25/08/01Elektron çarpan CCD sensoru daha az işıqda işləməyə imkan verən CCD sensorunun təkamülüdür. Onlar adətən fərdi foton hesablama səviyyəsinə qədər bir neçə yüz fotoelektronun siqnalları üçün nəzərdə tutulub.
Bu məqalə EMCCD sensorlarının nə olduğunu, necə işlədiyini, üstünlükləri və mənfi cəhətlərini və niyə onların aşağı işıqlı görüntülər üçün CCD texnologiyasının növbəti təkamülü hesab edildiyini izah edir.
EMCCD Sensoru Nədir?
Elektron-Çarpan Yüklə Birləşdirilmiş Cihaz (EMCCD) sensoru zəif siqnalları oxunmazdan əvvəl gücləndirən və zəif işıqlı mühitlərdə son dərəcə yüksək həssaslığa imkan verən xüsusi bir CCD sensor növüdür.
Əvvəlcə astronomiya və qabaqcıl mikroskopiya kimi tətbiqlər üçün hazırlanmış EMCCD-lər ənənəvi CCD sensorlarının mübarizə apardığı tək fotonları aşkar edə bilir. Fərdi fotonları aşkar etmək qabiliyyəti EMCCD-ləri çox aşağı işıq səviyyələri altında dəqiq təsvir tələb edən sahələr üçün vacib edir.
EMCCD Sensorları Necə İşləyir?
Oxunma nöqtəsinə qədər EMCCD sensorları CCD sensorları ilə eyni prinsiplər üzərində işləyirlər. Bununla belə, ADC ilə ölçmədən əvvəl aşkar edilmiş yüklər “elektron vurma registrində” impaksionizasiya adlanan proses vasitəsilə vurulur. Bir neçə yüz addımdan çox, bir pikseldən gələn yüklər yüksək gərginlikdə bir sıra maskalı piksellər boyunca hərəkət edir. Hər addımda hər bir elektron əlavə elektronlar gətirmək şansına malikdir. Beləliklə, siqnal eksponensial olaraq çoxalır.
Yaxşı kalibrlənmiş EMCCD-nin son nəticəsi, aşağı işıqlı iş üçün adətən 300 ilə 400 arasında olan orta vurmanın dəqiq miqdarını seçmək qabiliyyətidir. Bu, aşkar edilmiş siqnalların kameranın oxunan səs-küyündən çox daha yüksək olmasına imkan verir və əslində kameranın oxunan səs-küyünü azaldır. Təəssüf ki, bu vurma prosesinin stoxastik təbiəti o deməkdir ki, hər bir piksel fərqli bir miqdarla vurulur və bu, EMCCD-nin siqnal-küy nisbətini (SNR) azaldan əlavə səs-küy faktorunu təqdim edir.
Budur EMCCD sensorlarının necə işlədiyinə dair. 6-cı addıma qədər proses CCD sensorları ilə eynidir.
Şəkil: EMCCD sensoru üçün oxuma prosesi
Ekspozisiyasının sonunda EMCCD sensorları əvvəlcə yığılmış yükləri tez bir zamanda işığa həssas massiv (çərçivə ötürülməsi) ilə eyni ölçülü maskalı piksellər massivinə köçürür. Sonra, bir sıra, ittihamlar oxunuş reyestrinə köçürülür. Hər dəfə bir sütun, oxuma registrindəki ödənişlər vurma registrinə keçir. Bu reyestrin hər bir mərhələsində (real EMCCD kameralarında 1000 mərhələyə qədər) hər bir elektronun siqnalı eksponent olaraq çoxaltmaqla əlavə elektron buraxmaq üçün kiçik bir şansı var. Sonda çoxaldılmış siqnal oxunur.
1. Şarjın təmizlənməsi: Almağa başlamaq üçün yük eyni vaxtda bütün sensordan təmizlənir (qlobal çekim).
2. Şarj yığılması: Ekspozisiya zamanı şarj yığılır.
3. Şarj yaddaşı: Ekspozisiyadan sonra toplanmış yüklər sensorun maskalı sahəsinə köçürülür və burada onlar yeni foton aşkar edilmiş fotonlar hesablanmadan oxunuşunu gözləyə bilərlər. Bu, "Çərçivənin ötürülməsi" prosesidir.
4. Növbəti Çərçivə Ekspozisiyası: Maskalı piksellərdə saxlanılan aşkar edilmiş yüklərlə aktiv piksellər növbəti kadrın ifşasına başlaya bilər (üst-üstə düşmə rejimi).
5. Oxuma prosesi: Hər dəfə bir sıra, bitmiş çərçivənin hər sırası üçün ödənişlər “oxumaq reyestrinə” köçürülür.
6. Bir dəfə bir sütun, hər pikseldən yüklər oxuma qovşağına ötürülür.
7. Elektronların vurulması: Sonra, pikseldən gələn bütün elektron yükləri elektron vurma registrinə daxil olur və addım-addım hərəkət edir, hər addımda eksponent olaraq çoxalır.
8. Oxuma: Çoxaldılmış siqnal ADC tərəfindən oxunur və proses bütün çərçivə oxunana qədər təkrarlanır.
EMCCD Sensorlarının müsbət və mənfi cəhətləri
EMCCD Sensorlarının üstünlükləri
| Üstünlük | Təsvir |
| Fotonların sayılması | Ultra aşağı oxunan səs-küylə (<0,2e⁻) fərdi fotoelektronları aşkar edərək tək foton həssaslığına imkan verir. |
| Ultra Aşağı İşığa Həssaslıq | Ənənəvi CCD-lərdən əhəmiyyətli dərəcədə yaxşıdır, bəzən hətta çox aşağı işıq səviyyələrində yüksək səviyyəli sCMOS kameralarını da üstələyir. |
| Aşağı Qaranlıq Cərəyan | Dərin soyutma termal səs-küyü azaldır və uzun ekspozisiyalar zamanı daha təmiz şəkillər əldə etməyə imkan verir. |
| "Yarım Qlobal" Kepenk | Çərçivə ötürülməsi çox sürətli yük dəyişməsi ilə (~1 mikrosaniyə) yaxın qlobal məruz qalmağa imkan verir. |
● Fotonların sayılması: Kifayət qədər yüksək elektron çoxalması ilə oxunan səs-küy praktiki olaraq aradan qaldırıla bilər (<0.2e-). Bu, yüksək qazanc dəyəri və mükəmməl kvant səmərəliliyi ilə yanaşı, fərdi fotoelektronların fərqləndirilməsinin mümkün olması deməkdir.
● Ultra Aşağı İşığa Həssaslıq: CCD-lərlə müqayisədə EMCCD-lərin aşağı işıqda performansı kəskin şəkildə daha yaxşıdır. EMCCD-nin hətta mümkün olan ən aşağı işıq səviyyələrində yüksək səviyyəli sCMOS-dan daha yaxşı aşkarlama qabiliyyəti və kontrast təmin etdiyi bəzi proqramlar ola bilər.
● Aşağı Qaranlıq Cərəyan: CCD-lərdə olduğu kimi, EMCCD-lər adətən dərin soyudulur və çox aşağı qaranlıq cərəyan dəyərlərini çatdıra bilirlər.
● "Yarım Qlobal" Kepenk: Ekspozisiyaya başlamaq və bitirmək üçün çərçivənin ötürülməsi prosesi həqiqətən eyni vaxtda deyil, adətən 1 mikrosaniyə qədər vaxt alır.
EMCCD Sensorlarının mənfi cəhətləri
| Mənfi cəhəti | Təsvir |
| Məhdud Sürət | Maksimum kadr sürətləri (1 MP-də ~30 fps) müasir CMOS alternativlərindən çox yavaşdır. |
| Gücləndirmə səsi | Elektron çoxalmasının təsadüfi təbiəti SNR-ni azaldaraq artıq səs-küyə səbəb olur. |
| Saatla əlaqəli şarj (CIC) | Sürətli şarj hərəkəti gücləndirilən yalan siqnalları təqdim edə bilər. |
| Azaldılmış dinamik diapazon | Yüksək qazanc sensorun doymadan əvvəl idarə edə biləcəyi maksimum siqnalı azaldır. |
| Böyük Piksel Ölçüsü | Ümumi piksel ölçüləri (13–16 μm) bir çox optik sistem tələblərinə uyğun olmaya bilər. |
| Ağır soyutma tələbi | Davamlı çoxalma və aşağı səs-küyə nail olmaq üçün sabit dərin soyutma tələb olunur. |
| Kalibrləmə Ehtiyacları | Müntəzəm kalibrləmə tələb edən zamanla EM qazancı pisləşir (çoxalmanın çürüməsi). |
| Qısa Ekspozisiya Qeyri-sabitliyi | Çox qısa məruz qalma gözlənilməz siqnal gücləndirilməsinə və səs-küyə səbəb ola bilər. |
| Yüksək Xərc | Kompleks istehsal və dərin soyutma bu sensorları sCMOS-dan daha bahalı edir. |
| Məhdud Ömrü | Elektron çoxalma registri köhnəlir, adətən 5-10 il davam edir. |
| İxrac Problemləri | Potensial hərbi tətbiqlərə görə ciddi qaydalara tabedir. |
● Məhdud Sürət: Sürətli EMCCD-lər CMOS kameralardan daha yavaş olan CCD-lərə bənzər 1 MP-də təxminən 30 fps təmin edir.
● Səs-küyün Girişi: Eyni kvant səmərəliliyinə malik aşağı səs-küylü sCMOS kamera ilə müqayisədə elektronların təsadüfi çoxalmasının səbəb olduğu "həddindən artıq səs-küy faktoru" siqnal səviyyələrindən asılı olaraq EMCCD-lərə kəskin şəkildə yüksək səs-küy verə bilər. Yüksək səviyyəli sCMOS üçün SNR adətən təxminən 3e- siqnalları üçün daha yaxşıdır, daha yüksək siqnallar üçün.
● Saatla Bağlı Yükləmə (CIC): Diqqətlə idarə olunmazsa, sensor boyunca yüklərin hərəkəti piksellərə əlavə elektronlar daxil edə bilər. Bu səs-küy daha sonra elektron vurma registrinə vurulur. Daha yüksək şarj hərəkət sürətləri (saat tezliyi) daha yüksək kadr sürətlərinə, lakin daha çox CIC-ə səbəb olur.
● Azaldılmış dinamik diapazon: EMCCD oxunuş səs-küyünü aradan qaldırmaq üçün tələb olunan çox yüksək elektron çoxalma dəyərləri dinamik diapazonun xeyli azalmasına səbəb olur.
● Böyük Piksel Ölçüsü: EMCCD kameraları üçün ən kiçik ümumi piksel ölçüsü 10 μm-dir, lakin 13 və ya 16 μm ən çox yayılmışdır. Bu, əksər optik sistemlərin ayırdetmə tələblərinə cavab vermək üçün çox böyükdür.
● Kalibrləmə Tələbləri: Elektron çoxalma prosesi EM registrini istifadə ilə köhnəlir və "elektronların çoxalmasının çürüməsi" adlanan prosesdə onun çoxalma qabiliyyətini azaldır. Bu o deməkdir ki, kameranın qazancı daim dəyişir və kamera istənilən kəmiyyət təsvirini yerinə yetirmək üçün müntəzəm kalibrləmə tələb edir.
● Qısa Zamanlarda Davamsız Təsir: Çox qısa ekspozisiya vaxtlarından istifadə edərkən, EMCCD kameraları uyğun olmayan nəticələr verə bilər, çünki zəif siqnal səs-küy tərəfindən boğulur və gücləndirmə prosesi statistik dalğalanmalara səbəb olur.
● Ağır Soyutma Tələbləri: Elektron çoxalma prosesinə temperatur güclü təsir göstərir. Sensorun soyudulması mövcud elektron çoxalmasını artırır. Buna görə də, temperatur sabitliyini qoruyarkən dərin sensorun soyudulması təkrarlana bilən EMCCD ölçmələri üçün çox vacibdir.
● Yüksək qiymət: Bu çoxkomponentli sensorların istehsalının çətinliyi, dərin soyutma ilə birlikdə, qiymətlərin adətən ən yüksək keyfiyyətli sCMOS sensor kameralarından daha yüksək olmasına səbəb olur.
● Məhdud Ömrü: Elektron çoxalmanın çürüməsi bu bahalı sensorların istifadə müddətindən asılı olaraq adətən 5-10 il müddətinə məhdudiyyət qoyur.
● İxrac Problemləri: EMCCD sensorlarının idxalı və ixracı onların hərbi tətbiqlərdə potensial istifadəsi səbəbindən maddi-texniki cəhətdən çətin olur.
Niyə EMCCD CCD-nin davamçısıdır?
| Xüsusiyyət | CCD | EMCCD |
| Həssaslıq | Yüksək | Ultra yüksək (xüsusilə aşağı işıq) |
| Oxuma səsi | Orta | Çox aşağı (qazanma səbəbindən) |
| Dinamik diapazon | Yüksək | Orta (qazancla məhdudlaşır) |
| Xərc | Aşağı | Daha yüksək |
| Soyutma | Könüllü | Optimal performans üçün adətən tələb olunur |
| İstifadə halları | Ümumi görüntüləmə | Aşağı işıq, tək foton aşkarlanması |
EMCCD sensorları elektron vurma addımını daxil etməklə ənənəvi CCD texnologiyası üzərində qurulur. Bu, zəif siqnalları gücləndirmək və səs-küyü azaltmaq qabiliyyətini artırır və EMCCD-ləri CCD sensorlarının zəif düşdüyü olduqca aşağı işıqlı görüntüləmə tətbiqləri üçün üstünlük təşkil edir.
EMCCD Sensorlarının Əsas Tətbiqləri
EMCCD sensorları adətən yüksək həssaslıq və zəif siqnalları aşkar etmək qabiliyyəti tələb edən elmi və sənaye sahələrində istifadə olunur:
● Həyat Elmləri Təsəvvür eding: Tək molekullu flüoresan mikroskopiya və ümumi daxili əks flüoresan (TIRF) mikroskopiyası kimi tətbiqlər üçün.
● Astronomiya: Uzaq ulduzlardan, qalaktikalardan və ekzoplanet tədqiqatlarından zəif işığı tutmaq üçün istifadə olunur.
● Kvant Optikası: Foton dolaşıqlığı və kvant məlumat təcrübələri üçün.
● Məhkəmə Ekspertizası və Təhlükəsizlik: Az işıqlı müşahidə və iz dəlillərinin təhlilində istifadə olunur.
● Spektroskopiya: Raman spektroskopiyasında və aşağı intensivlikli flüoresan aşkarlamada.
EMCCD Sensorunu nə vaxt seçməlisiniz?
Son illərdə CMOS sensorlarındakı təkmilləşdirmələrlə, EMCCD sensorlarının oxunan səs-küyün üstünlüyü azaldı, çünki indi hətta sCMOS kameralar da digər üstünlüklərlə yanaşı, subelektron oxuma səs-küyünə qadirdir. Tətbiq əvvəllər EMCCD-lərdən istifadə edibsə, bunun sCMOS-dakı inkişafları nəzərə alaraq ən yaxşı seçim olub-olmadığını nəzərdən keçirməyə dəyər.
Tarixən, EMCCD-lər pik nöqtədə 3-5e-dən az tipik siqnal səviyyələri olan bir neçə digər niş tətbiqləri ilə yanaşı, fotonların sayılmasını hələ də daha uğurla həyata keçirə bilirdilər. Baxmayaraq ki, daha böyük piksel ölçüləri və sub-elektron oxuma səs-küyü mövcud olurelmi kameralarsCMOS texnologiyasına əsaslanaraq, bu proqramların da tezliklə yüksək səviyyəli sCMOS ilə həyata keçirilə biləcəyi mümkündür.
Tez-tez verilən suallar
Çərçivə köçürən kameralar üçün minimum məruz qalma müddəti nə qədərdir?
EMCCD də daxil olmaqla bütün çərçivə ötürücü sensorlar üçün minimum mümkün məruz qalma müddəti məsələsi mürəkkəb məsələdir. Tək şəkil əldə etmək üçün ekspozisiya əldə edilmiş yükləri oxumaq üçün maskalı bölgəyə çox sürətlə qarışdırmaqla başa çatdırıla bilər və qısa (sub-mikrosaniyə) minimum məruz qalma vaxtları mümkündür.
Bununla belə, kamera tam sürətlə axın edən kimi, yəni tam kadr sürətində çoxlu kadrlar/film əldə edən kimi, ilk şəkil ifşa olunmağı bitirən kimi, oxunma tamamlanana qədər maskalı bölgə həmin kadr tərəfindən tutulur. Buna görə də ifşa bitə bilməz. Bu o deməkdir ki, proqram təminatında tələb olunan ekspozisiya müddətindən asılı olmayaraq, birinci tam sürətli çox kadrlı çəkilişdən sonra sonrakı kadrların real ekspozisiya vaxtı kameranın kadr vaxtı, yəni 1 / Frame Rate ilə verilir.
sCMOS Texnologiyası EMCCD Sensorlarını əvəz edirmi?
EMCCD kameraları həddindən artıq aşağı işıqlı görüntüləmə ssenarilərində (pik siqnal səviyyələri 5 fotoelektron və ya daha az olan) üstünlüklərini qorumağa kömək edən iki spesifikasiyaya malik idi. Birincisi, onların böyük pikselləri, 16 μm-ə qədər, ikincisi isə onların <1e- oxunan səs-küyü.
Yeni nəsilsCMOS kameraEMCCD-lərin çoxsaylı çatışmazlıqları, xüsusən də həddindən artıq səs-küy faktoru olmadan eyni xüsusiyyətləri təqdim edən ortaya çıxdı. Tucsen-dən Aries 16 kimi kameralar 0.8e- oxunuş səsi ilə 16 μm arxa işıqlı piksellər təklif edir. Aşağı səs-küy və "doğma" böyük piksellərlə bu kameralar eyni zamanda zibilləmə və oxunmuş səs-küy arasındakı əlaqəyə görə ən çox yığılmış sCMOS kameralarını üstələyir.
EMCCD haqqında daha çox öyrənmək istəyirsinizsə, lütfən, klikləyin:
EMCCD dəyişdirilə bilərmi və biz bunu heç istərdikmi?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Bütün hüquqlar qorunur. İstinad edərkən mənbəni qeyd edin:www.tucsen.com
