25/08/01Ang Electron-Multiplying CCD sensor usa ka ebolusyon sa CCD sensor aron tugotan ang ubos nga operasyon sa kahayag. Kasagaran kini gituyo alang sa mga signal sa pipila ka gatos nga mga photoelectron, hangtod sa indibidwal nga lebel sa pag-ihap sa photon.
Gipatin-aw niini nga artikulo kung unsa ang mga sensor sa EMCCD, kung giunsa kini naglihok, ang ilang mga bentaha ug mga disbentaha, ug kung ngano nga kini giisip nga sunod nga ebolusyon sa teknolohiya sa CCD alang sa low-light imaging.
Unsa ang EMCCD Sensor?
Ang sensor sa Electron-Multiplying Charge-Coupled Device (EMCCD) usa ka espesyal nga tipo sa sensor sa CCD nga nagpadako sa huyang nga mga signal sa wala pa kini basahon, nga nagtugot sa hilabihan ka taas nga pagkasensitibo sa mga low-light nga palibot.
Sa sinugdan naugmad alang sa mga aplikasyon sama sa astronomiya ug advanced microscopy, ang mga EMCCD makamatikod sa usa ka photon, usa ka buluhaton nga gisagubang sa tradisyonal nga mga sensor sa CCD. Kini nga abilidad sa pag-ila sa indibidwal nga mga photon naghimo sa mga EMCCD nga hinungdanon alang sa mga natad nga nanginahanglan tukma nga imahe sa ilawom sa ubos kaayo nga lebel sa kahayag.
Giunsa Nagtrabaho ang EMCCD Sensors?
Hangtod sa punto sa pagbasa, ang mga sensor sa EMCCD naglihok sa parehas nga mga prinsipyo sama sa mga sensor sa CCD. Bisan pa, sa wala pa ang pagsukod gamit ang ADC, ang mga nakit-an nga bayad gipadaghan pinaagi sa usa ka proseso nga gitawag nga impactionization, sa usa ka 'rehistro sa pagpadaghan sa elektron'. Sa usa ka serye sa pipila ka gatus ka mga lakang, ang mga singil gikan sa usa ka pixel gibalhin subay sa usa ka serye sa mga masked pixel sa taas nga boltahe. Ang matag electron sa matag lakang adunay higayon nga magdala dugang nga mga electron. Busa ang signal gipadaghan nga exponentially.
Ang katapusan nga resulta sa usa ka maayo nga pagka-calibrate nga EMCCD mao ang abilidad sa pagpili sa usa ka tukma nga gidaghanon sa kasagaran nga pagpadaghan, kasagaran mga 300 ngadto sa 400 alang sa ubos nga kahayag nga trabaho. Makapahimo kini sa mga signal nga namatikdan nga modaghan nga mas taas kaysa sa nabasa nga kasaba sa camera, nga sa ingon nagpamenos sa nabasa nga kasaba sa camera. Ikasubo, ang stochastic nga kinaiya sa kini nga proseso sa pagpadaghan nagpasabut nga ang matag pixel gipadaghan sa usa ka lahi nga kantidad, nga nagpaila sa usa ka dugang nga hinungdan sa kasaba, nga nagpamenos sa signal-to-noise ratio (SNR) sa EMCCD.
Ania ang usa ka pagkahugno kung giunsa ang pag-operate sa mga sensor sa EMCCD. Hangtud sa Lakang 6, ang proseso epektibo nga parehas sa para sa mga sensor sa CCD.
Hulagway: Proseso sa pagbasa alang sa sensor sa EMCCD
Sa pagtapos sa ilang pagkaladlad, ang mga sensor sa EMCCD una nga dali nga nagpalihok sa nakolekta nga mga singil sa usa ka maskara nga han-ay sa mga pixel nga parehas nga mga sukat sa light sensitive array (pagbalhin sa frame). Unya, usa ka laray sa usa ka higayon, ang mga singil gibalhin sa usa ka rehistro sa pagbasa. Usa ka kolum matag higayon, ang mga bayad sa sulod sa rehistro sa pagbasa ipasa sa usa ka rehistro sa pagpadaghan. Sa matag yugto niini nga rehistro (hangtod sa 1000 ka yugto sa tinuod nga EMCCD nga mga kamera), ang matag electron adunay gamay nga kahigayonan sa pagpagawas sa dugang nga electron, pagpadaghan sa signal sa exponentially. Sa katapusan, ang gipadaghan nga signal gibasa.
1. Paglimpyo sa Bayad: Aron masugdan ang pag-angkon, ang bayad dungan nga matangtang gikan sa tibuok sensor (global shutter).
2. Pagtigum sa Bayad: Ang bayad natipon sa panahon sa pagkaladlad.
3. Pagtipig sa bayad: Human sa pagkaladlad, ang nakolekta nga mga singil ibalhin sa usa ka masked area sa sensor, diin sila makahulat sa pagbasa nga walay bag-ong photon nga nakit-an nga mga photon nga giihap. Kini ang proseso sa 'Frame Transfer'.
4. Sunod nga Frame Exposure: Uban sa mga nakit-an nga mga singil nga gitipigan sa mga maskara nga mga pixel, ang mga aktibong pixel mahimong magsugod sa pagkaladlad sa sunod nga frame (overlap mode).
5. Proseso sa Pagbasa: Usa ka laray sa usa ka higayon, ang mga bayranan alang sa matag laray sa nahuman nga frame gibalhin ngadto sa usa ka 'readout register'.
6. Usa ka kolum sa usa ka higayon, ang mga bayad gikan sa matag pixel gibalhin ngadto sa readout node.
7. Pagpadaghan sa Electron: Sunod, ang tanan nga electron charges gikan sa pixel mosulod sa electron multiplication register, ug mobalhin sa sunod-sunod nga lakang, multiply sa gidaghanon exponentially sa matag lakang.
8. Pagbasa: Ang gipadaghan nga signal gibasa sa ADC, ug ang proseso gisubli hangtud nga ang tibuok frame mabasa.
Mga Kaayohan ug Kaayohan sa EMCCD Sensors
Mga Kaayohan sa EMCCD Sensors
| Bentaha | Deskripsyon |
| Pag-ihap sa Photon | Nakamatikod sa indibidwal nga mga photoelectron nga adunay ultra-low read noise (<0.2e⁻), makapahimo sa single-photon sensitivity. |
| Ultra-Low-Light Sensitivity | Mas maayo kay sa tradisyonal nga mga CCD, usahay molabaw bisan sa mga high-end nga sCMOS camera sa ubos kaayo nga lebel sa kahayag. |
| Ubos nga Dark Current | Ang lawom nga pagpabugnaw makapakunhod sa kasaba sa init, makapahimo sa mas limpyo nga mga hulagway sa panahon sa taas nga mga exposure. |
| 'Half-Global' Shutter | Ang pagbalhin sa frame nagtugot sa hapit-global nga pagkaladlad nga adunay kusog kaayo nga pagbalhin sa bayad (~ 1 microsecond). |
● Pag-ihap sa Photon: Uban sa taas nga igo nga pagpadaghan sa elektron, ang pagbasa sa kasaba mahimong halos mawagtang (<0.2e-). Kini, kauban ang taas nga kantidad sa ganansya ug hapit hingpit nga kahusayan sa quantum, nagpasabut nga posible ang pag-ila sa indibidwal nga mga photoelectron.
● Ultra-Low-Light Sensitivity: Kung itandi sa mga CCD, ang ubos nga kahayag nga performance sa EMCCDs mas maayo. Mahimong adunay pipila ka mga aplikasyon diin ang EMCCD naghatag og mas maayo nga kapabilidad sa pag-detect ug kalainan bisan pa sa high-end nga sCMOS sa labing ubos nga posible nga lebel sa kahayag.
● Ubos nga Dark Current: Sama sa mga CCD, ang mga EMCCD kasagarang lawom nga gipabugnaw ug makahatag ug ubos kaayo nga ngitngit nga kasamtangang mga bili.
● 'Half Global' Shutter: Ang proseso sa pagbalhin sa frame sa pagsugod ug pagtapos sa pagkaladlad dili tinuod nga dungan, apan kasagaran nagkinahanglan sa han-ay sa 1 microsecond.
Kakulangan sa EMCCD Sensors
| Disbentaha | Deskripsyon |
| Limitado nga Speed | Ang pinakataas nga frame rate (~ 30 fps sa 1 MP) mas hinay kay sa modernong mga alternatibo sa CMOS. |
| Kasaba sa Amplification | Ang random nga kinaiya sa pagpadaghan sa elektron nagpaila sa sobra nga kasaba, nga nagpamenos sa SNR. |
| Clock-Induced Charge (CIC) | Ang paglihok sa paspas nga pag-charge mahimong magpaila sa mga sayup nga signal nga gipakusog. |
| Gikunhod nga Dynamic Range | Ang taas nga ganansya makapamenos sa labing taas nga signal nga mahimo sa sensor sa dili pa mag-saturate. |
| Dako nga Pixel Size | Ang kasagarang mga gidak-on sa pixel (13–16 μm) mahimong dili mohaom sa daghang gikinahanglan nga optical system. |
| Bug-at nga Pagpabugnaw Kinahanglanon | Ang lig-on nga lawom nga pagpabugnaw gikinahanglan aron makab-ot ang makanunayon nga pagpadaghan ug ubos nga kasaba. |
| Panginahanglan sa Calibration | Ang pag-angkon sa EM nadaot sa paglabay sa panahon (pagkadunot sa pagpadaghan), nanginahanglan regular nga pag-calibrate. |
| Mubo nga Exposure Kawalay Kalig-on | Ang mubo kaayo nga mga exposure mahimong hinungdan sa dili matag-an nga pagpadako sa signal ug kasaba. |
| Taas nga Gasto | Ang komplikado nga paghimo ug lawom nga pagpabugnaw naghimo niini nga mga sensor nga mas mahal kaysa sCMOS. |
| Limitado nga Kinabuhi | Ang rehistro sa pagpadaghan sa elektron naguba, kasagarang molungtad og 5-10 ka tuig. |
| Mga Hagit sa Pag-eksport | Ubos sa higpit nga mga regulasyon tungod sa potensyal nga aplikasyon sa militar. |
● Limitado nga Speed: Ang mga paspas nga EMCCD naghatag ug mga 30 fps sa 1 MP, susama sa mga CCD, ang mga order sa magnitude nga mas hinay kay sa mga CMOS camera.
● Pasiuna sa Kasaba: Ang 'sobra nga noise factor' nga gipahinabo sa random electron multiplication, kon itandi sa usa ka low-noise sCMOS camera nga adunay parehas nga quantum efficiency, makahatag sa mga EMCCD og mas taas nga kasaba depende sa lebel sa signal. Ang SNR para sa high-end nga sCMOS kasagarang mas maayo alang sa mga signal sa palibot sa 3e-, labi pa alang sa mas taas nga mga signal.
● Clock-Induced Charge (CIC): Gawas kon kontrolahon pag-ayo, ang paglihok sa mga singil tabok sa sensor makapasulod ug dugang nga mga electron ngadto sa mga pixel. Kini nga kasaba unya gipadaghan sa rehistro sa pagpadaghan sa elektron. Ang mas taas nga katulin sa paglihok sa singil (mga rate sa orasan) mosangpot sa mas taas nga frame rate, apan mas daghang CIC.
● Gipakunhod ang Dynamic Range: Ang taas kaayo nga electron multiplication values nga gikinahanglan aron mabuntog ang EMCCD read noise mosangpot ngadto sa daghan nga pagkunhod sa dynamic range.
● Dako nga Pixel Size: Ang pinakagamay nga kasagarang gidak-on sa pixel para sa EMCCD camera kay 10 μm, apan 13 o 16 μm ang kasagaran. Kini dako kaayo nga mohaum sa kadaghanan sa mga gikinahanglang resolusyon sa optical system.
● Mga Kinahanglanon sa Pag-calibrate: Ang proseso sa pagpadaghan sa electron nagdaot sa rehistro sa EM sa paggamit, nga nagpamenos sa abilidad niini sa pagpadaghan sa proseso nga gitawag og 'electron multiplication decay'. Kini nagpasabut nga ang ganansya sa camera kanunay nga nagbag-o, ug ang camera nanginahanglan regular nga pagkakalibrate aron mahimo ang bisan unsang quantitative imaging.
● Dili makanunayon nga Exposure sa Mubo nga Panahon: Kung mugamit ug mugbo kaayo nga mga oras sa pagkaladlad, ang mga EMCCD nga kamera mahimong makamugna ug dili managsama nga mga resulta tungod kay ang huyang nga signal mapuno sa kasaba, ug ang proseso sa pagpadako nagpaila sa mga pagbag-o sa istatistika.
● Bug-at nga Pagpabugnaw Kinahanglanon: Ang proseso sa pagpadaghan sa elektron kusog nga naimpluwensyahan sa temperatura. Ang pagpabugnaw sa sensor nagdugang sa magamit nga pagpadaghan sa elektron. Busa ang lawom nga pagpabugnaw sa sensor samtang ang pagmintinar sa kalig-on sa temperatura mao nga kritikal sa mabag-o nga mga pagsukod sa EMCCD.
● Taas nga gasto: Ang kalisud sa paghimo niining mga multi-component sensor, inubanan sa lawom nga pagpabugnaw, mosangpot sa mga presyo nga kasagarang mas taas kay sa pinakataas nga kalidad nga sCMOS sensor camera.
● Limitado nga Kinabuhi: Ang pagkadunot sa pagpadaghan sa elektron nagbutang ug limitasyon sa tibuok kinabuhi niining mga mahalon nga sensor nga kasagarang 5-10 ka tuig, depende sa lebel sa paggamit.
● Export nga mga Hagit: Ang pag-import ug pag-eksport sa mga sensor sa EMCCD lagmit nga mahagiton sa logistik tungod sa ilang potensyal nga paggamit sa mga aplikasyon sa militar.
Ngano nga ang EMCCD Mao ang Successor sa CCD
| Feature | CCD | EMCCD |
| Pagkasensitibo | Taas | Labing taas (ilabi na ang ubos nga kahayag) |
| Kasaba sa Pagbasa | Kasarangan | Ubos kaayo (tungod sa ganansya) |
| Dynamic Range | Taas | Kasarangan (limitado sa ganansya) |
| Gasto | Ubos | Mas taas |
| Pagpabugnaw | Opsyonal | Kasagaran gikinahanglan alang sa labing maayo nga performance |
| Paggamit sa mga Kaso | Kinatibuk-ang imaging | Ubos nga kahayag, single-photon detection |
Ang mga sensor sa EMCCD nagtukod sa tradisyonal nga teknolohiya sa CCD pinaagi sa pag-apil sa usa ka lakang sa pagpadaghan sa elektron. Gipauswag niini ang abilidad sa pagpakusog sa huyang nga mga signal ug pagkunhod sa kasaba, nga naghimo sa mga EMCCD nga gipili nga kapilian alang sa labi ka ubos nga kahayag nga mga aplikasyon sa imaging kung diin ang mga sensor sa CCD nahulog.
Pangunang Aplikasyon sa EMCCD Sensors
Ang mga sensor sa EMCCD sagad nga gigamit sa mga natad sa siyensya ug industriya nga nanginahanglan taas nga pagkasensitibo ug katakus nga makit-an ang mga hinay nga signal:
● Handurawa ang Siyensiya sa Kinabuhig: Para sa mga aplikasyon sama sa single-molecule fluorescence microscopy ug total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy.
● Astronomiya: Gigamit alang sa pagkuha sa hinay nga kahayag gikan sa lagyong mga bituon, galaxy, ug panukiduki sa exoplanet.
● Quantum Optics: Para sa photon entanglement ug quantum information experiments.
● Forensics ug Security: Nagtrabaho sa low-light surveillance ug pagsubay sa pagtuki sa ebidensya.
● Spectroscopy: Sa Raman spectroscopy ug low-intensity fluorescence detection.
Kanus-a Ka Kinahanglan Magpili og EMCCD Sensor?
Sa mga pag-uswag sa mga sensor sa CMOS sa bag-ohay nga mga tuig, ang bentaha sa pagbasa sa ingay sa mga sensor sa EMCCD mikunhod tungod kay karon bisan ang mga sCMOS camera adunay katakus sa pagbasa sa subelectron nga ingay, kauban ang daghang lainlaing mga benepisyo. Kung ang usa ka aplikasyon kaniadto migamit sa mga EMCCD, angayan nga susihon kung kini ba ang labing kaayo nga kapilian nga gihatag nga mga kalamboan sa sCMOS.
Sa kasaysayan, ang mga EMCCD makahimo gihapon sa pag-ihap sa photon nga mas malampuson, kauban ang pipila ka uban pang mga aplikasyon sa niche nga adunay kasagaran nga lebel sa signal nga ubos sa 3-5e-per pixel sa peak. Bisan pa, nga adunay daghang mga gidak-on sa pixel ug sub-electron read noise nga magamit sasiyentipikanhong mga kamerabase sa teknolohiya sa sCMOS, posible nga kini nga mga aplikasyon mahimo usab nga himuon sa dili madugay gamit ang high-end nga sCMOS.
Mga FAQ
Unsa ang Minimum nga Oras sa Exposure alang sa mga Frame Transfer Camera?
Alang sa tanan nga mga sensor sa pagbalhin sa frame, lakip ang mga EMCCD, ang pangutana sa labing gamay nga posible nga oras sa pagkaladlad usa ka komplikado. Alang sa usa ka pagkuha sa imahe, ang pagkaladlad mahimong tapuson pinaagi sa pag-shuffling sa nakuha nga mga singil sa maskara nga rehiyon alang sa pagbasa nga paspas kaayo, ug ang mubu (sub-microsecond) nga labing gamay nga oras sa pagkaladlad posible.
Bisan pa, sa diha nga ang camera nag-streaming sa bug-os nga tulin, ie pag-angkon og daghang mga frame / usa ka salida sa bug-os nga frame rate, sa diha nga ang unang hulagway mahuman sa pagbutyag, ang maskara nga rehiyon giokupahan sa maong frame hangtud nga ang pagbasa nahuman. Busa ang pagkaladlad dili matapos. Kini nagpasabut nga, bisan unsa pa ang oras sa pagkaladlad nga gihangyo sa software, ang tinuud nga oras sa pagkaladlad sa mga sunud nga mga frame pagkahuman sa una sa usa ka bug-os nga tulin nga pag-angkon sa multi-frame gihatag sa oras sa frame, ie 1 / Frame Rate, sa camera.
Gipuli ba sa Teknolohiya sa sCMOS ang EMCCD Sensors?
Ang mga EMCCD nga mga kamera adunay duha ka mga detalye nga nakatabang sa pagpabilin sa ilang bentaha sa grabeng ubos nga kahayag nga mga senaryo sa imaging (nga adunay peak nga lebel sa signal nga 5 ka mga photoelectron o ubos pa). Una, ang ilang dagkong mga pixel, hangtod sa 16 μm, ug ikaduha ang ilang <1e-read noise.
Usa ka bag-ong henerasyon sasCMOS nga kameramitumaw nga nagtanyag niining parehas nga mga kinaiya, nga wala ang daghang mga kakulian sa mga EMCCD, labi na ang sobra nga hinungdan sa kasaba. Ang mga kamera sama sa Aries 16 gikan sa Tucsen nagtanyag og 16 μm back-iluminated pixels nga adunay read noise nga 0.8e-. Uban sa ubos nga kasaba ug 'natively' nga dagkong mga pixel, kini nga mga camera mas maayo usab sa kadaghanan nga binned sCMOS camera, tungod sa relasyon tali sa binning ug read noise.
Kung gusto nimo mahibal-an ang dugang bahin sa EMCCD, palihug pag-klik:
Mapulihan ba ang EMCCD Ug Gusto Nato Niana?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Tanang katungod gigahin. Sa pagkutlo, palihog ilha ang tinubdan:www.tucsen.com
