25/08/01Die Elektronvermenigvuldigende CCD-sensor is 'n evolusie van die CCD-sensor om werking in laer lig moontlik te maak. Hulle is tipies bedoel vir seine van 'n paar honderd foto-elektrone, tot op die vlak van individuele fotontelling.
Hierdie artikel verduidelik wat EMCCD-sensors is, hoe hulle funksioneer, hul voor- en nadele, en waarom hulle as die volgende evolusie van CCD-tegnologie vir lae-ligbeelding beskou word.
Wat is 'n EMCCD-sensor?
'n Elektron-vermenigvuldigende ladinggekoppelde toestel (EMCCD) sensor is 'n gespesialiseerde tipe CCD-sensor wat swak seine versterk voordat hulle uitgelees word, wat uiters hoë sensitiwiteit in lae-lig omgewings moontlik maak.
EMCCD's, wat aanvanklik ontwikkel is vir toepassings soos sterrekunde en gevorderde mikroskopie, kan enkelfotone opspoor, 'n taak waarmee tradisionele CCD-sensors sukkel. Hierdie vermoë om individuele fotone op te spoor, maak EMCCD's noodsaaklik vir velde wat presiese beeldvorming onder baie lae ligvlakke vereis.
Hoe werk EMCCD-sensors?
Tot die punt van uitlees werk EMCCD-sensors op dieselfde beginsels as CCD-sensors. Voor meting met die ADC word die opgespoorde ladings egter vermenigvuldig deur 'n proses genaamd impaksionisering, in 'n 'elektronvermenigvuldigingsregister'. Oor 'n reeks van etlike honderde stappe word die ladings van 'n pixel teen hoë spanning langs 'n reeks gemaskerde pixels beweeg. Elke elektron by elke stap het 'n kans om bykomende elektrone saam te bring. Die sein word dus eksponensieel vermenigvuldig.
Die eindresultaat van 'n goed gekalibreerde EMCCD is die vermoë om 'n presiese hoeveelheid gemiddelde vermenigvuldiging te kies, tipies rondom 300 tot 400 vir werk in lae lig. Dit maak dit moontlik om die waargenome seine baie hoër as die kamera se leesgeraas te vermenigvuldig, wat die leesgeraas van die kamera verminder. Ongelukkig beteken die stogastiese aard van hierdie vermenigvuldigingsproses dat elke pixel met 'n ander hoeveelheid vermenigvuldig word, wat 'n bykomende geraasfaktor inbring en die EMCCD se sein-tot-geraasverhouding (SNR) verminder.
Hier is 'n uiteensetting van hoe EMCCD-sensors werk. Tot stap 6 is die proses effektief dieselfde as dié vir CCD-sensors.
Figuur: Uitleesproses vir EMCCD-sensor
Aan die einde van hul blootstelling skuif EMCCD-sensors eers vinnig versamelde ladings na 'n gemaskerde skikking van pixels met dieselfde afmetings as die ligsensitiewe skikking (raamoordrag). Dan word ladings, een ry op 'n slag, na 'n uitleesregister geskuif. Een kolom op 'n slag word ladings binne die uitleesregister na 'n vermenigvuldigingsregister oorgedra. By elke stadium van hierdie register (tot 1000 stadiums in regte EMCCD-kameras) het elke elektron 'n klein kans om 'n bykomende elektron vry te stel, wat die sein eksponensieel vermenigvuldig. Aan die einde word die vermenigvuldigde sein uitgelees.
1. LaaiverwyderingOm die verkryging te begin, word die lading gelyktydig van die hele sensor verwyder (globale sluiter).
2. LadingakkumulasieLading versamel tydens blootstelling.
3. LaaibergingNa blootstelling word versamelde ladings na 'n gemaskerde area van die sensor verskuif, waar hulle kan wag vir uitlesing sonder dat nuwe fotone wat opgespoor word, getel word. Dit is die 'Raamoordrag'-proses.
4. Volgende Raam BlootstellingMet die opgespoorde ladings wat in die gemaskerde pixels gestoor is, kan die aktiewe pixels die blootstelling van die volgende raam begin (oorvleuelmodus).
5. LeesprosesEen ry op 'n slag word ladings vir elke ry van die voltooide raam na 'n 'uitleesregister' geskuif.
6. Een kolom op 'n slag word ladings van elke pixel na die uitleesknoop gestuur.
7. ElektronvermenigvuldigingVolgende gaan alle elektronladings van die pixel die elektronvermenigvuldigingsregister binne en beweeg stap vir stap voort, en vermenigvuldig eksponensieel in getal by elke stap.
8. UitleesDie vermenigvuldigde sein word deur die ADC gelees, en die proses word herhaal totdat die hele raam uitgelees is.
Voordele en Nadele van EMCCD-sensors
Voordele van EMCCD-sensors
| Voordeel | Beskrywing |
| Fotontelling | Bespeur individuele foto-elektrone met ultra-lae leesruis (<0.2e⁻), wat enkelfoton-sensitiwiteit moontlik maak. |
| Ultra-lae-liggevoeligheid | Aansienlik beter as tradisionele CCD's, en oortref soms selfs hoë-end sCMOS-kameras teen baie lae ligvlakke. |
| Lae Donkerstroom | Diep verkoeling verminder termiese geraas, wat skoner beelde tydens lang blootstellings moontlik maak. |
| 'Half-Globale' Sluiter | Raamoordrag maak byna globale blootstelling met baie vinnige ladingverskuiwing moontlik (~1 mikrosekonde). |
● FotontellingMet voldoende hoë elektronvermenigvuldiging kan leesgeraas prakties uitgeskakel word (<0.2e-). Dit, tesame met die hoë winswaarde en byna perfekte kwantumdoeltreffendheid, beteken dat die onderskeid van individuele fotoelektrone moontlik is.
● Ultra-lae liggevoeligheidIn vergelyking met CCD's, is die lae-ligprestasie van EMCCD's drasties beter. Daar mag dalk sommige toepassings wees waar EMCCD beter opsporingsvermoë en kontras bied, selfs as hoë-end sCMOS teen die laagste moontlike ligvlakke.
● Lae DonkerstroomSoos met CCD's, word EMCCD's tipies diep afgekoel en in staat om baie lae donkerstroomwaardes te lewer.
● 'Half Globale' SluiterDie raamoordragproses om blootstelling te begin en te eindig is nie werklik gelyktydig nie, maar neem tipies ongeveer 1 mikrosekonde.
Nadele van EMCCD-sensors
| Nadeel | Beskrywing |
| Beperkte Spoed | Maksimum raamtempo's (~30 fps teen 1 MP) is baie stadiger as moderne CMOS-alternatiewe. |
| Versterking Geraas | Die ewekansige aard van elektronvermenigvuldiging veroorsaak oortollige geraas, wat die SNR verminder. |
| Klok-geïnduseerde lading (KIC) | Vinnige ladingbeweging kan vals seine inbring wat versterk word. |
| Verminderde Dinamiese Reikwydte | Hoë wins verminder die maksimum sein wat die sensor kan hanteer voordat dit versadig word. |
| Groot Pixelgrootte | Algemene pixelgroottes (13–16 μm) stem dalk nie ooreen met baie optiese stelselvereistes nie. |
| Swaar verkoelingsvereiste | Stabiele diep verkoeling is nodig om konsekwente vermenigvuldiging en lae geraas te bereik. |
| Kalibrasiebehoeftes | EM-wins neem mettertyd af (vermenigvuldigingsverval), wat gereelde kalibrasie vereis. |
| Kort Blootstelling Onstabiliteit | Baie kort blootstellings kan onvoorspelbare seinversterking en geraas veroorsaak. |
| Hoë koste | Komplekse vervaardiging en diep verkoeling maak hierdie sensors duurder as sCMOS. |
| Beperkte Lewensduur | Die elektronvermenigvuldigingsregister verslyt, wat tipies 5–10 jaar duur. |
| Uitvoer Uitdagings | Onderhewig aan streng regulasies as gevolg van potensiële militêre toepassings. |
● Beperkte spoedVinnige EMCCD's bied ongeveer 30 fps teen 1 MP, soortgelyk aan CCD's, ordegroottes stadiger as CMOS-kameras.
● GeraasinleidingDie 'oormatige geraasfaktor' wat veroorsaak word deur die ewekansige elektronvermenigvuldiging, in vergelyking met 'n lae-geraas sCMOS-kamera met dieselfde kwantumdoeltreffendheid, kan EMCCD's drasties hoër geraas gee, afhangende van seinvlakke. SNR vir hoë-end sCMOS is tipies beter vir seine van ongeveer 3e-, selfs meer vir hoër seine.
● Klok-geïnduseerde lading (KIC)Tensy dit noukeurig beheer word, kan die beweging van ladings oor die sensor addisionele elektrone in pixels inbring. Hierdie geraas word dan vermenigvuldig met die elektronvermenigvuldigingsregister. Hoër ladingbewegingspoed (kloktempo's) lei tot hoër raamtempo's, maar meer KKI.
● Verminderde dinamiese omvangDie baie hoë elektronvermenigvuldigingswaardes wat nodig is om die EMCCD-leesruis te oorkom, lei tot 'n baie verminderde dinamiese omvang.
● Groot pikselgrootteDie kleinste algemene pixelgrootte vir EMCCD-kameras is 10 μm, maar 13 of 16 μm is die algemeenste. Dit is veels te groot om aan die resolusievereistes van die meeste optiese stelsels te voldoen.
● KalibrasievereistesDie elektronvermenigvuldigingsproses slyt die EM-register uit met gebruik, wat die vermoë om te vermenigvuldig verminder in 'n proses wat 'elektronvermenigvuldigingsverval' genoem word. Dit beteken dat die versterking van die kamera voortdurend verander, en die kamera benodig gereelde kalibrasie om enige kwantitatiewe beeldvorming uit te voer.
● Inkonsekwente blootstelling oor kort tyeWanneer baie kort blootstellingstye gebruik word, kan EMCCD-kameras inkonsekwente resultate lewer omdat die swak sein deur geraas oorweldig word, en die versterkingsproses statistiese skommelinge veroorsaak.
● Swaar verkoelingsvereisteDie elektronvermenigvuldigingsproses word sterk deur temperatuur beïnvloed. Die afkoeling van die sensor verhoog die beskikbare elektronvermenigvuldiging. Daarom is diep sensorverkoeling terwyl temperatuurstabiliteit gehandhaaf word, krities vir reproduceerbare EMCCD-metings.
● Hoë kosteDie moeilikheid om hierdie multikomponent-sensors te vervaardig, gekombineer met diep verkoeling, lei tot pryse wat tipies hoër is as die hoogste gehalte sCMOS-sensorkameras.
● Beperkte lewensduurElektronvermenigvuldigingsverval plaas 'n beperking op die leeftyd van hierdie duur sensors van gewoonlik 5-10 jaar, afhangende van die vlak van gebruik.
● UitvoeruitdagingsDie invoer en uitvoer van EMCCD-sensors is geneig om logisties uitdagend te wees as gevolg van hul potensiële gebruik in militêre toepassings.
Waarom EMCCD die opvolger van CCD is
| Kenmerk | CCD | EMCCD |
| Sensitiwiteit | Hoog | Ultrahoog (veral lae lig) |
| Uitleesgeraas | Matig | Uiters laag (as gevolg van wins) |
| Dinamiese Reikwydte | Hoog | Matig (beperk deur wins) |
| Koste | Laer | Hoër |
| Verkoeling | Opsioneel | Gewoonlik benodig vir optimale prestasie |
| Gebruiksgevalle | Algemene beeldvorming | Lae-lig, enkel-foton opsporing |
EMCCD-sensors bou voort op tradisionele CCD-tegnologie deur 'n elektronvermenigvuldigingstap in te sluit. Dit verbeter die vermoë om swak seine te versterk en geraas te verminder, wat EMCCD's die voorkeurkeuse maak vir uiters lae-lig-beeldtoepassings waar CCD-sensors tekort skiet.
Belangrike toepassings van EMCCD-sensors
EMCCD-sensors word algemeen in wetenskaplike en industriële velde gebruik wat hoë sensitiwiteit en die vermoë om dowwe seine op te spoor, vereis:
● Lewenswetenskap-verbeeldingg: Vir toepassings soos enkelmolekule-fluoresensiemikroskopie en totale interne refleksiefluoresensie (TIRF) mikroskopie.
● SterrekundeWord gebruik vir die vasvang van dowwe lig van verre sterre, sterrestelsels en eksoplaneetnavorsing.
● KwantumoptikaVir fotonverstrengeling en kwantuminligtingeksperimente.
● Forensiese ondersoeke en sekuriteitWord gebruik in lae-lig toesig en spoorbewysanalise.
● SpektroskopieIn Raman-spektroskopie en lae-intensiteit fluoresensie-deteksie.
Wanneer moet jy 'n EMCCD-sensor kies?
Met die verbeterings aan CMOS-sensors in onlangse jare, het die leesruisvoordeel van EMCCD-sensors afgeneem, aangesien selfs sCMOS-kameras nou in staat is om subelektron-leesruis te verwerk, tesame met 'n groot reeks ander voordele. As 'n toepassing voorheen EMCCD's gebruik het, is dit die moeite werd om te hersien of dit die beste keuse is gegewe die ontwikkelinge in sCMOS.
Histories kon EMCCD's steeds meer suksesvol fotontelling uitvoer, tesame met 'n paar ander nis-toepassings met tipiese seinvlakke van minder as 3-5e- per pixel op die piek. Alhoewel, met groter pixelgroottes en sub-elektron leesruis wat beskikbaar word inwetenskaplike kamerasGebaseer op sCMOS-tegnologie, is dit moontlik dat hierdie toepassings ook binnekort met hoë-end sCMOS uitgevoer kan word.
Gereelde vrae
Wat is die minimum blootstellingstyd vir raamoordragkameras?
Vir alle raamoordragsensors, insluitend EMCCD's, is die kwessie van minimum moontlike blootstellingstyd 'n ingewikkelde een. Vir enkelbeeldverkrygings kan die blootstelling beëindig word deur verkrygde ladings baie vinnig in die gemaskerde gebied te skuif vir uitlees, en kort (sub-mikrosekonde) minimum blootstellingstye is moontlik.
Sodra die kamera egter teen volle spoed stroom, d.w.s. verskeie rame / 'n fliek teen volle raamtempo verkry, sodra die eerste beeld klaar is met blootstelling, word die gemaskerde gebied deur daardie raam beset totdat die uitlees voltooi is. Die blootstelling kan dus nie eindig nie. Dit beteken dat, ongeag die blootstellingstyd wat in die sagteware versoek word, die werklike blootstellingstyd van daaropvolgende rame na die eerste van 'n volspoed-multi-raamverkryging gegee word deur die raamtyd, d.w.s. 1 / Raamtempo, van die kamera.
Vervang sCMOS-tegnologie EMCCD-sensors?
EMCCD-kameras het twee spesifikasies gehad wat gehelp het om hul voordeel in uiterste lae lig-beeldscenario's te behou (met piekseinvlakke van 5 fotoelektrone of minder). Eerstens, hul groot pixels, tot 16 μm, en tweedens hul <1e-leesruis.
'n Nuwe generasie vansCMOS-kamerahet na vore gekom wat dieselfde eienskappe bied, sonder die talle nadele van EMCCD's, veral die oormatige geraasfaktor. Kameras soos die Aries 16 van Tucsen bied 16 μm agterverligte pixels met 'n leesruis van 0.8e-. Met lae geraas en 'inheemse' groot pixels, oortref hierdie kameras ook die meeste gekombineerde sCMOS-kameras, as gevolg van die verband tussen gekombineerde en leesruis.
As jy meer wil leer oor EMCCD, klik asseblief:
Kan die EMCCD vervang word en sou ons dit ooit wou hê?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle regte voorbehou. Wanneer u aanhaal, erken asseblief die bron:www.tucsen.com
