25/08/01ПЗС-матрыца з электронна-памнажальным эфектам — гэта ўдасканаленне ПЗС-матрыцы, якое дазваляе працаваць пры слабым асвятленні. Звычайна яна прызначана для сігналаў некалькіх сотняў фотаэлектронаў, аж да ўзроўню падліку асобных фатонаў.
У гэтым артыкуле тлумачыцца, што такое датчыкі EMCCD, як яны працуюць, якія ў іх перавагі і недахопы, а таксама чаму яны лічацца наступным этапам эвалюцыі тэхналогіі CCD для візуалізацыі пры слабым асвятленні.
Што такое датчык EMCCD?
Датчык з электронна-памнажальным зарадавым сувяззю (EMCCD) — гэта спецыялізаваны тып CCD-датчыка, які ўзмацняе слабыя сігналы перад іх счытваннем, што забяспечвае надзвычай высокую адчувальнасць ва ўмовах нізкай асветленасці.
Першапачаткова распрацаваныя для такіх ужыванняў, як астраномія і перадавая мікраскапія, EMCCD могуць выяўляць асобныя фатоны, задача, з якой традыцыйныя CCD-датчыкі маюць цяжкасці. Гэтая здольнасць выяўляць асобныя фатоны робіць EMCCD надзвычай важнымі для абласцей, якія патрабуюць дакладнай візуалізацыі пры вельмі нізкім узроўні асветленасці.
Як працуюць датчыкі EMCCD?
Да моманту счытвання датчыкі EMCCD працуюць па тых жа прынцыпах, што і датчыкі CCD. Аднак перад вымярэннем з дапамогай АЦП выяўленыя зарады памнажаюцца з дапамогай працэсу, які называецца імпакцыянізацыяй, у «рэгістры памнажэння электронаў». На працягу серыі з некалькіх сотняў крокаў зарады з пікселя перамяшчаюцца ўздоўж серыі замаскіраваных пікселяў пад высокім напружаннем. Кожны электрон на кожным кроку мае шанец прынесці дадатковыя электроны. Такім чынам, сігнал памнажаецца экспанентна.
Канчатковым вынікам добра адкалібраванага EMCCD з'яўляецца магчымасць выбраць дакладную велічыню сярэдняга памнажэння, звычайна каля 300-400 для працы ва ўмовах нізкай асветленасці. Гэта дазваляе памнажаць выяўленыя сігналы значна вышэй, чым шум чытання камеры, што фактычна зніжае шум чытання камеры. На жаль, стахастычны характар гэтага працэсу памнажэння азначае, што кожны піксель памнажаецца на розную велічыню, што ўводзіць дадатковы каэфіцыент шуму, зніжаючы суадносіны сігнал/шум (SNR) EMCCD.
Вось падрабязнае апісанне таго, як працуюць датчыкі EMCCD. Да кроку 6 працэс фактычна такі ж, як і для датчыкаў CCD.
Пасля заканчэння экспазіцыі датчыкі EMCCD спачатку хутка перамяшчаюць сабраныя зарады ў замаскіраваны масіў пікселяў тых жа памераў, што і святлоадчувальны масіў (перадача кадра). Затым, па радку за раз, зарады перамяшчаюцца ў рэгістр счытвання. Па слупку за раз зарады ў рэгістры счытвання перадаюцца ў рэгістр множання. На кожным этапе гэтага рэгістра (да 1000 этапаў у рэальных камерах EMCCD) кожны электрон мае невялікі шанец вызваліць дадатковы электрон, памнажаючы сігнал у экспанентнай прагрэсіі. У канцы памножаны сігнал счытваецца.
1. Ачыстка плацяжоўКаб пачаць збор дадзеных, зарад адначасова скідаецца з усяго датчыка (глабальны затвор).
2. Назапашванне зарадаЗарад назапашваецца падчас уздзеяння.
3. Зарадка захоўванняПасля экспазіцыі сабраныя зарады перамяшчаюцца ў замаскіраваную вобласць датчыка, дзе яны могуць чакаць счытвання без падліку новых выяўленых фатонаў. Гэта працэс «перадачы кадра».
4. Экспазіцыя наступнага кадра: Пасля таго, як выяўленыя зарады будуць захаваны ў замаскіраваных пікселях, актыўныя пікселі могуць пачаць экспазіцыю наступнага кадра (рэжым перакрыцця).
5. Працэс зчытванняПа радку за раз, зарады для кожнага радка гатовага кадра перамяшчаюцца ў «рэгістр зчытвання».
6. Па адным слупку за раз зарады з кожнага пікселя перадаюцца ў вузел счытвання.
7. Электроннае множаннеДалей усе электронныя зарады з пікселя трапляюць у рэгістр множання электронаў і рухаюцца крок за крокам, памнажаючыся ў колькасці экспанентна на кожным кроку.
8. ЗчытваннеПамножаны сігнал зчытваецца АЦП, і працэс паўтараецца, пакуль не будзе зчытаны ўвесь кадр.
Плюсы і мінусы датчыкаў EMCCD
Перавагі датчыкаў EMCCD
| Перавага | Апісанне |
| Падлік фатонаў | Выяўляе асобныя фотаэлектроны з ультранізкім узроўнем шуму счытвання (<0,2e⁻), што забяспечвае адчувальнасць да адзінкавых фатонаў. |
| Адчувальнасць пры звышнізкай асветленасці | Значна лепшыя за традыцыйныя ПЗС-матрыцы, часам пераўзыходзячы нават высакаякасныя sCMOS-камеры пры вельмі нізкіх узроўнях асвятлення. |
| Нізкі цёмны ток | Глыбокае астуджэнне памяншае цеплавы шум, што дазваляе атрымліваць больш чыстыя выявы пры працяглых вытрымках. |
| «Паўглабальны» затвор | Перадача кадраў дазваляе амаль глабальную экспазіцыю з вельмі хуткім зрухам зарада (~1 мікрасекунда). |
● Падлік фатонаўПры дастаткова высокім каэфіцыенце памнажэння электронаў шум чытання можна практычна ліквідаваць (<0,2e-). Гэта, разам з высокім каэфіцыентам узмацнення і амаль ідэальнай квантавай эфектыўнасцю, азначае, што магчыма адрозніваць асобныя фотаэлектроны.
● Адчувальнасць пры звышнізкай асветленасціУ параўнанні з ПЗС-матрыцамі, прадукцыйнасць EMCCD пры слабым асвятленні значна лепшая. Могуць быць некаторыя прымяненні, дзе EMCCD забяспечвае лепшыя магчымасці выяўлення і кантраснасць нават у параўнанні з высакаякаснымі sCMOS-матрыцамі пры самых нізкіх узроўнях асвятлення.
● Нізкі цёмны токЯк і ў выпадку з ПЗС-матрыцамі, ЭМС-матрыцы звычайна маюць глыбокае астуджэнне і здольныя забяспечваць вельмі нізкія значэнні цёмнага току.
● Затвор «Паўглабальны»Працэс перадачы кадраў для пачатку і заканчэння экспазіцыі не з'яўляецца цалкам адначасовым, але звычайна займае каля 1 мікрасекунды.
Мінусы датчыкаў EMCCD
| Недахоп | Апісанне |
| Абмежаваная хуткасць | Максімальная частата кадраў (~30 кадраў у секунду пры 1 МП) значна ніжэйшая, чым у сучасных CMOS-альтэрнатыў. |
| Шум узмацнення | Выпадковы характар электроннага памнажэння ўносіць лішні шум, зніжаючы суадносіны сігнал/шум. |
| Зарад, індукаваны гадзіннікам (CIC) | Хуткі рух зарада можа прывесці да ілжывых сігналаў, якія ўзмацняюцца. |
| Зніжаны дынамічны дыяпазон | Высокі каэфіцыент узмацнення памяншае максімальны сігнал, які датчык можа апрацаваць да насычэння. |
| Вялікі памер пікселя | Звычайныя памеры пікселяў (13–16 мкм) могуць не адпавядаць многім патрабаванням да аптычных сістэм. |
| Патрабаванні да інтэнсіўнага астуджэння | Для дасягнення стабільнага памнажэння і нізкага ўзроўню шуму патрабуецца стабільнае глыбокае астуджэнне. |
| Патрэбы ў каліброўцы | З часам узмацненне электрамагнітнай сістэмы пагаршаецца (множанне затухае), што патрабуе рэгулярнай каліброўкі. |
| Кароткая нестабільнасць экспазіцыі | Вельмі кароткая вытрымка можа прывесці да непрадказальнага ўзмацнення сігналу і шуму. |
| Высокі кошт | Складаная вытворчасць і глыбокае астуджэнне робяць гэтыя датчыкі даражэйшымі за sCMOS. |
| Абмежаваны тэрмін службы | Рэгістр памнажэння электронаў зношваецца, звычайна на працягу 5-10 гадоў. |
| Праблемы экспарту | Падпарадкоўваецца строгім правілам з-за магчымага ваеннага прымянення. |
● Абмежаваная хуткасцьХуткія EMCCD забяспечваюць каля 30 кадраў у секунду пры разрозненні 1 МП, што падобна да CCD, але на парадкі павольней, чым CMOS-камеры.
● Уводзіны ў шум«Лішні каэфіцыент шуму», выкліканы выпадковым памнажэннем электронаў, у параўнанні з нізкашумлівай sCMOS-камерай з такой жа квантавай эфектыўнасцю, можа даць EMCCD значна больш высокі ўзровень шуму ў залежнасці ад узроўняў сігналу. Суадносіны сігнал/шум (SNR) для высакаякасных sCMOS-трафікаў звычайна лепшае для сігналаў каля 3e-, і яшчэ лепш для больш высокіх сігналаў.
● Зарад, індукаваны гадзіннікам (CIC)Калі рух зарадаў па датчыку не кантралявацца старанна, ён можа ўводзіць дадатковыя электроны ў пікселі. Затым гэты шум памнажаецца рэгістрам памнажэння электронаў. Больш высокая хуткасць руху зарадаў (тактавая частата) прыводзіць да больш высокай частаты кадраў, але і да большага CIC.
● Зніжаны дынамічны дыяпазонВельмі высокія значэнні памнажэння электронаў, неабходныя для пераадолення шуму чытання EMCCD, прыводзяць да значнага звужэння дынамічнага дыяпазону.
● Вялікі памер пікселяНайменшы распаўсюджаны памер пікселя для камер EMCCD складае 10 мкм, але часцей за ўсё ён складае 13 або 16 мкм. Гэта занадта вялікі памер, каб адпавядаць патрабаванням да раздзяляльнай здольнасці большасці аптычных сістэм.
● Патрабаванні да каліброўкіПрацэс памнажэння электронаў зношвае рэгістр электрамагнітных імпульсаў, зніжаючы яго здольнасць да памнажэння ў працэсе, які называецца «затуханнем памнажэння электронаў». Гэта азначае, што каэфіцыент узмацнення камеры пастаянна змяняецца, і для выканання любой колькаснай візуалізацыі камера патрабуе рэгулярнай каліброўкі.
● Непаслядоўная экспазіцыя на кароткіх прамежках часуПры выкарыстанні вельмі кароткага часу экспазіцыі камеры EMCCD могуць даваць супярэчлівыя вынікі, бо слабы сігнал перакрываецца шумам, а працэс узмацнення ўносіць статыстычныя ваганні.
● Патрабаванні да інтэнсіўнага астуджэнняПрацэс памнажэння электронаў моцна залежыць ад тэмпературы. Астуджэнне датчыка павялічвае даступнае памнажэнне электронаў. Таму глыбокае астуджэнне датчыка пры захаванні стабільнасці тэмпературы мае вырашальнае значэнне для ўзнаўляльнасці вымярэнняў EMCCD.
● Высокі коштСкладанасць вытворчасці гэтых шматкампанентных датчыкаў у спалучэнні з глыбокім астуджэннем прыводзіць да таго, што цэны звычайна вышэйшыя, чым у самых якасных камер з sCMOS-датчыкамі.
● Абмежаваны тэрмін службыРаспад электронаў, выкліканы памнажэннем, абмяжоўвае тэрмін службы гэтых дарагіх датчыкаў, звычайна 5-10 гадамі ў залежнасці ад узроўню выкарыстання.
● Праблемы экспартуІмпарт і экспарт датчыкаў EMCCD, як правіла, лагістычна складаныя з-за іх патэнцыйнага выкарыстання ў ваенных мэтах.
Чаму EMCCD з'яўляецца пераемнікам CCD
| Асаблівасць | ПЗС-матрыца | ЭМКД |
| Адчувальнасць | Высокі | Звышвысокі (асабліва пры слабым асвятленні) |
| Шум зчытвання | Умераны | Вельмі нізкі (з-за ўзмацнення) |
| Дынамічны дыяпазон | Высокі | Умераны (абмежаваны ўзмацненнем) |
| Кошт | Ніжэй | Вышэй |
| Ахаладжэнне | Дадаткова | Звычайна патрабуецца для аптымальнай прадукцыйнасці |
| Выпадкі выкарыстання | Агульная візуалізацыя | Выяўленне аднаго фатона пры слабым асвятленні |
Датчыкі EMCCD заснаваныя на традыцыйнай тэхналогіі CCD, але з уключэннем этапу памнажэння электронаў. Гэта паляпшае здольнасць узмацняць слабыя сігналы і зніжаць шум, што робіць EMCCD пераважным выбарам для візуалізацыі ў надзвычай слабым асвятленні, дзе датчыкі CCD не спраўляюцца з гэтымі задачамі.
Асноўныя сферы прымянення датчыкаў EMCCD
Датчыкі EMCCD звычайна выкарыстоўваюцца ў навуковых і прамысловых галінах, якія патрабуюць высокай адчувальнасці і здольнасці выяўляць слабыя сігналы:
● Уяўленне пра навукі аб жыцціg: Для такіх ужыванняў, як флуарэсцэнтная мікраскапія адной малекулы і флуарэсцэнтная мікраскапія поўнага ўнутранага адлюстравання (TIRF).
● АстраноміяВыкарыстоўваецца для здымкі слабага святла ад далёкіх зорак, галактык і даследаванняў экзапланет.
● Квантавая оптыкаДля эксперыментаў па заблытанасці фатонаў і квантавай інфармацыі.
● Крыміналістыка і бяспекаЗаймаецца назіраннем пры слабым асвятленні і аналізам слядоў доказаў.
● СпектраскапіяУ раманаўскай спектраскапіі і дэтэкцыі флуарэсцэнцыі нізкай інтэнсіўнасці.
Калі варта выбраць датчык EMCCD?
З удасканаленнем CMOS-датчыкаў у апошнія гады перавага EMCCD-датчыкаў у шуме чытання паменшылася, бо цяпер нават sCMOS-камеры здольныя да субэлектроннага шуму чытання, а таксама мець велізарны шэраг іншых пераваг. Калі ў дадатку раней выкарыстоўваліся EMCCD, варта перагледзець, ці з'яўляецца гэта найлепшым выбарам, улічваючы развіццё sCMOS-датчыкаў.
Гістарычна склалася, што EMCCD усё яшчэ маглі больш паспяхова падлічваць фатоны, нароўні з некалькімі іншымі нішавымі прыкладаннямі з тыповымі ўзроўнямі сігналу менш за 3-5e- на піксель у піку. Аднак, з павелічэннем памераў пікселяў і субэлектронным шумам чытання, які стаў даступным унавуковыя камерызаснаваныя на тэхналогіі sCMOS, магчыма, што гэтыя прыкладання таксама неўзабаве будуць выконвацца з выкарыстаннем высокакласных sCMOS.
Часта задаваныя пытанні
Які мінімальны час экспазіцыі для камер з перадачай кадраў?
Для ўсіх датчыкаў перадачы кадраў, у тым ліку EMCCD, пытанне мінімальна магчымага часу экспазіцыі з'яўляецца складаным. Пры атрыманні аднаго малюнка экспазіцыю можна спыніць, перамяшаўшы атрыманыя зарады ў замаскіраваную вобласць для вельмі хуткага зчытвання, і магчымы кароткі (субмікрасекундны) мінімальны час экспазіцыі.
Аднак, як толькі камера пачынае перадаваць відэа на поўнай хуткасці, г.зн. здымае некалькі кадраў / відэа з поўнай частатой кадраў, як толькі завяршаецца экспазіцыя першага выявы, замаскіраваная вобласць займаецца гэтым кадрам, пакуль не будзе завершана зчытванне. Такім чынам, экспазіцыя не можа скончыцца. Гэта азначае, што незалежна ад часу экспазіцыі, запытанага ў праграмным забеспячэнні, рэальны час экспазіцыі наступных кадраў пасля першага з поўнахуткаснага шматкадравага захопу задаецца часам кадра камеры, г.зн. 1 / частата кадраў.
Ці заменіць тэхналогія sCMOS датчыкі EMCCD?
Камеры EMCCD мелі дзве характарыстыкі, якія дапамаглі захаваць іх перавагу ў сітуацыях візуалізацыі пры вельмі слабым асвятленні (з пікавым узроўнем сігналу 5 фотаэлектронаў або менш). Па-першае, іх вялікія пікселі, да 16 мкм, і, па-другое, шум зчытвання <1e.
Новае пакаленнеsCMOS-камераз'явілася камера з такімі ж характарыстыкамі, але без шматлікіх недахопаў EMCCD, асабліва лішняга каэфіцыента шуму. Такія камеры, як Aries 16 ад Tucsen, прапануюць пікселі з задняй падсветкай памерам 16 мкм і шумам чытання 0,8e-. Дзякуючы нізкаму ўзроўню шуму і «натуральна» вялікім пікселям, гэтыя камеры таксама пераўзыходзяць большасць sCMOS-камер з класіфікацыяй па калекцыі з-за ўзаемасувязі паміж класіфікацыяй па калекцыі і шумам чытання.
Калі вы хочаце даведацца больш пра EMCCD, націсніце:
Ці можна замяніць EMCCD і ці захочам мы гэтага калі-небудзь?
