25/08/01مستشعر CCD المضاعف للإلكترونات هو تطوير لمستشعر CCD يسمح بالعمل في ظروف إضاءة أقل. وهو مصمم عادةً لإشارات بضع مئات من الإلكترونات الضوئية، وصولاً إلى مستوى عد الفوتونات الفردية.
تشرح هذه المقالة ما هي أجهزة استشعار EMCCD، وكيف تعمل، ومميزاتها وعيوبها، ولماذا تعتبر التطور التالي لتكنولوجيا CCD للتصوير في الإضاءة المنخفضة.
ما هو مستشعر EMCCD؟
مستشعر جهاز مضاعفة الإلكترونات المقترنة بالشحنة (EMCCD) هو نوع متخصص من مستشعرات CCD يعمل على تضخيم الإشارات الضعيفة قبل قراءتها، مما يسمح بحساسية عالية للغاية في البيئات ذات الإضاءة المنخفضة.
طُوِّرت أجهزة EMCCD في البداية لتطبيقات مثل علم الفلك والمجهر المتقدم، وهي قادرة على اكتشاف الفوتونات المفردة، وهي مهمةٌ تُواجه صعوبةً في أجهزة استشعار CCD التقليدية. هذه القدرة على اكتشاف الفوتونات المفردة تجعل أجهزة EMCCD ضروريةً للمجالات التي تتطلب تصويرًا دقيقًا في مستويات إضاءة منخفضة للغاية.
كيف تعمل أجهزة استشعار EMCCD؟
حتى نقطة القراءة، تعمل مستشعرات EMCCD وفقًا لنفس مبادئ مستشعرات CCD. ومع ذلك، قبل القياس باستخدام المحول التناظري الرقمي (ADC)، تُضاعف الشحنات المكتشفة من خلال عملية تُسمى "التصادم"، في "سجل مضاعفة الإلكترونات". على مدار سلسلة من عدة مئات من الخطوات، تُنقل الشحنات من بكسل واحد على طول سلسلة من البكسلات المقنعة بجهد عالٍ. لكل إلكترون في كل خطوة فرصة لجلب إلكترونات إضافية معه. وبالتالي، تُضاعف الإشارة بشكل كبير.
النتيجة النهائية لجهاز EMCCD مُعاير جيدًا هي القدرة على اختيار قيمة دقيقة لمتوسط الضرب، عادةً ما تكون بين 300 و400 للعمل في ظروف الإضاءة المنخفضة. يُمكّن هذا من مضاعفة الإشارات المُلتقطة بمعدل أعلى بكثير من ضوضاء قراءة الكاميرا، مما يُقلل من ضوضاء قراءة الكاميرا. للأسف، الطبيعة العشوائية لعملية الضرب هذه تعني أن كل بكسل يُضرب بمقدار مختلف، مما يُضيف عامل ضوضاء إضافيًا، ويُقلل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) لجهاز EMCCD.
فيما يلي شرحٌ لكيفية عمل مستشعرات EMCCD. حتى الخطوة السادسة، تكون العملية مشابهةً عمليًا لعمل مستشعرات CCD.
في نهاية فترة التعرض، تنقل مستشعرات EMCCD الشحنات المُجمّعة بسرعة إلى مصفوفة مُقنّعة من وحدات البكسل بنفس أبعاد المصفوفة الحساسة للضوء (نقل الإطارات). ثم، تُنقل الشحنات صفًا تلو الآخر إلى سجل القراءة. ثم، تُمرّر الشحنات داخل سجل القراءة عمودًا تلو الآخر إلى سجل الضرب. في كل مرحلة من هذا السجل (حتى 1000 مرحلة في كاميرات EMCCD الحقيقية)، يكون لكل إلكترون فرصة ضئيلة لإطلاق إلكترون إضافي، مما يُضاعف الإشارة بشكل كبير. في النهاية، تُقرأ الإشارة المُضَاعَفة.
1. تصفية الرسوم:لبدء عملية الاستحواذ، يتم مسح الشحنة في نفس الوقت من المستشعر بأكمله (الغالق العالمي).
2. تراكم الشحنة:تتراكم الشحنة أثناء التعرض.
3. تخزين الشحنبعد التعرض، تُنقل الشحنات المُجمّعة إلى منطقة مُحجّبة من المستشعر، حيث يُمكنها انتظار قراءة الفوتونات دون رصد أي فوتونات جديدة. هذه هي عملية "نقل الإطار".
4. التعرض للإطار التالي:مع تخزين الشحنات المكتشفة في وحدات البكسل المقنعة، يمكن لوحدات البكسل النشطة أن تبدأ في عرض الإطار التالي (وضع التداخل).
5. عملية القراءة:يتم نقل الشحنات لكل صف من الإطار النهائي إلى "سجل القراءة"، صفًا واحدًا في كل مرة.
6. يتم نقل الشحنات من كل بكسل إلى عقدة القراءة، عمودًا واحدًا في كل مرة.
7. مضاعفة الإلكترونات:بعد ذلك، تدخل جميع شحنات الإلكترونات من البكسل إلى سجل ضرب الإلكترونات، وتتحرك خطوة بخطوة، وتتضاعف في العدد بشكل أسي في كل خطوة.
8. اقرأ:يتم قراءة الإشارة المضاعفة بواسطة المحول التناظري الرقمي، ويتم تكرار العملية حتى تتم قراءة الإطار بالكامل.
إيجابيات وسلبيات أجهزة استشعار EMCCD
إيجابيات أجهزة استشعار EMCCD
| ميزة | وصف |
| عد الفوتونات | يكتشف الفوتونات الإلكترونية الفردية باستخدام ضوضاء قراءة منخفضة للغاية (<0.2e⁻)، مما يتيح حساسية الفوتون الفردي. |
| حساسية الإضاءة المنخفضة للغاية | أفضل بشكل ملحوظ من أجهزة CCD التقليدية، وفي بعض الأحيان يتفوق حتى على كاميرات sCMOS المتطورة في مستويات الإضاءة المنخفضة للغاية. |
| تيار الظلام المنخفض | يؤدي التبريد العميق إلى تقليل الضوضاء الحرارية، مما يتيح الحصول على صور أكثر وضوحًا أثناء التعرضات الطويلة. |
| مصراع "نصف عالمي" | يتيح نقل الإطار التعرض شبه العالمي مع تحويل الشحنة بسرعة كبيرة (~1 ميكروثانية). |
● عد الفوتوناتمع تضاعف الإلكترونات بدرجة كافية، يُمكن التخلص عمليًا من ضوضاء القراءة (<0.2e-). هذا، إلى جانب قيمة الكسب العالية وكفاءة الكم شبه المثالية، يعني إمكانية تمييز الإلكترونات الضوئية الفردية.
● حساسية الإضاءة المنخفضة للغايةمقارنةً بأجهزة CCD، يُعَدّ أداء أجهزة EMCCD في الإضاءة المنخفضة أفضل بكثير. قد تُوفِّر أجهزة EMCCD في بعض التطبيقات قدرة كشف وتباين أفضل، حتى من أجهزة sCMOS المتطورة عند أدنى مستويات الإضاءة الممكنة.
● تيار الظلام المنخفض:كما هو الحال مع أجهزة CCD، فإن أجهزة EMCCDs عادة ما تكون مبردة بشكل عميق وقادرة على تقديم قيم تيار مظلم منخفضة للغاية.
● مصراع "نصف عالمي":إن عملية نقل الإطار لبدء وإنهاء التعرض ليست متزامنة حقًا، ولكنها تستغرق عادةً حوالي 1 ميكروثانية.
سلبيات أجهزة استشعار EMCCD
| عيب | وصف |
| سرعة محدودة | تعتبر معدلات الإطارات القصوى (~30 إطارًا في الثانية عند 1 ميجابكسل) أبطأ بكثير من البدائل الحديثة لـ CMOS. |
| ضوضاء التضخيم | تؤدي الطبيعة العشوائية لعملية ضرب الإلكترونات إلى إدخال ضوضاء زائدة، مما يقلل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء. |
| الشحنة المستحثة بالساعة (CIC) | قد تؤدي حركة الشحن السريعة إلى إدخال إشارات خاطئة يتم تضخيمها. |
| النطاق الديناميكي المنخفض | يؤدي الكسب العالي إلى تقليل الحد الأقصى للإشارة التي يمكن للمستشعر التعامل معها قبل التشبع. |
| حجم بكسل كبير | قد لا تتوافق أحجام البكسل الشائعة (13–16 ميكرومتر) مع العديد من متطلبات النظام البصري. |
| متطلبات التبريد الثقيلة | إن التبريد العميق المستقر ضروري لتحقيق الضرب المتسق والضوضاء المنخفضة. |
| احتياجات المعايرة | يتدهور مكسب EM بمرور الوقت (الاضمحلال المضاعف)، مما يتطلب معايرة منتظمة. |
| عدم استقرار التعرض القصير | يمكن أن تؤدي التعرضات القصيرة جدًا إلى تضخيم الإشارة والضوضاء بشكل غير متوقع. |
| التكلفة العالية | إن التصنيع المعقد والتبريد العميق يجعلان هذه المستشعرات أكثر تكلفة من sCMOS. |
| عمر محدود | يتآكل سجل مضاعفة الإلكترون، ويستمر عادة لمدة تتراوح بين 5 إلى 10 سنوات. |
| تحديات التصدير | خاضعة لقواعد صارمة بسبب التطبيقات العسكرية المحتملة. |
● سرعة محدودة:توفر كاميرات EMCCD السريعة حوالي 30 إطارًا في الثانية بدقة 1 ميجابكسل، وهي مشابهة لكاميرات CCD، وأبطأ بكثير من كاميرات CMOS.
● مقدمة عن الضوضاءإن "عامل الضوضاء الزائدة" الناتج عن مضاعفة الإلكترونات العشوائية، مقارنةً بكاميرات sCMOS منخفضة الضوضاء بنفس الكفاءة الكمية، قد يُسبب ضوضاء أعلى بكثير في كاميرات EMCCDs اعتمادًا على مستويات الإشارة. عادةً ما تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) لكاميرات sCMOS عالية الأداء أفضل عند استخدام إشارات تبلغ حوالي 3e-، بل وأكثر من ذلك عند استخدام إشارات أعلى.
● الشحنة المستحثة بالساعة (CIC)ما لم تُتحكّم حركة الشحنات عبر المستشعر بدقة، فقد تُدخل إلكترونات إضافية إلى البكسلات. يُضاعف هذا التشويش بعد ذلك بواسطة سجلّ مضاعفة الإلكترونات. تؤدي سرعات حركة الشحنات الأعلى (معدلات الساعة) إلى معدلات إطارات أعلى، ولكن مع زيادة في CIC.
● النطاق الديناميكي المنخفض:إن قيم مضاعفة الإلكترونات العالية جدًا المطلوبة للتغلب على ضوضاء قراءة EMCCD تؤدي إلى انخفاض كبير في النطاق الديناميكي.
● حجم بكسل كبيرأصغر حجم بكسل شائع لكاميرات EMCCD هو 10 ميكرومتر، ولكن 13 أو 16 ميكرومتر هو الأكثر شيوعًا. هذا الحجم كبير جدًا بحيث لا يلبي متطلبات دقة معظم الأنظمة البصرية.
● متطلبات المعايرة:تؤدي عملية مضاعفة الإلكترونات إلى تآكل السجل الكهرومغناطيسي مع الاستخدام، مما يقلل من قدرته على التضاعف في عملية تُسمى "اضمحلال مضاعفة الإلكترونات". هذا يعني أن كسب الكاميرا يتغير باستمرار، وتتطلب الكاميرا معايرة منتظمة لإجراء أي تصوير كمي.
● التعرض غير المتسق في أوقات قصيرة:عند استخدام أوقات تعرض قصيرة للغاية، قد تنتج كاميرات EMCCD نتائج غير متسقة لأن الإشارة الضعيفة تغمرها الضوضاء، كما تؤدي عملية التضخيم إلى تقلبات إحصائية.
● متطلبات التبريد الثقيلةتتأثر عملية تكاثر الإلكترونات بشكل كبير بدرجة الحرارة. ويزيد تبريد المستشعر من تكاثر الإلكترونات المتاحة. لذا، يُعدّ التبريد العميق للمستشعر مع الحفاظ على استقرار درجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية لقياسات EMCCD القابلة للتكرار.
● التكلفة العالية:إن صعوبة تصنيع هذه المستشعرات متعددة المكونات، بالإضافة إلى التبريد العميق، تؤدي إلى ارتفاع الأسعار عادةً مقارنة بكاميرات مستشعرات sCMOS ذات الجودة الأعلى.
● عمر محدود:يؤدي تحلل مضاعفة الإلكترونات إلى وضع حد لعمر هذه المستشعرات الباهظة الثمن، والذي يتراوح عادةً بين 5 إلى 10 سنوات، اعتمادًا على مستوى الاستخدام.
● تحديات التصدير:يميل استيراد وتصدير أجهزة استشعار EMCCD إلى أن يكون تحديًا لوجستيًا بسبب استخدامها المحتمل في التطبيقات العسكرية.
لماذا يُعد EMCCD خليفةً لـ CCD؟
| ميزة | جهاز اقتران الشحنات | EMCCD |
| حساسية | عالي | عالية جدًا (خاصة في الإضاءة المنخفضة) |
| ضوضاء القراءة | معتدل | منخفض للغاية (بسبب المكسب) |
| النطاق الديناميكي | عالي | معتدل (محدود بالمكسب) |
| يكلف | أدنى | أعلى |
| تبريد | خياري | مطلوب عادة للحصول على الأداء الأمثل |
| حالات الاستخدام | التصوير العام | الكشف عن الفوتون الواحد في الإضاءة المنخفضة |
تعتمد مستشعرات EMCCD على تقنية CCD التقليدية من خلال دمج خطوة مضاعفة الإلكترونات. هذا يُعزز القدرة على تضخيم الإشارات الضعيفة وتقليل الضوضاء، مما يجعل مستشعرات EMCCD الخيار الأمثل لتطبيقات التصوير في ظروف الإضاءة المنخفضة للغاية، حيث تعجز مستشعرات CCD عن ذلك.
التطبيقات الرئيسية لأجهزة استشعار EMCCD
تُستخدم أجهزة استشعار EMCCD بشكل شائع في المجالات العلمية والصناعية التي تتطلب حساسية عالية والقدرة على اكتشاف الإشارات الخافتة:
● تخيل علوم الحياةج: لتطبيقات مثل المجهر الفلوري أحادي الجزيء والمجهر الفلوري الانعكاسي الداخلي الكلي (TIRF).
● علم الفلك:يستخدم لالتقاط الضوء الخافت من النجوم البعيدة والمجرات وأبحاث الكواكب الخارجية.
● البصريات الكمومية:لتجارب تشابك الفوتونات والمعلومات الكمومية.
● الطب الشرعي والأمن:يستخدم في مراقبة الإضاءة المنخفضة وتحليل الأدلة الأثرية.
● التحليل الطيفي:في مطيافية رامان وكشف الفلورسنت منخفض الكثافة.
متى يجب عليك اختيار مستشعر EMCCD؟
مع التحسينات التي طرأت على مستشعرات CMOS في السنوات الأخيرة، تضاءلت ميزة ضوضاء القراءة التي تتميز بها مستشعرات EMCCD، إذ أصبحت حتى كاميرات sCMOS قادرة على ضوضاء قراءة دون الإلكترون، إلى جانب مجموعة واسعة من المزايا الأخرى. إذا سبق لتطبيق ما استخدام مستشعرات EMCCD، فمن الجدير مراجعة ما إذا كان هذا هو الخيار الأمثل في ظل التطورات التي شهدتها sCMOS.
تاريخيًا، لا تزال أجهزة EMCCD قادرة على عدّ الفوتونات بنجاح أكبر، إلى جانب بعض التطبيقات المتخصصة الأخرى ذات مستويات الإشارة النموذجية التي تقل عن 3-5e- لكل بكسل عند الذروة. مع ذلك، مع توفر أحجام بكسل أكبر وضوضاء قراءة فرعية للإلكترون فيالكاميرات العلميةوبناءً على تقنية sCMOS، فمن الممكن أن يتم تنفيذ هذه التطبيقات أيضًا قريبًا باستخدام تقنية sCMOS المتطورة.
الأسئلة الشائعة
ما هو الحد الأدنى لوقت التعرض لكاميرات نقل الإطار؟
بالنسبة لجميع مستشعرات نقل الإطارات، بما في ذلك مستشعرات EMCCD، يُعدّ تحديد أدنى زمن تعريض ممكن مسألةً معقدة. في عمليات التقاط الصور الفردية، يُمكن إنهاء التعريض بخلط الشحنات المُكتسبة في المنطقة المُقنّعة للقراءة بسرعة كبيرة، ويُمكن تحقيق أزمنة تعريض دنيا قصيرة (أقل من ميكروثانية).
ومع ذلك، بمجرد بثّ الكاميرا بأقصى سرعة، أي التقاط إطارات متعددة/فيلم بمعدل إطارات كامل، بمجرد انتهاء تعريض الصورة الأولى، يشغل هذا الإطار المنطقة المقنعة حتى اكتمال القراءة. وبالتالي، لا يمكن أن ينتهي التعريض. هذا يعني أنه، بغض النظر عن وقت التعريض المطلوب في البرنامج، فإن وقت التعريض الفعلي للإطارات اللاحقة بعد أول التقاط إطارات متعددة بسرعة كاملة يُحدد بواسطة وقت الإطار، أي 1/معدل الإطارات، للكاميرا.
هل تحل تقنية sCMOS محل أجهزة استشعار EMCCD؟
تتميز كاميرات EMCCD بمواصفاتٍ ساعدتها على الحفاظ على تفوقها في ظروف التصوير في ظروف الإضاءة المنخفضة جدًا (بمستويات إشارة ذروة تبلغ 5 إلكترونات ضوئية أو أقل). أولًا، بكسلاتها الكبيرة، التي تصل إلى 16 ميكرومترًا، وثانيًا، ضوضاء القراءة <1e.
جيل جديد منكاميرا sCMOSظهرت كاميرات تُقدّم هذه الخصائص نفسها، دون العيوب العديدة لكاميرات EMCCD، وخاصةً عامل الضوضاء الزائد. تُقدّم كاميرات مثل Aries 16 من Tucsen بكسلات بإضاءة خلفية 16 ميكرومترًا مع ضوضاء قراءة تبلغ 0.8e-. بفضل ضوضاء منخفضة وبكسلات كبيرة "أصلية"، تتفوق هذه الكاميرات أيضًا على معظم كاميرات sCMOS المُجمّعة، نظرًا للعلاقة بين التجميع وضوضاء القراءة.
إذا كنت تريد معرفة المزيد عن EMCCD، يرجى النقر فوق:
