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EMCCD可以被取代嗎?從它的起源說起……

更新時間:2024-05-22點擊次數:676

現階段EMCCD在弱光成像領域的地位似乎正面臨sCMOS技術的全面威脅,屬于EMCCD的時代結束了嗎?本篇文章不會在原理上做過多深度解析,而是對大家更關心的結論性問題做了總結性輸出,相信能幫助使用者理解兩者之間的區別,作為產品選型時的參考。

 

 

》》EMCCD的崛起之路《《

 

EMCCD的出現曾是一場技術革命,它通過降低讀出噪聲來大幅提高相機的靈敏度,或者更準確地說是通過放大信號使讀出噪聲相對變小,在單分子級別的極弱光應用中備受推崇。

 

早在1990年代初,e2V(現在的Teledyne e2V)和德州儀器(TI)就推出了EMCCD的第一代技術,但這項技術直到1990年代末才最終取得實質性進展。其中512x512分辨率、16μm像元以及背照式設計方案逐漸成為EMCCD的主流技術方案,并在業內產生了深遠影響。

 

EMCCD可以被取代嗎?從它的起源說起……

圖1 EMCCD工作原理示意圖:EMCCD的增益寄存器可以對信號進行成百上千倍的放大,因為這個過程發生在芯片數據讀出前,所以不會放大讀出噪聲。

 

16μm像元在顯微鏡下收集到的信號是當時主流CCD(Sony ICX285芯片)的6倍,再加上背照式的設計帶來的量子效率提升,使得EMCCD即使不用EM增益放大,靈敏度仍是CCD的7倍。

 

除了像素大小和背照式帶來的靈敏度大幅提升,讀出噪聲降至1個電子以下也是EMCCD崛起的關鍵,這使得它在單光子等極限信號探測領域里所向披靡。即使它的增益技術并不完善,這個過程會放大信號的不確定性,還會使得散粒噪聲、暗電流噪聲等變為1.4倍;但好在它僅為極弱光而生,高達3萬美元的售價就足見其實優勢和當時的CCD不是一個層級的競爭關系。

 

 

》》EMCCD面臨的挑戰《《

 

EMCCD技術本身存在的乘性噪聲和增益老化等不利的因素,隨著sCMOS技術的崛起,EMCCD迎來了正面沖擊。

 

EMCCD可以被取代嗎?從它的起源說起……

圖2 EMCCD信噪比公式:G為EM Gain值,F為額外噪聲因子(約1.414)

 

剛開始是前照式sCMOS,6.5μm像元的讀出噪聲降到了1.5e-左右的水平,開始替代一部分高靈敏度應用;接著是2016年的背照式sCMOS面世,像元尺寸和背照式技術優勢的疊加使其靈敏度較前照式技術提高了3.5倍以上,逐步逼近EMCCD水平;而到了2021年,sCMOS則再次將讀出噪聲降到了<0.5e-的亞電子水平。所有這些似乎意味著EMCCD時代即將終結。

 

 

》》EMCCD和sCMOS的較量《《

 

但實際上,sCMOS的臨門一腳首先還是和像元大小有關。雖然前文提到的6.5μm像元可以進行更高分辨率的成像,但我們不得不承認其收集光子的能力要遠小于16μm的像元,兩者有著近6倍的差距。像素合并功能可以幫助解決這一差距,但別忘了這同時也會讓讀出噪聲成倍增加。這也正是為什么人們更喜歡直接使用6.5μm像元,而不會通過像素合并把它合并成一個更大的像元使用,因為這會將讀出噪聲從原本的1.5e-增加到3e-以上,在個位數的極弱光領域得不償失。

 

 

EMCCD可以被取代嗎?從它的起源說起……

圖3 sCMOS Binning功能示意圖:sCMOS技術目前僅能進行數字Binning,因為像素合并發生在芯片數據讀出后,所以Binning不僅會合并信號,也會合并讀出噪聲。

 

另外,增益帶來的對比度優勢現階段仍然不可替代。即使sCMOS和EMCCD的讀出噪聲已經可以達到一致的水平,但對比一下兩者的電子、灰度的轉化比例,你就不得不感嘆EMCCD增益的威力了:理論上EMCCD單個電子通常會轉化為上百個灰度,但sCMOS每個電子只能實現2-4個灰度的轉化比,這使得EMCCD的圖像有更佳的對比度。

 

EMCCD可以被取代嗎?從它的起源說起……

圖4 sCMOS和EMCCD灰度轉化比示意圖。EMCCD由于讀出噪聲相對很低,在背景信號僅為讀出噪聲的成像模式下,其圖像有更高的信背比。

 

最后,我們還要提一下全局快門。這種快門方式在采集轉瞬即逝的高速信號,和在復雜的系統中非常好用。現階段,大部分sCMOS相機為了保持在弱光成像時的靈敏度,仍然優先選擇卷簾快門,即使提供了全局重置(Global Reset)功能,能夠適用于一部分同步拍攝的需求,但還是無法復刻EMCCD全局快門的優勢。

Global Shutter Advantage 

圖5 卷簾和全局快門的曝光示意圖

 

上述所列的幾個技術點都和sCMOS所采用的芯片底層技術邏輯有關。目前的背照式sCMOS產品中,鑫圖Aries 16是一款和EMCCD(512 x 512)技術性能較為相近的sCMOS相機。它具有16μm大像元,0.9e-的讀出噪聲,無需使用binning就可以直接應用在差不多5個光子級的弱信號探測中,而且價格僅為EMCCD的一半。

EMCCD可以被取代嗎?從它的起源說起……

圖6 鑫圖Aries 16產品圖及主要參數

 

 

》》EMCCD時代真的結束了嗎《《

 

不,EMCCD還沒有被全部代,直到有一天我們能夠再次創造這么偉大的發明。但它的問題也依然存在:乘性噪聲、增益老化、速度、視野、成本,然后還有出口管制……

 

EMCCD好比一架協和超音速飛機(Concorde — 是世界上少數曾投入商業使用的超音速客機,于1976年進行商業首飛,但因載客量有限,最終于2003年退役),每個人都會喜歡它,但并不是所有人都真的需要它。如果有個新選擇也能成功到達大洋彼岸,不需要額外的支出,還提供更大的座位和平躺的床,讓您能夠美美地在空中睡上三個小時,我想大部分人都會考慮換乘吧。

 

EMCCD始終會是一小部分應用的選擇,只是這部分應用越來越少了。我們感嘆EMCCD成就的同時,也不得不感嘆時代的車輪滾滾向前,總是驅動著進步發生。向時代潮流中所有偉大的發明創造者們致敬!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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