25/08/01ПЗС-матриця з електронним множенням – це еволюція ПЗС-матриці, що дозволяє працювати в умовах слабкого освітлення. Зазвичай вона призначена для сигналів кількох сотень фотоелектронів, аж до рівня підрахунку окремих фотонів.
У цій статті пояснюється, що таке датчики EMCCD, як вони функціонують, їхні переваги та недоліки, а також чому їх вважають наступним етапом еволюції технології CCD для отримання зображень в умовах низької освітленості.
Що таке датчик EMCCD?
Датчик на основі електронно-множильного зарядового зв'язку (EMCCD) — це спеціалізований тип CCD-датчика, який підсилює слабкі сигнали перед їх зчитуванням, що забезпечує надзвичайно високу чутливість в умовах низької освітленості.
Спочатку розроблені для таких застосувань, як астрономія та передова мікроскопія, EMCCD можуть виявляти окремі фотони, завдання, з яким традиційні CCD-сенсори мають труднощі. Ця здатність виявляти окремі фотони робить EMCCD вирішальним фактором для галузей, що вимагають точного зображення за дуже низьких рівнів освітлення.
Як працюють датчики EMCCD?
До моменту зчитування, датчики EMCCD працюють за тими ж принципами, що й датчики CCD. Однак, перед вимірюванням за допомогою АЦП, виявлені заряди множаться за допомогою процесу, який називається імпакціонізацією, в «регістрі множення електронів». Протягом серії з кількох сотень кроків заряди з пікселя переміщуються вздовж серії маскованих пікселів під високою напругою. Кожен електрон на кожному кроці має шанс привести до себе додаткові електрони. Таким чином, сигнал множиться експоненціально.
Кінцевим результатом добре каліброваного EMCCD є можливість вибрати точну величину середнього множення, зазвичай близько 300-400 для роботи в умовах слабкого освітлення. Це дозволяє множити виявлені сигнали набагато вище, ніж шум зчитування камери, фактично зменшуючи шум зчитування камери. На жаль, стохастична природа цього процесу множення означає, що кожен піксель множиться на різну величину, що вводить додатковий коефіцієнт шуму, зменшуючи співвідношення сигнал/шум (SNR) EMCCD.
Ось детальний опис роботи датчиків EMCCD. До кроку 6 процес фактично такий самий, як і для датчиків CCD.
Рисунок: Процес зчитування даних для датчика EMCCD
Після завершення експозиції, датчики EMCCD спочатку швидко переміщують зібрані заряди до замаскованого масиву пікселів тих самих розмірів, що й світлочутливий масив (передача кадрів). Потім, по рядку за раз, заряди переміщуються в регістр зчитування. По стовпцю за раз заряди в регістрі зчитування передаються до регістра множення. На кожному етапі цього регістра (до 1000 етапів у реальних камерах EMCCD) кожен електрон має невеликий шанс вивільнити додатковий електрон, експоненціально множачи сигнал. Зрештою, помножений сигнал зчитується.
1. Очищення платежу: Щоб розпочати зйомку, заряд одночасно знімається з усього датчика (глобальний затвор).
2. Накопичення зарядуЗаряд накопичується під час експозиції.
3. Зберігання зарядуПісля експозиції зібрані заряди переміщуються в замасковану область датчика, де вони можуть чекати на зчитування без підрахунку нових виявлених фотонів. Це процес «передачі кадру».
4. Експозиція наступного кадру: Після збереження виявлених зарядів у замаскованих пікселях активні пікселі можуть розпочати експозицію наступного кадру (режим перекриття).
5. Процес зчитування: Ряд за рядком, заряди для кожного рядка готового кадру переміщуються в «регістр зчитування».
6. По одному стовпчику за раз, заряди від кожного пікселя передаються до вузла зчитування.
7. Множення електронівДалі всі електронні заряди з пікселя потрапляють до регістру множення електронів і рухаються крок за кроком, множачись експоненціально на кожному кроці.
8. ЗчитуванняПомножений сигнал зчитується АЦП, і процес повторюється, доки не буде зчитано весь кадр.
Плюси та мінуси датчиків EMCCD
Переваги датчиків EMCCD
| Перевага | Опис |
| Підрахунок фотонів | Виявляє окремі фотоелектрони з наднизьким рівнем шуму зчитування (<0,2e⁻), що забезпечує чутливість до окремих фотонів. |
| Чутливість до наднизького освітлення | Значно кращі за традиційні ПЗС-матриці, іноді перевершуючи навіть високоякісні sCMOS-камери за дуже низьких рівнів освітлення. |
| Низький темновий струм | Глибоке охолодження зменшує тепловий шум, забезпечуючи чіткіші зображення під час тривалої експозиції. |
| «Напівглобальний» затвор | Передача кадрів дозволяє майже глобальну експозицію з дуже швидким зміщенням заряду (~1 мікросекунда). |
● Підрахунок фотонівПри достатньо високому коефіцієнті множення електронів шум зчитування можна практично усунути (<0,2e-). Це, поряд з високим коефіцієнтом підсилення та майже ідеальною квантовою ефективністю, означає, що розрізнення окремих фотоелектронів можливе.
● Чутливість до наднизького освітленняПорівняно з ПЗЗ-матрицями, продуктивність EMCCD в умовах низької освітленості значно краща. Можливі деякі застосування, де EMCCD забезпечує кращу здатність виявлення та контрастність навіть ніж високоякісні sCMOS-матриці за найнижчих можливих рівнів освітленості.
● Низький темновий струмЯк і у випадку з ПЗЗ-матрицями, EMCCD зазвичай мають глибоке охолодження та здатні забезпечувати дуже низькі значення темнового струму.
● Затвор «Напівглобальний»Процес передачі кадру для початку та завершення експозиції не є повністю одночасним, але зазвичай займає близько 1 мікросекунди.
Мінуси датчиків EMCCD
| Недолік | Опис |
| Обмежена швидкість | Максимальна частота кадрів (~30 кадрів/с при 1 МП) набагато нижча, ніж у сучасних CMOS-альтернатив. |
| Шум підсилення | Випадковий характер множення електронів вносить надлишковий шум, зменшуючи співвідношення сигнал/шум (SNR). |
| Заряд, індукований годинником (CIC) | Швидкий рух заряду може створювати хибні сигнали, які посилюються. |
| Зменшений динамічний діапазон | Високий коефіцієнт підсилення зменшує максимальний сигнал, який може обробити датчик до насичення. |
| Великий розмір пікселя | Звичайні розміри пікселів (13–16 мкм) можуть не відповідати багатьом вимогам до оптичних систем. |
| Вимога інтенсивного охолодження | Для досягнення стабільного множення та низького рівня шуму необхідне стабільне глибоке охолодження. |
| Потреби в калібруванні | Коефіцієнт електромагнітного підсилення з часом знижується (множення, що затухає), що вимагає регулярного калібрування. |
| Нестабільність короткої експозиції | Дуже короткі експозиції можуть призвести до непередбачуваного посилення сигналу та шуму. |
| Висока вартість | Складне виробництво та глибоке охолодження роблять ці датчики дорожчими, ніж sCMOS-датчики. |
| Обмежений термін служби | Регістр розмноження електронів зношується, зазвичай протягом 5–10 років. |
| Проблеми експорту | Підлягає суворим правилам через потенційне військове застосування. |
● Обмежена швидкістьШвидкісні EMCCD забезпечують близько 30 кадрів/с при роздільній здатності 1 МП, що подібно до CCD-матриць, але на порядок повільніше, ніж CMOS-камери.
● Вступ до шуму«Надмірний коефіцієнт шуму», спричинений випадковим розмноженням електронів, порівняно з малошумною sCMOS-камерою з такою ж квантовою ефективністю, може призвести до значно вищого рівня шуму в EMCCD залежно від рівнів сигналу. Співвідношення сигнал/шум (SNR) для високоякісних sCMOS-транзисторів зазвичай краще для сигналів близько 3e-, і навіть краще для сигналів з вищим рівнем шуму.
● Заряд, індукований годинником (CIC)Якщо ретельно не контролювати рух зарядів по датчику, він може вводити додаткові електрони в пікселі. Цей шум потім множиться на регістр множення електронів. Вищі швидкості руху зарядів (тактові частоти) призводять до вищої частоти кадрів, але й більшого CIC.
● Зменшений динамічний діапазонДуже високі значення множення електронів, необхідні для подолання шуму зчитування EMCCD, призводять до значного зменшення динамічного діапазону.
● Великий розмір пікселяНайменший поширений розмір пікселя для камер EMCCD становить 10 мкм, але найчастіше використовується 13 або 16 мкм. Це занадто багато, щоб відповідати вимогам роздільної здатності більшості оптичних систем.
● Вимоги до калібруванняПроцес множення електронів зношує електромагнітний регістр під час використання, зменшуючи його здатність до множення в процесі, який називається «затухання множення електронів». Це означає, що коефіцієнт підсилення камери постійно змінюється, і камера потребує регулярного калібрування для виконання будь-якої кількісної візуалізації.
● Нестабільна експозиція за короткий час: При використанні дуже короткого часу експозиції камери EMCCD можуть давати непослідовні результати, оскільки слабкий сигнал перекривається шумом, а процес посилення вносить статистичні коливання.
● Потреба в інтенсивному охолодженніПроцес розмноження електронів сильно залежить від температури. Охолодження датчика збільшує доступне розмноження електронів. Тому глибоке охолодження датчика зі збереженням стабільності температури є критично важливим для відтворюваних вимірювань EMCCD.
● Висока вартістьСкладність виробництва цих багатокомпонентних датчиків у поєднанні з глибоким охолодженням призводить до цін, які зазвичай вищі, ніж у найякісніших камер із sCMOS-сенсорами.
● Обмежений термін службиРозпад електронів внаслідок розмноження обмежує термін служби цих дорогих датчиків, зазвичай він становить 5-10 років, залежно від рівня використання.
● Проблеми експортуІмпорт та експорт датчиків EMCCD, як правило, є логістично складним через їх потенційне використання у військових цілях.
Чому EMCCD є наступником CCD
| Функція | ПЗЗ-модель | EMCCD |
| Чутливість | Високий | Ультрависокий (особливо при слабкому освітленні) |
| Шум зчитування | Помірний | Надзвичайно низький (через коефіцієнт посилення) |
| Динамічний діапазон | Високий | Помірний (обмежений коефіцієнтом посилення) |
| Вартість | Нижня | Вища |
| Охолодження | Необов'язково | Зазвичай потрібно для оптимальної продуктивності |
| Варіанти використання | Загальна візуалізація | Виявлення одного фотона за низької освітленості |
Датчики EMCCD базуються на традиційній технології CCD, включаючи крок множення електронів. Це покращує здатність підсилювати слабкі сигнали та зменшувати шум, що робить EMCCD кращим вибором для застосувань візуалізації в умовах надзвичайно слабкого освітлення, де CCD-датчики не справляються з цим завданням.
Основні застосування датчиків EMCCD
Датчики EMCCD зазвичай використовуються в наукових та промислових галузях, що вимагають високої чутливості та здатності виявляти слабкі сигнали:
● Уява про науки про життяg: Для таких застосувань, як флуоресцентна мікроскопія окремих молекул та мікроскопія повного внутрішнього відбиття (TIRF).
● АстрономіяВикористовується для захоплення слабкого світла від далеких зірок, галактик та дослідження екзопланет.
● Квантова оптикаДля експериментів з фотонною заплутаністю та квантовою інформацією.
● Криміналістика та безпекаВикористовується для спостереження за умов слабкого освітлення та аналізу слідів доказів.
● СпектроскопіяУ раманівській спектроскопії та детектуванні низькоінтенсивної флуоресценції.
Коли варто обрати датчик EMCCD?
З удосконаленням CMOS-сенсорів за останні роки перевага EMCCD-сенсорів щодо шуму зчитування зменшилася, оскільки тепер навіть sCMOS-камери здатні створювати субелектронний шум зчитування, поряд з величезним рядом інших переваг. Якщо раніше в застосуванні використовувалися EMCCD, варто перевірити, чи є це найкращим вибором, враховуючи розвиток sCMOS-сенсорів.
Історично, EMCCD все ще могли виконувати підрахунок фотонів успішніше, поряд з кількома іншими нішевими застосуваннями з типовими рівнями сигналу менше 3-5e- на піксель у піку. Однак, зі збільшенням розмірів пікселів та шумом зчитування субелектронів, що стає доступним унаукові камериЗавдяки технології sCMOS, можливо, ці застосування також незабаром будуть виконуватися за допомогою високоякісних sCMOS.
Найчастіші запитання
Який мінімальний час експозиції для камер із передачею кадрів?
Для всіх датчиків передачі кадрів, включаючи EMCCD, питання мінімально можливого часу експозиції є складним. Для отримання одного зображення експозицію можна завершити, перемішуючи отримані заряди в масковану область для дуже швидкого зчитування, і можливі короткі (субмікросекундні) мінімальні часи експозиції.
Однак, щойно камера починає потокову передачу на повній швидкості, тобто знімає кілька кадрів / відео з повною частотою кадрів, щойно перше зображення завершує експозицію, замаскована область займається цим кадром до завершення зчитування. Тому експозиція не може завершитися. Це означає, що незалежно від часу експозиції, запитуваного програмно, реальний час експозиції наступних кадрів після першого з повношвидкісного багатокадрового захоплення визначається часом кадру камери, тобто 1 / частота кадрів.
Чи замінить технологія sCMOS датчики EMCCD?
Камери EMCCD мали дві характеристики, які допомагали їм зберегти перевагу в умовах надзвичайно слабкого освітлення (з піковими рівнями сигналу 5 фотоелектронів або менше). По-перше, їхні великі пікселі, до 16 мкм, і, по-друге, їхній шум зчитування <1e.
Нове поколінняsCMOS-камераз'явилася камера, яка пропонує ті ж самі характеристики, без численних недоліків EMCCD, особливо надмірного коефіцієнта шуму. Такі камери, як Aries 16 від Tucsen, пропонують пікселі з підсвічуванням розміром 16 мкм із шумом зчитування 0,8e-. Завдяки низькому рівням шуму та «природно» великим пікселям ці камери також перевершують більшість sCMOS-камер з групуванням, завдяки взаємозв'язку між групуванням та шумом зчитування.
Якщо ви хочете дізнатися більше про EMCCD, будь ласка, натисніть:
Чи можна замінити EMCCD, і чи хотіли б ми цього коли-небудь?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усі права захищено. Під час цитування, будь ласка, вкажіть джерело:www.tucsen.com
