazılımda istenen pozlama süresinden bağımsız olarak, tam hızlı çok kareli bir çekimin ilk karesinden sonraki karelerin gerçek pozlama süresinin, kameranın kare süresi, yani 1 / Kare Hızı tarafından belirlendiği anlamına gelir.

sCMOS Teknolojisi EMCCD Sensörlerinin Yerini Alıyor mu?

EMCCD kameraların, aşırı düşük ışık koşullarında (5 fotoelektron veya daha az tepe sinyal seviyeleri) üstünlüklerini korumalarına yardımcı olan iki özelliği vardı. İlk olarak, 16 μm'ye kadar büyük pikselleri ve ikinci olarak <1e okuma gürültüsü.

Yeni nesilsCMOS kameraEMCCD'lerin sayısız dezavantajı, özellikle de aşırı gürültü faktörü olmadan, aynı özellikleri sunan bir kamera ortaya çıkmıştır. Tucsen'in Aries 16 gibi kameraları, 0,8e- okuma gürültüsüne sahip 16 μm arka aydınlatmalı pikseller sunar. Düşük gürültü ve "doğal olarak" büyük piksellere sahip bu kameralar, binning ve okuma gürültüsü arasındaki ilişki sayesinde, çoğu binned sCMOS kameradan daha iyi performans gösterir.

EMCCD hakkında daha fazla bilgi edinmek istiyorsanız lütfen tıklayın:

EMCCD'nin Yerine Başka Bir Şey Getirilebilir mi? Bunu İster Miyiz?