25/08/01Mae'r synhwyrydd CCD Lluosi Electronau yn esblygiad o'r synhwyrydd CCD i ganiatáu gweithrediad golau is. Fe'u bwriedir fel arfer ar gyfer signalau o ychydig gannoedd o ffotoelectronau, i lawr i lefel cyfrif ffotonau unigol.
Mae'r erthygl hon yn egluro beth yw synwyryddion EMCCD, sut maen nhw'n gweithredu, eu manteision a'u hanfanteision, a pham maen nhw'n cael eu hystyried fel esblygiad nesaf technoleg CCD ar gyfer delweddu golau isel.
Beth yw Synhwyrydd EMCCD?
Mae synhwyrydd Dyfais Cyplysu Gwefr-Lluosi Electron (EMCCD) yn fath arbenigol o synhwyrydd CCD sy'n mwyhau signalau gwan cyn iddynt gael eu darllen allan, gan ganiatáu ar gyfer sensitifrwydd eithriadol o uchel mewn amgylcheddau golau isel.
Wedi'u datblygu'n wreiddiol ar gyfer cymwysiadau fel seryddiaeth a microsgopeg uwch, gall synwyryddion CCD ganfod ffotonau sengl, tasg y mae synwyryddion CCD traddodiadol yn ei chael hi'n anodd ei gwneud. Mae'r gallu hwn i ganfod ffotonau unigol yn gwneud EMCCDau yn hanfodol ar gyfer meysydd sydd angen delweddu manwl gywir o dan lefelau golau isel iawn.
Sut Mae Synwyryddion EMCCD yn Gweithio?
Hyd at y pwynt darllen allan, mae synwyryddion EMCCD yn gweithredu ar yr un egwyddorion â synwyryddion CCD. Fodd bynnag, cyn mesur gyda'r ADC, mae gwefrau a ganfyddir yn cael eu lluosi trwy broses o'r enw impactionization, mewn 'cofrestr lluosi electronau'. Dros gyfres o gannoedd o gamau, mae'r gwefrau o bicsel yn cael eu symud ar hyd cyfres o bicseli wedi'u masgio ar foltedd uchel. Mae gan bob electron ym mhob cam gyfle i ddod ag electronau ychwanegol gydag ef. Felly mae'r signal yn cael ei luosi'n esbonyddol.
Canlyniad terfynol EMCCD wedi'i galibro'n dda yw'r gallu i ddewis swm manwl gywir o luosi cyfartalog, fel arfer tua 300 i 400 ar gyfer gwaith golau isel. Mae hyn yn galluogi'r signalau a ganfyddir i gael eu lluosi'n llawer uwch na sŵn darllen y camera, gan leihau sŵn darllen y camera i bob pwrpas. Yn anffodus, mae natur stocastig y broses luosi hon yn golygu bod pob picsel yn cael ei luosi â swm gwahanol, sy'n cyflwyno ffactor sŵn ychwanegol, gan leihau cymhareb signal-i-sŵn (SNR) yr EMCCD.
Dyma ddadansoddiad o sut mae synwyryddion EMCCD yn gweithredu. Hyd at Gam 6, mae'r broses yn yr un modd â'r un ar gyfer synwyryddion CCD.
Ffigur: Proses darllen ar gyfer synhwyrydd EMCCD
Ar ddiwedd eu hamlygiad, mae synwyryddion EMCCD yn symud y gwefrau a gasglwyd yn gyflym i arae o bicseli wedi'u cuddio sydd â'r un dimensiynau â'r arae sy'n sensitif i olau (trosglwyddo ffrâm). Yna, un rhes ar y tro, mae gwefrau'n cael eu symud i gofrestr darllen. Un golofn ar y tro, mae gwefrau o fewn y gofrestr darllen yn cael eu trosglwyddo i gofrestr lluosi. Ym mhob cam o'r gofrestr hon (hyd at 1000 o gamau mewn camerâu EMCCD go iawn), mae gan bob electron gyfle bach i ryddhau electron ychwanegol, gan luosi'r signal yn esbonyddol. Ar y diwedd, mae'r signal wedi'i luosi yn cael ei ddarllen allan.
1. Clirio TâlI ddechrau'r caffael, caiff y gwefr ei glirio o'r synhwyrydd cyfan ar yr un pryd (caead byd-eang).
2. Cronni GwefrMae gwefr yn cronni yn ystod amlygiad.
3. Storio GwefrAr ôl dod i gysylltiad, caiff y gwefrau a gesglir eu symud i ardal gudd o'r synhwyrydd, lle gallant aros i gael eu darllen heb gyfrif ffotonau newydd a ganfuwyd. Dyma'r broses 'Trosglwyddo Ffrâm'.
4. Amlygiad y Ffrâm NesafGyda'r gwefrau a ganfuwyd wedi'u storio yn y picseli wedi'u masgio, gall y picseli gweithredol ddechrau amlygiad y ffrâm nesaf (modd gorgyffwrdd).
5. Proses DarllenUn rhes ar y tro, mae taliadau ar gyfer pob rhes o'r ffrâm orffenedig yn cael eu symud i 'gofrestr darllen'.
6. Un golofn ar y tro, mae gwefrau o bob picsel yn cael eu cludo i'r nod darllen.
7. Lluosi ElectronNesaf, mae pob gwefr electron o'r picsel yn mynd i mewn i'r gofrestr lluosi electronau, ac yn symud ymlaen gam wrth gam, gan luosi o ran nifer yn esbonyddol ym mhob cam.
8. DarlleniadMae'r signal wedi'i luosi yn cael ei ddarllen gan yr ADC, ac mae'r broses yn cael ei hailadrodd nes bod y ffrâm gyfan wedi'i darllen allan.
Manteision ac Anfanteision Synwyryddion EMCCD
Manteision Synwyryddion EMCCD
| Mantais | Disgrifiad |
| Cyfrif Ffotonau | Yn canfod ffotoelectronau unigol gyda sŵn darllen isel iawn (<0.2e⁻), gan alluogi sensitifrwydd ffoton sengl. |
| Sensitifrwydd Ultra-Isel i Olau | Yn sylweddol well na chamerâu CCD traddodiadol, gan ragori ar gamerâu sCMOS pen uchel hyd yn oed ar lefelau golau isel iawn weithiau. |
| Cerrynt Tywyll Isel | Mae oeri dwfn yn lleihau sŵn thermol, gan alluogi delweddau glanach yn ystod amlygiadau hir. |
| Caead 'Hanner Byd-eang' | Mae trosglwyddo ffrâm yn caniatáu amlygiad bron yn fyd-eang gyda symud gwefr yn gyflym iawn (~1 microeiliad). |
● Cyfrif FfotonauGyda lluosi electronau digon uchel, gellir dileu sŵn darllen yn ymarferol (<0.2e-). Mae hyn, ochr yn ochr â'r gwerth ennill uchel ac effeithlonrwydd cwantwm bron yn berffaith, yn golygu bod gwahaniaethu rhwng ffotoelectronau unigol yn bosibl.
● Sensitifrwydd Ultra-Isel o OlauO'i gymharu â CCDs, mae perfformiad EMCCDs mewn golau isel yn sylweddol well. Efallai y bydd rhai cymwysiadau lle mae EMCCD yn darparu gallu canfod a chyferbyniad gwell hyd yn oed na sCMOS pen uchel ar y lefelau golau isaf posibl.
● Cerrynt Tywyll IselFel gyda CCDs, mae EMCCDs fel arfer yn cael eu hoeri'n ddwfn ac yn gallu darparu gwerthoedd cerrynt tywyll isel iawn.
● Caead 'Hanner Byd-eang'Nid yw'r broses trosglwyddo ffrâm i ddechrau a gorffen yr amlygiad yn gydamserol mewn gwirionedd, ond fel arfer mae'n cymryd tua 1 microeiliad.
Anfanteision Synwyryddion EMCCD
| Anfantais | Disgrifiad |
| Cyflymder Cyfyngedig | Mae'r cyfraddau fframiau uchaf (~30 fps ar 1 MP) yn llawer arafach na dewisiadau amgen CMOS modern. |
| Sŵn Mwyhadur | Mae natur ar hap lluosi electronau yn cyflwyno sŵn gormodol, gan leihau SNR. |
| Gwefr a Achosir gan y Cloc (CIC) | Gall symudiad gwefru cyflym gyflwyno signalau ffug sy'n cael eu mwyhau. |
| Ystod Dynamig Llai | Mae enillion uchel yn lleihau'r signal mwyaf y gall y synhwyrydd ei drin cyn dirlawn. |
| Maint Picsel Mawr | Efallai na fydd meintiau picsel cyffredin (13–16 μm) yn cyd-fynd â llawer o ofynion system optegol. |
| Gofyniad Oeri Trwm | Mae angen oeri dwfn sefydlog i gyflawni lluosi cyson a sŵn isel. |
| Anghenion Calibradu | Mae enillion EM yn dirywio dros amser (pydredd lluosi), gan olygu bod angen calibradu rheolaidd. |
| Ansefydlogrwydd Amlygiad Byr | Gall amlygiadau byr iawn achosi mwyhad signal a sŵn anrhagweladwy. |
| Cost Uchel | Mae gweithgynhyrchu cymhleth ac oeri dwfn yn gwneud y synwyryddion hyn yn ddrytach na sCMOS. |
| Oes Gyfyngedig | Mae'r gofrestr lluosi electronau yn gwisgo allan, gan bara 5–10 mlynedd fel arfer. |
| Heriau Allforio | Yn ddarostyngedig i reoliadau llym oherwydd cymwysiadau milwrol posibl. |
● Cyflymder CyfyngedigMae EMCCDs cyflym yn darparu tua 30 fps ar 1 MP, yn debyg i CCDs, urddau maint yn arafach na chamerâu CMOS.
● Cyflwyniad SŵnGall y 'ffactor sŵn gormodol' a achosir gan luosi electronau ar hap, o'i gymharu â chamera sCMOS sŵn isel gyda'r un effeithlonrwydd cwantwm, roi sŵn llawer uwch i EMCCDs yn dibynnu ar lefelau signal. Mae SNR ar gyfer sCMOS pen uchel fel arfer yn well ar gyfer signalau o tua 3e-, a hyd yn oed yn fwy felly ar gyfer signalau uwch.
● Gwefr a Achosir gan y Cloc (CIC)Oni bai ei fod yn cael ei reoli'n ofalus, gall symudiad gwefrau ar draws y synhwyrydd gyflwyno electronau ychwanegol i mewn i bicseli. Yna caiff y sŵn hwn ei luosi gan y gofrestr lluosi electronau. Mae cyflymderau symud gwefr uwch (cyfraddau cloc) yn arwain at gyfraddau ffrâm uwch, ond mwy o CIC.
● Ystod Dynamig LlaiMae'r gwerthoedd lluosi electronau uchel iawn sy'n ofynnol i oresgyn sŵn darllen EMCCD yn arwain at ystod ddeinamig llawer llai.
● Maint Picsel MawrY maint picsel lleiaf cyffredin ar gyfer camerâu EMCCD yw 10 μm, ond 13 neu 16 μm yw'r mwyaf cyffredin. Mae hyn yn llawer rhy fawr i gyd-fynd â gofynion datrysiad y rhan fwyaf o systemau optegol.
● Gofynion CalibraduMae'r broses lluosi electronau yn gwisgo'r gofrestr EM wrth ei defnyddio, gan leihau ei gallu i luosi mewn proses o'r enw 'pyddredd lluosi electronau'. Mae hyn yn golygu bod enillion y camera yn newid yn gyson, ac mae angen calibradu'r camera'n rheolaidd i gyflawni unrhyw ddelweddu meintiol.
● Amlygiad Anghyson am Amseroedd ByrWrth ddefnyddio amseroedd amlygiad byr iawn, gall camerâu EMCCD gynhyrchu canlyniadau anghyson oherwydd bod y signal gwan yn cael ei lethu gan sŵn, ac mae'r broses ymhelaethu yn cyflwyno amrywiadau ystadegol.
● Gofyniad Oeri TrwmMae tymheredd yn dylanwadu'n gryf ar y broses lluosi electronau. Mae oeri'r synhwyrydd yn cynyddu'r lluosi electronau sydd ar gael. Felly mae oeri dwfn y synhwyrydd wrth gynnal sefydlogrwydd tymheredd yn hanfodol ar gyfer mesuriadau EMCCD atgynhyrchadwy.
● Cost uchelMae anhawster cynhyrchu'r synwyryddion aml-gydran hyn, ynghyd ag oeri dwfn, yn arwain at brisiau sydd fel arfer yn uwch na'r camerâu synhwyrydd sCMOS o'r ansawdd uchaf.
● Oes GyfyngedigMae pydredd lluosi electronau yn rhoi terfyn ar oes y synwyryddion drud hyn, sef 5-10 mlynedd fel arfer, yn dibynnu ar lefel y defnydd.
● Heriau AllforioMae mewnforio ac allforio synwyryddion EMCCD yn tueddu i fod yn heriol yn logistaidd oherwydd eu defnydd posibl mewn cymwysiadau milwrol.
Pam mai EMCCD yw Olynydd CCD
| Nodwedd | CCD | EMCCD |
| Sensitifrwydd | Uchel | Ultra-uchel (yn enwedig golau isel) |
| Sŵn Darlleniad | Cymedrol | Eithriadol o isel (oherwydd enillion) |
| Ystod Dynamig | Uchel | Cymedrol (wedi'i gyfyngu gan enillion) |
| Cost | Isaf | Uwch |
| Oeri | Dewisol | Fel arfer yn ofynnol ar gyfer perfformiad gorau posibl |
| Achosion Defnydd | Delweddu cyffredinol | Canfod golau isel, un ffoton |
Mae synwyryddion EMCCD yn adeiladu ar dechnoleg CCD draddodiadol trwy ymgorffori cam lluosi electronau. Mae hyn yn gwella'r gallu i fwyhau signalau gwan a lleihau sŵn, gan wneud EMCCDs y dewis a ffefrir ar gyfer cymwysiadau delweddu golau isel iawn lle mae synwyryddion CCD yn methu.
Prif Gymwysiadau Synwyryddion EMCCD
Defnyddir synwyryddion EMCCD yn gyffredin mewn meysydd gwyddonol a diwydiannol sydd angen sensitifrwydd uchel a'r gallu i ganfod signalau gwan:
● Dychymyg Gwyddor Bywydg: Ar gyfer cymwysiadau fel microsgopeg fflwroleuedd moleciwl sengl a microsgopeg fflwroleuedd adlewyrchiad mewnol cyflawn (TIRF).
● Seryddiaeth: Wedi'i ddefnyddio ar gyfer dal golau gwan o sêr pell, galaethau ac ymchwil i blanedau all-blanedol.
● Opteg CwantwmAr gyfer arbrofion cydblethu ffotonau ac arbrofion gwybodaeth cwantwm.
● Fforensig a DiogelwchWedi'i ddefnyddio mewn gwyliadwriaeth golau isel a dadansoddi tystiolaeth olion.
● SpectrosgopegMewn sbectrosgopeg Raman a chanfod fflwroleuedd dwyster isel.
Pryd Ddylech Chi Ddewis Synhwyrydd EMCCD?
Gyda'r gwelliannau i synwyryddion CMOS yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae mantais sŵn darllen synwyryddion EMCCD wedi lleihau gan fod hyd yn oed camerâu sCMOS bellach yn gallu darllen sŵn is-electron, ochr yn ochr ag ystod eang o fanteision eraill. Os yw cymhwysiad wedi defnyddio EMCCDs o'r blaen, mae'n werth adolygu a yw hwn yn ddewis gorau o ystyried datblygiadau mewn sCMOS.
Yn hanesyddol, gallai EMCCDs barhau i gyfrif ffotonau yn fwy llwyddiannus, ochr yn ochr ag ychydig o gymwysiadau niche eraill gyda lefelau signal nodweddiadol yn llai na 3-5e- y picsel ar yr anterth. Er hynny, gyda meintiau picsel mwy a sŵn darllen is-electron yn dod ar gael yncamerâu gwyddonolyn seiliedig ar dechnoleg sCMOS, mae'n bosibl y bydd y cymwysiadau hyn hefyd yn cael eu perfformio'n fuan gyda sCMOS pen uchel.
Cwestiynau Cyffredin
Beth yw'r Amser Amlygiad Isafswm ar gyfer Camerâu Trosglwyddo Ffrâm?
Ar gyfer pob synhwyrydd trosglwyddo ffrâm, gan gynnwys EMCCDs, mae'r cwestiwn o'r amser amlygiad lleiaf posibl yn un cymhleth. Ar gyfer caffael delwedd sengl, gellir dod â'r amlygiad i ben trwy gymysgu gwefrau a gafwyd i'r rhanbarth wedi'i fasgio i'w darllen allan yn gyflym iawn, ac mae amseroedd amlygiad lleiaf byr (is-ficroeiliad) yn bosibl.
Fodd bynnag, cyn gynted ag y bydd y camera'n ffrydio ar gyflymder llawn, h.y. yn caffael sawl ffrâm / ffilm ar gyfradd ffrâm lawn, cyn gynted ag y bydd y ddelwedd gyntaf yn gorffen amlygu, mae'r rhanbarth wedi'i guddio yn cael ei feddiannu gan y ffrâm honno nes bod y darlleniad wedi'i gwblhau. Felly ni all yr amlygiad ddod i ben. Mae hyn yn golygu, waeth beth fo'r amser amlygiad a ofynnir amdano mewn meddalwedd, bod amser amlygiad gwirioneddol y fframiau dilynol ar ôl y cyntaf o gaffael aml-ffrâm cyflymder llawn yn cael ei roi gan amser y ffrâm, h.y. 1 / Cyfradd Ffrâm, y camera.
A yw Technoleg sCMOS yn Disodli Synwyryddion EMCCD?
Roedd gan gamerâu EMCCD ddau fanyleb a helpodd i gadw eu mantais mewn senarios delweddu golau isel iawn (gyda lefelau signal brig o 5 ffotoelectron neu lai). Yn gyntaf, eu picseli mawr, hyd at 16 μm, ac yn ail eu sŵn darllen <1e.
Cenhedlaeth newydd ocamera sCMOSwedi dod i'r amlwg sy'n cynnig yr un nodweddion hyn, heb yr anfanteision niferus sydd gan EMCCDs, yn enwedig y ffactor sŵn gormodol. Mae camerâu fel yr Aries 16 gan Tucsen yn cynnig picseli wedi'u goleuo'n ôl 16 μm gyda sŵn darllen o 0.8e-. Gyda sŵn isel a phicseli mawr 'brodorol', mae'r camerâu hyn hefyd yn perfformio'n well na'r rhan fwyaf o gamerâu sCMOS wedi'u binio, oherwydd y berthynas rhwng binio a sŵn darllen.
Os ydych chi eisiau dysgu mwy am EMCCD, cliciwch:
A ellir disodli'r EMCCD ac a fyddem ni byth eisiau hynny?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Cedwir pob hawl. Wrth ddyfynnu, cydnabyddwch y ffynhonnell:www.tucsen.com
