Cảm biến EMCCD: Công nghệ kế thừa CCD trong điều kiện thiếu sáng |

Cảm biến CCD nhân electron là một cải tiến của cảm biến CCD, cho phép hoạt động ở điều kiện ánh sáng yếu hơn. Chúng thường được thiết kế để xử lý tín hiệu từ vài trăm quang điện tử, xuống đến mức đếm từng photon riêng lẻ.

Bài viết này giải thích cảm biến EMCCD là gì, cách thức hoạt động, ưu điểm và nhược điểm của chúng, và tại sao chúng được coi là bước tiến hóa tiếp theo của công nghệ CCD dành cho hình ảnh thiếu sáng.

Cảm biến EMCCD là gì?

Cảm biến thiết bị ghép điện tích nhân electron (EMCCD) là loại cảm biến CCD chuyên dụng có chức năng khuếch đại các tín hiệu yếu trước khi chúng được đọc ra, cho phép có độ nhạy cực cao trong môi trường thiếu sáng.

Ban đầu được phát triển cho các ứng dụng như thiên văn học và kính hiển vi tiên tiến, EMCCD có thể phát hiện từng photon, một nhiệm vụ mà các cảm biến CCD truyền thống gặp khó khăn. Khả năng phát hiện từng photon này khiến EMCCD trở nên quan trọng đối với các lĩnh vực đòi hỏi hình ảnh chính xác trong điều kiện ánh sáng rất yếu.

Cảm biến EMCCD hoạt động như thế nào?

Cho đến thời điểm đọc, cảm biến EMCCD hoạt động theo cùng nguyên lý với cảm biến CCD. Tuy nhiên, trước khi đo bằng ADC, các điện tích được phát hiện sẽ được nhân lên thông qua một quá trình gọi là ion hóa va chạm, trong một "thanh ghi nhân electron". Qua một chuỗi hàng trăm bước, các điện tích từ một điểm ảnh được di chuyển dọc theo một chuỗi các điểm ảnh được che phủ ở điện áp cao. Mỗi electron ở mỗi bước đều có khả năng mang theo thêm các electron khác. Do đó, tín hiệu được nhân lên theo cấp số nhân.

Kết quả cuối cùng của một EMCCD được hiệu chuẩn tốt là khả năng chọn một lượng nhân trung bình chính xác, thường khoảng 300 đến 400 cho điều kiện ánh sáng yếu. Điều này cho phép các tín hiệu được phát hiện được nhân lên cao hơn nhiều so với nhiễu đọc của máy ảnh, do đó làm giảm nhiễu đọc của máy ảnh. Tuy nhiên, bản chất ngẫu nhiên của quá trình nhân này đồng nghĩa với việc mỗi điểm ảnh được nhân với một lượng khác nhau, dẫn đến một hệ số nhiễu bổ sung, làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của EMCCD.

Sau đây là sơ lược về cách thức hoạt động của cảm biến EMCCD. Cho đến Bước 6, quy trình về cơ bản giống hệt với cảm biến CCD.

Hình: Quá trình đọc dữ liệu cho cảm biến EMCCD

Khi kết thúc quá trình phơi sáng, các cảm biến EMCCD đầu tiên nhanh chóng di chuyển các điện tích đã thu thập đến một mảng điểm ảnh được che phủ có cùng kích thước với mảng nhạy sáng (chuyển khung hình). Sau đó, từng hàng một, các điện tích được chuyển vào thanh ghi đọc. Từng cột một, các điện tích trong thanh ghi đọc được chuyển đến thanh ghi nhân. Ở mỗi giai đoạn của thanh ghi này (tối đa 1000 giai đoạn trong máy ảnh EMCCD thực tế), mỗi electron đều có một cơ hội nhỏ để giải phóng thêm một electron, nhân tín hiệu theo cấp số nhân. Cuối cùng, tín hiệu đã được nhân lên sẽ được đọc ra.

1. Xóa phí: Để bắt đầu quá trình thu nhận, điện tích được xóa đồng thời khỏi toàn bộ cảm biến (màn trập toàn cục).
2. Tích lũy điện tích: Điện tích tích tụ trong quá trình tiếp xúc.
3. Lưu trữ điện tích: Sau khi tiếp xúc, các điện tích thu thập được sẽ được chuyển đến một vùng được che chắn của cảm biến, tại đó chúng có thể chờ đọc mà không cần đếm các photon mới phát hiện được. Đây là quá trình 'Truyền khung'.
4. Tiếp xúc khung hình tiếp theo: Với các điện tích được phát hiện và lưu trữ trong các điểm ảnh được che, các điểm ảnh đang hoạt động có thể bắt đầu phơi sáng khung hình tiếp theo (chế độ chồng lấp).
5. Quá trình đọc ra: Từng hàng một, các khoản phí cho mỗi hàng của khung hình hoàn thiện sẽ được chuyển vào 'thanh ghi đọc'.
6. Từng cột một, các điện tích từ mỗi điểm ảnh được đưa vào nút đọc.
7. Sự nhân electron: Tiếp theo, tất cả các điện tích electron từ điểm ảnh đi vào thanh ghi nhân electron và di chuyển từng bước, nhân số lượng theo cấp số nhân ở mỗi bước.
8. Đọc ra: Tín hiệu được nhân lên sẽ được ADC đọc và quá trình này được lặp lại cho đến khi toàn bộ khung được đọc ra.

Ưu và nhược điểm của cảm biến EMCCD

Ưu điểm của cảm biến EMCCD

Lợi thế	Sự miêu tả
Đếm Photon	Phát hiện từng electron quang điện với độ nhiễu đọc cực thấp (<0,2e⁻), cho phép nhạy cảm với từng photon.
Độ nhạy sáng cực thấp	Tốt hơn đáng kể so với CCD truyền thống, đôi khi còn vượt trội hơn cả camera sCMOS cao cấp ở mức ánh sáng rất yếu.
Dòng chảy tối thấp	Làm mát sâu giúp giảm nhiễu nhiệt, cho phép chụp ảnh rõ nét hơn khi phơi sáng lâu.
Màn trập 'Nửa toàn cầu'	Chuyển khung hình cho phép phơi sáng gần như toàn cầu với tốc độ chuyển dịch điện tích rất nhanh (~1 micro giây).

● Đếm Photon: Với hệ số nhân electron đủ cao, nhiễu đọc có thể được loại bỏ gần như hoàn toàn (<0,2e-). Điều này, cùng với giá trị khuếch đại cao và hiệu suất lượng tử gần như hoàn hảo, có nghĩa là việc phân biệt từng electron quang điện là hoàn toàn khả thi.
● Độ nhạy sáng cực thấp: So với CCD, hiệu suất thiếu sáng của EMCCD tốt hơn đáng kể. Có thể có một số ứng dụng mà EMCCD cung cấp khả năng phát hiện và độ tương phản tốt hơn cả sCMOS cao cấp ở mức ánh sáng thấp nhất có thể.
● Dòng chảy tối thấp: Giống như CCD, EMCCD thường được làm mát sâu và có khả năng cung cấp giá trị dòng tối rất thấp.
● Màn trập 'Nửa toàn cầu':Quá trình chuyển khung hình để bắt đầu và kết thúc phơi sáng không thực sự diễn ra đồng thời, nhưng thường mất khoảng 1 micro giây.

Nhược điểm của cảm biến EMCCD

Điều bất lợi	Sự miêu tả
Tốc độ giới hạn	Tốc độ khung hình tối đa (~30 khung hình/giây ở 1 MP) chậm hơn nhiều so với các lựa chọn thay thế CMOS hiện đại.
Tiếng ồn khuếch đại	Bản chất ngẫu nhiên của quá trình nhân electron tạo ra tiếng ồn dư thừa, làm giảm SNR.
Điện tích cảm ứng đồng hồ (CIC)	Chuyển động sạc nhanh có thể tạo ra các tín hiệu sai bị khuếch đại.
Giảm dải động	Độ khuếch đại cao làm giảm tín hiệu tối đa mà cảm biến có thể xử lý trước khi bão hòa.
Kích thước điểm ảnh lớn	Kích thước điểm ảnh phổ biến (13–16 μm) có thể không phù hợp với nhiều yêu cầu của hệ thống quang học.
Yêu cầu làm mát nặng	Cần phải làm mát sâu ổn định để đạt được sự nhân lên nhất quán và tiếng ồn thấp.
Nhu cầu hiệu chuẩn	Độ lợi EM giảm dần theo thời gian (suy giảm theo cấp số nhân), đòi hỏi phải hiệu chuẩn thường xuyên.
Độ bất ổn phơi sáng ngắn	Thời gian tiếp xúc quá ngắn có thể gây ra hiện tượng khuếch đại tín hiệu và nhiễu không thể đoán trước.
Chi phí cao	Quá trình sản xuất phức tạp và làm mát sâu khiến các cảm biến này đắt hơn sCMOS.
Tuổi thọ có hạn	Bộ ghi nhân electron sẽ bị mòn dần, thường kéo dài trong khoảng 5–10 năm.
Thách thức xuất khẩu	Tuân theo các quy định nghiêm ngặt do có khả năng ứng dụng trong quân sự.

● Tốc độ hạn chế:EMCCD nhanh cung cấp khoảng 30 khung hình/giây ở 1 MP, tương tự như CCD, chậm hơn nhiều lần so với camera CMOS.

● Giới thiệu về tiếng ồn: 'Hệ số nhiễu dư thừa' do sự nhân lên của electron ngẫu nhiên, so với camera sCMOS nhiễu thấp có cùng hiệu suất lượng tử, có thể khiến EMCCD có độ nhiễu cao hơn đáng kể tùy thuộc vào mức tín hiệu. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) của sCMOS cao cấp thường tốt hơn đối với tín hiệu khoảng 3e-, thậm chí còn tốt hơn đối với tín hiệu cao hơn.

● Điện tích cảm ứng đồng hồ (CIC): Nếu không được kiểm soát cẩn thận, chuyển động của các điện tích trên cảm biến có thể đưa thêm electron vào các điểm ảnh. Nhiễu này sau đó được nhân lên bởi thanh ghi nhân electron. Tốc độ chuyển động của điện tích (tốc độ xung nhịp) càng cao thì tốc độ khung hình càng cao, nhưng CIC càng lớn.

● Giảm dải động: Giá trị nhân electron rất cao cần thiết để khắc phục tiếng ồn đọc EMCCD dẫn đến dải động giảm đáng kể.

● Kích thước điểm ảnh lớn: Kích thước điểm ảnh phổ biến nhỏ nhất của camera EMCCD là 10 μm, nhưng phổ biến nhất là 13 hoặc 16 μm. Kích thước này quá lớn để đáp ứng yêu cầu về độ phân giải của hầu hết các hệ thống quang học.

● Yêu cầu hiệu chuẩn: Quá trình nhân electron làm mòn thanh ghi EM khi sử dụng, làm giảm khả năng nhân lên của nó trong một quá trình gọi là "phân rã nhân electron". Điều này có nghĩa là độ khuếch đại của camera liên tục thay đổi, và camera cần được hiệu chuẩn thường xuyên để thực hiện bất kỳ hình ảnh định lượng nào.

● Tiếp xúc không nhất quán trong thời gian ngắn:Khi sử dụng thời gian phơi sáng rất ngắn, máy ảnh EMCCD có thể tạo ra kết quả không nhất quán vì tín hiệu yếu bị nhiễu và quá trình khuếch đại gây ra biến động thống kê.

● Yêu cầu làm mát nặng: Quá trình nhân electron chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi nhiệt độ. Làm mát cảm biến sẽ làm tăng khả năng nhân electron. Do đó, việc làm mát cảm biến sâu trong khi vẫn duy trì độ ổn định nhiệt độ là rất quan trọng đối với các phép đo EMCCD có thể tái tạo.

● Chi phí cao: Khó khăn trong việc sản xuất các cảm biến đa thành phần này, kết hợp với việc làm mát sâu, dẫn đến giá thường cao hơn so với camera cảm biến sCMOS chất lượng cao nhất.

● Tuổi thọ hạn chế: Sự phân rã nhân electron giới hạn tuổi thọ của những cảm biến đắt tiền này, thường là 5-10 năm, tùy thuộc vào mức độ sử dụng.

● Thách thức xuất khẩu:Việc nhập khẩu và xuất khẩu cảm biến EMCCD thường gặp khó khăn về mặt hậu cần do chúng có khả năng được sử dụng trong các ứng dụng quân sự.

Tại sao EMCCD là công nghệ kế thừa CCD

Tính năng	CCD	EMCCD
Độ nhạy	Cao	Siêu cao (đặc biệt là ánh sáng yếu)
Tiếng ồn đọc ra	Vừa phải	Cực kỳ thấp (do tăng)
Dải động	Cao	Trung bình (giới hạn bởi mức tăng)
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn
Làm mát	Không bắt buộc	Thông thường cần thiết cho hiệu suất tối ưu
Các trường hợp sử dụng	Hình ảnh chung	Phát hiện photon đơn, ánh sáng yếu

Cảm biến EMCCD được xây dựng dựa trên công nghệ CCD truyền thống bằng cách tích hợp bước nhân electron. Điều này giúp tăng cường khả năng khuếch đại tín hiệu yếu và giảm nhiễu, khiến EMCCD trở thành lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng chụp ảnh trong điều kiện ánh sáng cực yếu mà cảm biến CCD không đáp ứng được.

Các ứng dụng chính của cảm biến EMCCD

Cảm biến EMCCD thường được sử dụng trong các lĩnh vực khoa học và công nghiệp đòi hỏi độ nhạy cao và khả năng phát hiện tín hiệu yếu:

● Khoa học sự sống Imaging: Dành cho các ứng dụng như kính hiển vi huỳnh quang phân tử đơn và kính hiển vi huỳnh quang phản xạ toàn phần bên trong (TIRF).
● Thiên văn học: Được sử dụng để thu ánh sáng yếu từ các ngôi sao xa xôi, thiên hà và nghiên cứu ngoại hành tinh.
● Quang học lượng tử: Dùng cho các thí nghiệm về sự vướng víu photon và thông tin lượng tử.

● Pháp y và An ninh: Được sử dụng trong giám sát ánh sáng yếu và phân tích bằng chứng dấu vết.
● Quang phổ: Trong quang phổ Raman và phát hiện huỳnh quang cường độ thấp.

Khi nào bạn nên chọn cảm biến EMCCD?

Với những cải tiến trong cảm biến CMOS những năm gần đây, lợi thế về nhiễu đọc của cảm biến EMCCD đã giảm bớt vì giờ đây, ngay cả camera sCMOS cũng có khả năng đọc nhiễu dưới electron, cùng với rất nhiều lợi ích khác. Nếu một ứng dụng đã từng sử dụng EMCCD, việc xem xét liệu đây có phải là lựa chọn tốt nhất hay không, xét đến những phát triển của sCMOS, là rất đáng giá.

Về mặt lịch sử, EMCCD vẫn có thể thực hiện đếm photon thành công hơn, cùng với một số ứng dụng chuyên biệt khác với mức tín hiệu điển hình dưới 3-5e/pixel ở đỉnh. Tuy nhiên, với kích thước pixel lớn hơn và nhiễu đọc dưới electron ngày càng phổ biến trongmáy ảnh khoa họcdựa trên công nghệ sCMOS, những ứng dụng này có thể sớm được thực hiện bằng sCMOS cao cấp.

Câu hỏi thường gặp

Thời gian phơi sáng tối thiểu cho máy ảnh chuyển khung hình là bao lâu?

Đối với tất cả các cảm biến truyền khung hình, bao gồm cả EMCCD, vấn đề thời gian phơi sáng tối thiểu là một câu hỏi phức tạp. Đối với việc thu thập ảnh đơn lẻ, quá trình phơi sáng có thể được kết thúc bằng cách xáo trộn các điện tích thu được vào vùng bị che khuất để đọc rất nhanh, và thời gian phơi sáng tối thiểu có thể ngắn (dưới micro giây).

Tuy nhiên, ngay khi máy quay đang phát trực tuyến ở tốc độ tối đa, tức là thu thập nhiều khung hình / một bộ phim ở tốc độ khung hình tối đa, ngay khi hình ảnh đầu tiên hoàn tất phơi sáng, vùng được che phủ sẽ được chiếm bởi khung hình đó cho đến khi quá trình đọc hoàn tất. Do đó, quá trình phơi sáng không thể kết thúc. Điều này có nghĩa là, bất kể thời gian phơi sáng được yêu cầu trong phần mềm là bao nhiêu, thời gian phơi sáng thực tế của các khung hình tiếp theo sau khung hình đầu tiên của quá trình thu thập nhiều khung hình ở tốc độ tối đa được xác định theo thời gian khung hình, tức là 1 / Tốc độ khung hình, của máy quay.

Công nghệ sCMOS có thay thế cảm biến EMCCD không?

Camera EMCCD có hai thông số kỹ thuật giúp duy trì lợi thế trong các tình huống chụp ảnh thiếu sáng cực độ (với mức tín hiệu đỉnh là 5 quang điện tử hoặc ít hơn). Thứ nhất, điểm ảnh lớn, lên đến 16 μm, và thứ hai là nhiễu <1e-read.

Một thế hệ mới củamáy ảnh sCMOSđã xuất hiện, mang lại những đặc điểm tương tự, mà không có nhiều nhược điểm của EMCCD, đặc biệt là hệ số nhiễu dư thừa. Các camera như Aries 16 của Tucsen cung cấp điểm ảnh chiếu sáng ngược 16 μm với nhiễu đọc là 0,8e-. Với độ nhiễu thấp và điểm ảnh lớn "tự nhiên", những camera này cũng vượt trội hơn hầu hết các camera sCMOS binned, nhờ mối quan hệ giữa binning và nhiễu đọc.

Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về EMCCD, vui lòng nhấp vào:

EMCCD có thể được thay thế không và chúng ta có bao giờ muốn điều đó không?