25/08/01La elektron-multiplika CCD-sensilo estas evoluo de la CCD-sensilo por ebligi funkciadon en malpli da lumo. Ili estas tipe destinitaj por signaloj de kelkaj centoj da fotoelektronoj, ĝis la nivelo de individua fotonkalkulado.
Ĉi tiu artikolo klarigas kio estas EMCCD-sensiloj, kiel ili funkcias, iliajn avantaĝojn kaj malavantaĝojn, kaj kial ili estas konsiderataj la sekva evoluo de CCD-teknologio por bildigo en malalta lumo.
Kio estas EMCCD-sensilo?
Elektron-multiplikanta ŝargo-kuplita aparato (EMCCD) sensilo estas specialigita tipo de CCD-sensilo kiu plifortigas malfortajn signalojn antaŭ ol ili estas legitaj, permesante ekstreme altan sentemon en malalt-lumaj medioj.
Komence evoluigitaj por aplikoj kiel astronomio kaj progresinta mikroskopio, EMCCD-oj povas detekti unuopajn fotonojn, taskon, kiun tradiciaj CCD-sensiloj plenumas malfacile. Ĉi tiu kapablo detekti individuajn fotonojn igas EMCCD-ojn esencaj por kampoj, kiuj postulas precizan bildigon sub tre malaltaj lumniveloj.
Kiel Funkcias EMCCD-Sensiloj?
Ĝis la punkto de legado, EMCCD-sensiloj funkcias laŭ la samaj principoj kiel CCD-sensiloj. Tamen, antaŭ mezurado per la ADC, detektitaj ŝargoj estas multiplikitaj per procezo nomata blokiĝo, en "elektrona multiplika registro". Dum serio de plurcent paŝoj, la ŝargoj de pikselo estas movitaj laŭ serio de maskitaj pikseloj je alta tensio. Ĉiu elektrono ĉe ĉiu paŝo havas ŝancon alporti pliajn elektronojn. La signalo estas tial multiplikita eksponente.
La fina rezulto de bone kalibrita EMCCD estas la kapablo elekti precizan kvanton de averaĝa multipliko, tipe ĉirkaŭ 300 ĝis 400 por laboro en malalta lumo. Ĉi tio ebligas, ke la detektitaj signaloj estu multiplikitaj multe pli alte ol la legata bruo de la fotilo, efike reduktante la legatan bruon de la fotilo. Bedaŭrinde, la stokastika naturo de ĉi tiu multiplika procezo signifas, ke ĉiu pikselo estas multiplikita per malsama kvanto, kio enkondukas plian bruofaktoron, reduktante la signalo-bruo-rilatumon (SNR) de la EMCCD.
Jen resumo pri kiel funkcias EMCCD-sensiloj. Ĝis Paŝo 6, la procezo estas esence la sama kiel tiu por CCD-sensiloj.
Figuro: Procezo de legado por EMCCD-sensilo
Ĉe la fino de sia eksponado, EMCCD-sensiloj unue rapide movas kolektitajn ŝargojn al maskita aro de pikseloj samdimensiaj kiel la lumsentema aro (kadrotranslokigo). Poste, unu vico samtempe, ŝargoj estas movitaj en legregistron. Unu kolumno samtempe, ŝargoj ene de la legregistro estas pasitaj al multiplika registro. Ĉe ĉiu stadio de ĉi tiu registro (ĝis 1000 stadioj en realaj EMCCD-fotiloj), ĉiu elektrono havas malgrandan ŝancon liberigi plian elektronon, multiplikante la signalon eksponente. Ĉe la fino, la multiplikita signalo estas legita.
1. Ŝarĝa ForigoPor komenci la akiron, la ŝargo estas samtempe forigita de la tuta sensilo (tutmonda obturatoro).
2. Ŝarĝa AmasiĝoŜarĝo akumuliĝas dum eksponiĝo.
3. Ŝarĝa StokadoPost eksponiĝo, kolektitaj ŝargoj estas movitaj al maskita areo de la sensilo, kie ili povas atendi legadon sen ke novaj fotonoj detektitaj estu kalkulataj. Ĉi tio estas la procezo de 'Kadra Translokigo'.
4. Sekva Kadra EkspozicioKun la detektitaj ŝargoj konservitaj en la maskitaj pikseloj, la aktivaj pikseloj povas komenci la eksponadon de la sekva kadro (interkovra reĝimo).
5. LegprocezoUnu vico samtempe, ŝargoj por ĉiu vico de la preta kadro estas movitaj en 'legadregistron'.
6. Unu kolumno samtempe, ŝargoj de ĉiu pikselo estas transportataj en la legnodon.
7. Elektrona MultiplikoPoste, ĉiuj elektronaj ŝargoj de la pikselo eniras la elektronan multiplikan registron, kaj moviĝas paŝon post paŝo, multiplikiĝante laŭ nombro eksponente ĉe ĉiu paŝo.
8. RezultoLa multiplikita signalo estas legata de la ADC, kaj la procezo estas ripetata ĝis la tuta kadro estas legata.
Avantaĝoj kaj Malavantaĝoj de EMCCD-Sensiloj
Avantaĝoj de EMCCD-Sensiloj
| Avantaĝo | Priskribo |
| Fotona Kalkulado | Detektas individuajn fotoelektronojn kun ekstreme malalta legbruo (<0.2e⁻), ebligante unu-fotonan sentemon. |
| Ultra-Malalta-Luma Sentemo | Signife pli bona ol tradiciaj CCD-oj, foje superante eĉ altkvalitajn sCMOS-fotilojn ĉe tre malaltaj lumniveloj. |
| Malalta Malluma Kurento | Profunda malvarmigo reduktas termikan bruon, ebligante pli purajn bildojn dum longaj eksponoj. |
| 'Duon-Tutmonda' Obturatoro | Kadra translokigo permesas preskaŭ tutmondan eksponiĝon kun tre rapida ŝargoŝovo (~1 mikrosekundo). |
● Fotona KalkuladoKun sufiĉe alta elektrona multipliko, legbruo povas esti preskaŭ eliminita (<0.2e-). Ĉi tio, kune kun la alta gajno-valoro kaj preskaŭ perfekta kvantuma efikeco, signifas, ke distingi individuajn fotoelektronojn eblas.
● Ultra-Malalta-Luma SentemoKompare kun CCD-oj, la malalta lum-efikeco de EMCCD-oj estas draste pli bona. Povas esti iuj aplikoj kie EMCCD provizas pli bonan detektokapablon kaj kontraston eĉ ol altkvalita sCMOS ĉe la plej malaltaj eblaj lumniveloj.
● Malalta Malluma KurentoKiel ĉe CCD-oj, EMCCD-oj estas tipe profunde malvarmigitaj kaj kapablaj liveri tre malaltajn mallumajn kurentvalorojn.
● 'Duonmonda' ObturatoroLa procezo de kadrotransigo por komenci kaj fini ekspozicion ne estas vere samtempa, sed tipe daŭras ĉirkaŭ 1 mikrosekundo.
Malavantaĝoj de EMCCD-Sensiloj
| Malavantaĝo | Priskribo |
| Limigita Rapideco | Maksimumaj framfrekvencoj (~30 kadroj po sekundo je 1 MP) estas multe pli malrapidaj ol modernaj CMOS-alternativoj. |
| Plifortiga Bruo | La hazarda naturo de elektrona multipliko enkondukas troan bruon, reduktante SNR-on. |
| Horloĝ-Induktita Ŝarĝo (CIC) | Rapida ŝarga movado povas enkonduki falsajn signalojn, kiuj plifortiĝas. |
| Reduktita Dinamika Gamo | Alta gajno reduktas la maksimuman signalon, kiun la sensilo povas pritrakti antaŭ saturiĝo. |
| Granda Piksela Grandeco | Oftaj pikselaj grandecoj (13–16 μm) eble ne kongruas kun multaj postuloj pri optika sistemo. |
| Peza Malvarmiga Bezono | Stabila profunda malvarmigo estas necesa por atingi koheran multiplikon kaj malaltan bruon. |
| Kalibraj Bezonoj | EM-gajno degradiĝas laŭlonge de la tempo (multiplika kadukiĝo), postulante regulan alĝustigon. |
| Mallonga Ekspona Malstabileco | Tre mallongaj eksponiĝoj povas kaŭzi neantaŭvideblan signalplifortigon kaj bruon. |
| Alta Kosto | Kompleksa fabrikado kaj profunda malvarmigo igas ĉi tiujn sensilojn pli multekostaj ol sCMOS. |
| Limigita Vivdaŭro | La elektrona multiplikregistro eluziĝas, tipe daŭrante 5-10 jarojn. |
| Eksportaj Defioj | Submetita al striktaj regularoj pro eblaj armeaj aplikoj. |
● Limigita RapidoRapidaj EMCCD-oj provizas ĉirkaŭ 30 kadrojn por sekundo je 1 MP, simile al CCD-oj, multe pli malrapidaj ol CMOS-fotiloj.
● Enkonduko al BruoLa "troa bruofaktoro" kaŭzita de la hazarda elektrona multipliko, kompare kun malalt-brua sCMOS-fotilo kun la sama kvantuma efikeco, povas doni al EMCCD-oj draste pli altan bruon depende de signalniveloj. SNR por altkvalita sCMOS estas tipe pli bona por signaloj de ĉirkaŭ 3e-, eĉ pli por pli altaj signaloj.
● Horloĝ-Induktita Ŝarĝo (CIC)Krom se zorge kontrolata, movado de ŝargoj tra la sensilo povas enkonduki pliajn elektronojn en pikselojn. Ĉi tiu bruo estas poste multiplikita per la elektrona multiplika registro. Pli altaj ŝargaj movrapidecoj (horloĝfrekvencoj) kondukas al pli altaj framfrekvencoj, sed pli da CIC.
● Reduktita Dinamika GamoLa tre altaj elektronaj multiplikvaloroj necesaj por superi la EMCCD-legadan bruon kondukas al multe reduktita dinamika gamo.
● Granda Piksela GrandecoLa plej malgranda komuna piksela grandeco por EMCCD-fotiloj estas 10 μm, sed 13 aŭ 16 μm estas la plej ofta. Ĉi tio estas multe tro granda por plenumi la rezoluciajn postulojn de plej multaj optikaj sistemoj.
● Kalibraj PostulojLa elektrona multiplikada procezo eluzas la EM-registron kun uzo, reduktante ĝian kapablon multipliki en procezo nomata "elektrona multiplikada kadukiĝo". Tio signifas, ke la gajno de la fotilo konstante ŝanĝiĝas, kaj la fotilo postulas regulan kalibradon por plenumi ajnan kvantan bildigon.
● Nekonstanta Ekspozicio je Mallongaj TempojKiam oni uzas tre mallongajn eksponajn tempojn, EMCCD-fotiloj povas produkti malkonsekvencajn rezultojn ĉar la malforta signalo estas superfortita de bruo, kaj la amplifika procezo enkondukas statistikajn fluktuojn.
● Peza Malvarmiga BezonoLa elektronmultiplika procezo estas forte influata de temperaturo. Malvarmigo de la sensilo pliigas la disponeblan elektronmultiplikadon. Tial profunda sensilomalvarmigo samtempe konservante temperaturstabilecon estas kritika por reprodukteblaj EMCCD-mezuradoj.
● Alta kostoLa malfacileco de fabrikado de ĉi tiuj plurkomponentaj sensiloj, kombinita kun profunda malvarmigo, kondukas al prezoj tipe pli altaj ol la plej altkvalitaj sCMOS-sensilfotiloj.
● Limigita VivdaŭroElektrona multipliko-malkresko limigas la vivdaŭron de ĉi tiuj multekostaj sensiloj je kutime 5-10 jaroj, depende de la uznivelo.
● Eksportaj DefiojLa importado kaj eksportado de EMCCD-sensiloj emas esti loĝistike malfacila pro ilia ebla uzo en militaj aplikoj.
Kial EMCCD estas la posteulo de CCD
| Trajto | CCD | EMCCD |
| Sentemo | Alta | Ultra-alta (precipe malalta lumo) |
| Legaĵa Bruo | Modera | Ekstreme malalta (pro gajno) |
| Dinamika Gamo | Alta | Modera (limigita per gajno) |
| Kosto | Pli malalta | Pli alta |
| Malvarmigo | Laŭvola | Tipe necesa por optimuma rendimento |
| Uzokazoj | Ĝenerala bildigo | Malaltluma, unu-fotona detekto |
EMCCD-sensiloj baziĝas sur tradicia CCD-teknologio per enkorpigo de elektrona multiplika paŝo. Ĉi tio plibonigas la kapablon plifortigi malfortajn signalojn kaj redukti bruon, igante EMCCD-ojn la preferata elekto por bildigaj aplikoj en ekstreme malalta lumo, kie CCD-sensiloj ne sufiĉas.
Ŝlosilaj Aplikoj de EMCCD-Sensiloj
EMCCD-sensiloj estas ofte uzataj en sciencaj kaj industriaj kampoj, kiuj postulas altan sentemon kaj la kapablon detekti malfortajn signalojn:
● Vivscienco Imagog: Por aplikoj kiel unu-molekula fluoreska mikroskopio kaj totala interna reflekta fluoreska (TIRF) mikroskopio.
● AstronomioUzata por kapti malfortan lumon de malproksimaj steloj, galaksioj, kaj esplorado de ekstersunsistemaj planedoj.
● Kvantuma OptikoPor fotoninterplektiĝo kaj kvantuminformaj eksperimentoj.
● Krimmedicino kaj SekurecoDungita en malalta lumo-gvatado kaj analizo de spuroj.
● SpektroskopioEn Raman-spektroskopio kaj malalt-intenseca fluoreska detekto.
Kiam Vi Devus Elekti EMCCD-Sensilon?
Kun la plibonigoj al CMOS-sensiloj en la lastaj jaroj, la avantaĝo de EMCCD-sensiloj rilate al legbruo malpliiĝis, ĉar nun eĉ sCMOS-fotiloj kapablas je subelektrona legbruo, kune kun vasta gamo da aliaj avantaĝoj. Se apliko antaŭe uzis EMCCD-ojn, valoras revizii ĉu ĉi tio estas la plej bona elekto konsiderante la evoluojn en sCMOS.
Historie, EMCCD-oj ankoraŭ povis pli sukcese plenumi fotonkalkuladon, kune kun kelkaj aliaj niĉaj aplikoj kun tipaj signalniveloj malpli ol 3-5e- po pikselo ĉe pinto. Tamen, kun pli grandaj pikselaj grandecoj kaj subelektrona legbruo fariĝanta havebla ensciencaj fotilojsurbaze de sCMOS-teknologio, eblas ke ankaŭ ĉi tiuj aplikoj baldaŭ povos esti plenumitaj per altkvalita sCMOS.
Oftaj demandoj
Kio estas la minimuma ekspontempo por kadrotransigaj fotiloj?
Por ĉiuj sensiloj pri kadrotranslokigo, inkluzive de EMCCD-oj, la demando pri la minimuma ebla ekspontempo estas komplika. Por akiroj de unuopaj bildoj, la eksponado povas esti finita per tre rapida miksado de akiritaj ŝargoj en la maskitan regionon por legado, kaj mallongaj (submikrosekundaj) minimumaj ekspontempoj eblas.
Tamen, tuj kiam la fotilo fluas je plena rapideco, t.e. akiras plurajn kadrojn / filmon je plena bildfrekvenco, tuj kiam la unua bildo finas la eksponadon, la maskita regiono estas okupita de tiu kadro ĝis la legado finiĝas. La eksponado do ne povas finiĝi. Tio signifas, ke, sendepende de la ekspontempo petita en la programaro, la reala ekspontempo de postaj kadroj post la unua de plenrapida plurkadra akiro estas donita de la bildtempo, t.e. 1 / Bildfrekvenco, de la fotilo.
Ĉu sCMOS-teknologio anstataŭigas EMCCD-sensilojn?
EMCCD-fotiloj havis du specifojn, kiuj helpis konservi ilian avantaĝon en ekstreme malaltaj lumbildaj scenaroj (kun pintaj signalniveloj de 5 fotoelektronoj aŭ malpli). Unue, iliaj grandaj pikseloj, ĝis 16 μm, kaj due, ilia <1e-lega bruo.
Nova generacio desCMOS-fotiloaperis io, kio ofertas la samajn karakterizaĵojn, sen la multaj malavantaĝoj de EMCCD-oj, precipe la troan bruofaktoron. Fotiloj kiel la Aries 16 de Tucsen ofertas 16 μm malantaŭe lumigitajn pikselojn kun legbruo de 0.8e-. Kun malalta bruo kaj 'indiĝene' grandaj pikseloj, ĉi tiuj fotiloj ankaŭ superas la plej multajn grupigitajn sCMOS-fotilojn, pro la rilato inter grupigo kaj legbruo.
Se vi volas lerni pli pri EMCCD, bonvolu alklaki:
Ĉu la EMCCD povas esti anstataŭigita, kaj ĉu ni iam dezirus tion?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Ĉiuj rajtoj rezervitaj. Kiam vi citas, bonvolu agnoski la fonton:www.tucsen.com
