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Technical articles现阶段EMCCD在弱光成像领域的地位似乎正面临sCMOS技术的全面威胁,属于EMCCD的时代结束了吗?本篇文章不会在原理上做过多深度解析,而是对大家更关心的结论性问题做了总结性输出,相信能帮助使用者理解两者之间的区别,作为产品选型时的参考。
》》EMCCD的崛起之路《《
EMCCD的出现曾是一场技术革命,它通过降低读出噪声来大幅提高相机的灵敏度,或者更准确地说是通过放大信号使读出噪声相对变小,在单分子级别的极弱光应用中备受推崇。
早在1990年代初,e2V(现在的Teledyne e2V)和德州仪器(TI)就推出了EMCCD的第一代技术,但这项技术直到1990年代末才最终取得实质性进展。其中512x512分辨率、16μm像元以及背照式设计方案逐渐成为EMCCD的主流技术方案,并在业内产生了深远影响。
图1 EMCCD工作原理示意图:EMCCD的增益寄存器可以对信号进行成百上千倍的放大,因为这个过程发生在芯片数据读出前,所以不会放大读出噪声。
16μm像元在显微镜下收集到的信号是当时主流CCD(Sony ICX285芯片)的6倍,再加上背照式的设计带来的量子效率提升,使得EMCCD即使不用EM增益放大,灵敏度仍是CCD的7倍。
除了像素大小和背照式带来的灵敏度大幅提升,读出噪声降至1个电子以下也是EMCCD崛起的关键,这使得它在单光子等极限信号探测领域里所向披靡。即使它的增益技术并不完善,这个过程会放大信号的不确定性,还会使得散粒噪声、暗电流噪声等变为1.4倍;但好在它仅为极弱光而生,高达3万美元的售价就足见其实力优势,和当时的CCD不是一个层级的竞争关系。
》》EMCCD面临的挑战《《
EMCCD技术本身存在的乘性噪声和增益老化等不利的因素,随着sCMOS技术的崛起,EMCCD迎来了正面冲击。
图2 EMCCD信噪比公式:G为EM Gain值,F为额外噪声因子(约1.414)
刚开始是前照式sCMOS,6.5μm像元的读出噪声降到了1.5e-左右的水平,开始替代一部分高灵敏度应用;接着是2016年的背照式sCMOS面世,像元尺寸和背照式技术优势的叠加使其灵敏度较前照式技术提高了3.5倍以上,逐步逼近EMCCD水平;而到了2021年,sCMOS则再次将读出噪声降到了<0.5e-的亚电子水平。所有这些似乎意味着EMCCD时代即将终结。
》》EMCCD和sCMOS的较量《《
但实际上,sCMOS的临门一脚首先还是和像元大小有关。虽然前文提到的6.5μm像元可以进行更高分辨率的成像,但我们不得不承认其收集光子的能力要远小于16μm的像元,两者有着近6倍的差距。像素合并功能可以帮助解决这一差距,但别忘了这同时也会让读出噪声成倍增加。这也正是为什么人们更喜欢直接使用6.5μm像元,而不会通过像素合并把它合并成一个更大的像元使用,因为这会将读出噪声从原本的1.5e-增加到3e-以上,在个位数的极弱光领域得不偿失。
图3 sCMOS Binning功能示意图:sCMOS技术目前仅能进行数字Binning,因为像素合并发生在芯片数据读出后,所以Binning不仅会合并信号,也会合并读出噪声。
另外,增益带来的对比度优势现阶段仍然不可替代。即使sCMOS和EMCCD的读出噪声已经可以达到一致的水平,但对比一下两者的电子、灰度的转化比例,你就不得不感叹EMCCD增益的威力了:理论上EMCCD单个电子通常会转化为上百个灰度,但sCMOS每个电子只能实现2-4个灰度的转化比,这使得EMCCD的图像有更佳的对比度。
图4 sCMOS和EMCCD灰度转化比示意图。EMCCD由于读出噪声相对很低,在背景信号仅为读出噪声的成像模式下,其图像有更高的信背比。
最后,我们还要提一下全局快门。这种快门方式在采集转瞬即逝的高速信号,和在复杂的系统中非常好用。现阶段,大部分sCMOS相机为了保持在弱光成像时的灵敏度,仍然优先选择卷帘快门,即使提供了全局重置(Global Reset)功能,能够适用于一部分同步拍摄的需求,但还是无法复刻EMCCD全局快门的优势。
图5 卷帘和全局快门的曝光示意图
上述所列的几个技术点都和sCMOS所采用的芯片底层技术逻辑有关。目前的背照式sCMOS产品中,鑫图Aries 16是一款和EMCCD(512 x 512)技术性能较为相近的sCMOS相机。它具有16μm大像元,0.9e-的读出噪声,无需使用binning就可以直接应用在差不多5个光子级的弱信号探测中,而且价格仅为EMCCD的一半。
图6 鑫图Aries 16产品图及主要参数
》》EMCCD时代真的结束了吗《《
不,EMCCD还没有被全部替代,直到有一天我们能够再次创造这么伟大的发明。但它的问题也依然存在:乘性噪声、增益老化、速度、视野、成本,然后还有出口管制……
EMCCD好比一架协和超音速飞机(Concorde — 是世界上少数曾投入商业使用的超音速客机,于1976年进行商业首飞,但因载客量有限,最终于2003年退役),每个人都会喜欢它,但并不是所有人都真的需要它。如果有个新选择也能成功到达大洋彼岸,不需要额外的支出,还提供更大的座位和平躺的床,让您能够美美地在空中睡上三个小时,我想大部分人都会考虑换乘吧。
EMCCD始终会是一小部分应用的选择,只是这部分应用越来越少了。我们感叹EMCCD成就的同时,也不得不感叹时代的车轮滚滚向前,总是驱动着进步发生。向时代潮流中所有伟大的发明创造者们致敬!