EMCCD可以被取代吗？从它的起源说起……-福州鑫图光电有限公司

      EMCCD可以被取代吗？从它的起源说起……发布：福州鑫图光电有限公司浏览次数：0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的王者时代结束了吗？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美，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无可匹敌，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，仍然首选卷帘快门，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，但还是无法完全达到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还没有完全被替代，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），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。图7 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。（图片来源网络，如有侵权，请联系删除）。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！