25.08.01Elektronkordistav CCD-sensor on CCD-sensori edasiarendus, mis võimaldab töötada hämaramal valgusel. Need on tavaliselt mõeldud signaalide jaoks, mis koosnevad mõnesajast fotoelektronist kuni üksikute footonite loendamise tasemeni.
See artikkel selgitab, mis on EMCCD-andurid, kuidas need toimivad, millised on nende eelised ja puudused ning miks neid peetakse CCD-tehnoloogia järgmiseks arenguks hämaras pildistamiseks.
Mis on EMCCD-andur?
Elektronkordistava laenguga sidestatud seadme (EMCCD) andur on spetsiaalne CCD-anduri tüüp, mis võimendab nõrku signaale enne nende väljalugemist, võimaldades äärmiselt suurt tundlikkust hämaras keskkonnas.
Algselt selliste rakenduste jaoks nagu astronoomia ja täiustatud mikroskoopia töötati välja elektromagnetilised sensorid (EMCCD), mis suudavad tuvastada üksikuid footoneid – ülesannet, millega traditsioonilised CCD-sensorid hädas on. See võime tuvastada üksikuid footoneid muudab EMCCD-d ülioluliseks valdkondades, mis nõuavad täpset pildistamist väga nõrga valguse korral.
Kuidas EMCCD andurid töötavad?
Kuni näiduni töötavad EMCCD-andurid samadel põhimõtetel kui CCD-andurid. Enne analoog-digimuunduriga mõõtmist korrutatakse tuvastatud laengud aga elektronide korrutusregistris protsessi abil, mida nimetatakse impaktionisatsiooniks. Mitmesaja sammu jooksul liigutatakse piksli laenguid kõrgepingel mööda maskeeritud pikslite jada. Igal elektronil on igal sammul võimalus kaasa tuua täiendavaid elektrone. Seega korrutatakse signaal eksponentsiaalselt.
Hästi kalibreeritud EMCCD lõpptulemuseks on võime valida täpne keskmise korrutuse suurus, mis hämaras töötamisel on tavaliselt umbes 300–400. See võimaldab tuvastatud signaale korrutada palju rohkem kui kaamera lugemismüra, vähendades seeläbi kaamera lugemismüra. Kahjuks tähendab selle korrutamisprotsessi stohhastiline olemus seda, et iga pikslit korrutatakse erineva suurusega, mis tekitab täiendava mürateguri, vähendades EMCCD signaali-müra suhet (SNR).
Siin on EMCCD-andurite tööpõhimõte. Kuni 6. sammuni on protsess sisuliselt sama, mis CCD-andurite puhul.
Joonis: EMCCD anduri näitude lugemisprotsess
Särituse lõpus liigutavad EMCCD-andurid kogutud laengud esmalt kiiresti maskeeritud pikslitest koosnevale massiivile, mille mõõtmed on samad kui valgustundlikul massiivil (kaadriülekanne). Seejärel liigutatakse laengud ridahaaval lugemisregistrisse. Veerghaaval edastatakse lugemisregistris olevad laengud korrutusregistrisse. Selle registri igal etapil (päris EMCCD-kaamerates kuni 1000 etappi) on igal elektronil väike võimalus vabastada täiendav elektron, korrutades signaali eksponentsiaalselt. Lõpuks loetakse korrutatud signaal välja.
1. Tasu kustutamineAndmete salvestamise alustamiseks tühjendatakse samaaegselt kogu sensor (globaalne katik).
2. Laengu kogunemineLaeng akumuleerub särituse ajal.
3. Laadimise salvestusruumPärast säritust viiakse kogutud laengud anduri maskeeritud alale, kus need saavad oodata lugemist ilma uute tuvastatud footonite loendamata. See on kaadriülekande protsess.
4. Järgmise kaadri säritus: Kui tuvastatud laengud on maskeeritud pikslitesse salvestatud, saavad aktiivsed pikslid alustada järgmise kaadri säritust (kattuvuse režiim).
5. NäiduprotsessÜks rida korraga, iga valmis kaadri rea eest liigutatakse laengud „lugemisregistrisse“.
6. Üks veerg korraga, iga piksli laengud suunatakse lugemissõlme.
7. Elektronide korrutamineSeejärel sisenevad kõik pikslist pärinevad elektronlaengud elektronide korrutusregistrisse ja liiguvad samm-sammult edasi, korrutudes igal sammul eksponentsiaalselt.
8. NäitADC loeb korrutatud signaali ja protsessi korratakse, kuni kogu kaader on loetud.
EMCCD-andurite plussid ja miinused
EMCCD andurite plussid
| Eelis | Kirjeldus |
| Fotonite loendamine | Tuvastab üksikuid fotoelektrone ülimadala lugemismüraga (<0,2e⁻), võimaldades tundlikkust üksikfootonite suhtes. |
| Ülimalt hämaras tundlikkus | Märkimisväärselt parem kui traditsioonilised CCD-d, edestades mõnikord isegi tipptasemel sCMOS-kaameraid väga nõrga valguse korral. |
| Nõrk tumevool | Sügavjahutus vähendab termilist müra, võimaldades pikkade säriaegadega pildistamist puhtamate piltidena. |
| 'Poolglobaalne' katik | Kaadriülekanne võimaldab peaaegu globaalset säritust väga kiire laengu nihkega (~1 mikrosekund). |
● Footonite loendaminePiisavalt suure elektronide paljunemise korral saab lugemismüra praktiliselt kõrvaldada (<0,2e-). See koos suure võimendusväärtuse ja peaaegu täiusliku kvantefektiivsusega tähendab, et üksikute fotoelektronide eristamine on võimalik.
● Ülimalt hämaras tundlikkusVõrreldes CCD-dega on EMCCD-de hämaras valguses toimivus oluliselt parem. Võib esineda rakendusi, kus EMCCD pakub madalaima võimaliku valgustaseme korral paremat tuvastusvõimet ja kontrasti isegi kui tipptasemel sCMOS-id.
● Nõrk tumevoolNagu CCD-de puhul, on ka EMCCD-d tavaliselt sügavjahutusega ja suudavad pakkuda väga madalaid tumevoolu väärtusi.
● „Poolglobaalne” katikKaadri edastusprotsess särituse alustamiseks ja lõpetamiseks ei ole tegelikult samaaegne, vaid võtab tavaliselt aega umbes 1 mikrosekundi.
EMCCD andurite miinused
| Puudus | Kirjeldus |
| Piiratud kiirus | Maksimaalne kaadrisagedus (~30 kaadrit sekundis 1 MP juures) on palju aeglasem kui tänapäevastel CMOS-alternatiividel. |
| Võimendusmüra | Elektronide paljunemise juhuslik olemus tekitab liigset müra, mis vähendab signaali-müra suhet. |
| Kella indutseeritud laeng (CIC) | Kiire laengu liikumine võib tekitada valesignaale, mis võimenduvad. |
| Vähendatud dünaamiline ulatus | Suur võimendus vähendab anduri maksimaalset signaali enne küllastumist. |
| Suur piksli suurus | Levinud pikslite suurused (13–16 μm) ei pruugi paljude optiliste süsteemide nõuetega ühtida. |
| Suur jahutusvajadus | Järjepideva korrutamise ja madala mürataseme saavutamiseks on vaja stabiilset sügavjahutust. |
| Kalibreerimisvajadused | Elektromagnetiline võimendus aja jooksul väheneb (kordumissuhtumine), mis nõuab regulaarset kalibreerimist. |
| Lühikese särituse ebastabiilsus | Väga lühikesed säritused võivad põhjustada ettearvamatut signaali võimendamist ja müra. |
| Kõrge hind | Kompleksne tootmine ja sügavjahutus muudavad need andurid sCMOS-ist kallimaks. |
| Piiratud eluiga | Elektronide korrutusregister kulub, tavaliselt kestab see 5–10 aastat. |
| Ekspordi väljakutsed | Võimalike sõjaliste rakenduste tõttu kehtivad ranged eeskirjad. |
● Piiratud kiirusKiired EMCCD-d pakuvad umbes 30 kaadrit sekundis 1 MP juures, mis on sarnane CCD-dega ja suurusjärkude võrra aeglasem kui CMOS-kaamerad.
● Müra sissejuhatusVõrreldes sama kvantefektiivsusega madala müratasemega sCMOS-kaameraga võib juhusliku elektronide paljunemise põhjustatud „liigne mürategur” anda EMCCD-dele signaali tasemest olenevalt oluliselt suurema müra. Tipptasemel sCMOS-i signaali-müra suhe on tavaliselt parem umbes 3e- signaalide puhul, veelgi enam tugevamate signaalide puhul.
● Kella indutseeritud laeng (CIC)Kui laengute liikumist sensoril hoolikalt ei kontrollita, võib see pikslitesse täiendavaid elektrone lisada. Seejärel korrutatakse see müra elektronide korrutusregistriga. Suurem laengute liikumiskiirus (taktsagedus) toob kaasa suurema kaadrisageduse, kuid rohkem CIC-d.
● Vähendatud dünaamiline ulatusEMCCD lugemismüra ületamiseks vajalikud väga suured elektronide korrutamise väärtused vähendavad dünaamilist ulatust oluliselt.
● Suur piksli suurusEMCCD-kaamerate väikseim levinud piksli suurus on 10 μm, kuid kõige levinum on 13 või 16 μm. See on enamiku optiliste süsteemide eraldusvõime nõuete täitmiseks liiga suur.
● KalibreerimisnõudedElektronide paljunemisprotsess kulutab elektromagnetilist registrit kasutamise käigus, vähendades selle võimet paljuneda protsessis, mida nimetatakse elektronide paljunemise lagunemiseks. See tähendab, et kaamera võimendus muutub pidevalt ja kaamera vajab kvantitatiivse pildistamise tegemiseks regulaarset kalibreerimist.
● Ebajärjekindel säritus lühikestel aegadelVäga lühikeste säriaegade kasutamisel võivad EMCCD-kaamerad anda vastuolulisi tulemusi, kuna nõrk signaal summutatakse müraga ja võimendusprotsess põhjustab statistilisi kõikumisi.
● Suur jahutusvajadusElektronide paljunemisprotsessi mõjutab tugevalt temperatuur. Anduri jahutamine suurendab saadaolevat elektronide paljunemist. Seetõttu on anduri sügav jahutamine, säilitades samal ajal temperatuuri stabiilsuse, EMCCD mõõtmiste reprodutseeritavuse seisukohalt kriitilise tähtsusega.
● Kõrge hindNende mitmekomponendiliste andurite valmistamise keerukus koos sügava jahutusega viib hindadeni, mis on tavaliselt kõrgemad kui kõrgeima kvaliteediga sCMOS-anduriga kaameratel.
● Piiratud eluigaElektronide paljunemise lagunemine seab nende kallite andurite eluea piiranguks tavaliselt 5–10 aastat, olenevalt kasutusastmest.
● Ekspordi väljakutsedElektromagnetilise ühilduvusega (EMCD) andurite import ja eksport on logistiliselt keeruline, kuna neid on võimalik kasutada sõjalistes rakendustes.
Miks on EMCCD CCD järeltulija?
| Funktsioon | CCD | Elektroonika- ja sidetehnoloogia komitee |
| Tundlikkus | Kõrge | Ülikõrge (eriti hämaras) |
| Näidu müra | Mõõdukas | Äärmiselt madal (võimenduse tõttu) |
| Dünaamiline ulatus | Kõrge | Mõõdukas (võimenduse poolt piiratud) |
| Maksumus | Alumine | Kõrgem |
| Jahutus | Valikuline | Tavaliselt vajalik optimaalse jõudluse saavutamiseks |
| Kasutusjuhud | Üldine pildistamine | Hämaras, ühe footoni tuvastamine |
EMCCD-andurid tuginevad traditsioonilisele CCD-tehnoloogiale, lisades elektronide korrutamise etapi. See suurendab nõrkade signaalide võimendamise ja müra vähendamise võimet, muutes EMCCD-d eelistatud valikuks äärmiselt hämaras valguses pildistamise rakenduste jaoks, kus CCD-andurid jäävad alla ootuste.
EMCCD andurite peamised rakendused
EMCCD-andureid kasutatakse tavaliselt teadus- ja tööstusvaldkondades, mis nõuavad suurt tundlikkust ja nõrkade signaalide tuvastamise võimet:
● Eluteaduste kujutlusvõimeg: Selliste rakenduste jaoks nagu ühemolekulaarne fluorestsentsmikroskoopia ja täieliku sisemise peegelduse fluorestsentsmikroskoopia (TIRF).
● Astronoomia: Kasutatakse kaugete tähtede, galaktikate ja eksoplaneetide uurimiseks nõrga valguse püüdmiseks.
● KvantoptikaFootonite põimumise ja kvantinformatsiooni katsete jaoks.
● Kohtuekspertiis ja turvalisusKasutatakse hämaras jälgimisel ja jälgede analüüsimisel.
● SpektroskoopiaRamani spektroskoopias ja madala intensiivsusega fluorestsentsi detekteerimises.
Millal peaksite valima EMCCD-anduri?
CMOS-sensorite viimaste aastate täiustustega on EMCCD-sensorite lugemismüra eelis vähenenud, kuna nüüd on isegi sCMOS-kaamerad võimelised taluma subelektronset lugemismüra lisaks paljudele muudele eelistele. Kui rakenduses on varem kasutatud EMCCD-sid, tasub üle vaadata, kas see on sCMOS-i arengut arvestades parim valik.
Ajalooliselt suutsid EMCCD-d siiski edukamalt footonite loendamist teostada koos mõne teise niširakendusega, mille tüüpilised signaalitasemed olid tipphetkel alla 3–5 e- piksli kohta. Kuigi suuremate pikslite suuruste ja subelektronide lugemismüra tõttu on see muutunud kättesaadavaks...teaduskaameradsCMOS-tehnoloogial põhinevalt on võimalik, et ka neid rakendusi hakatakse peagi tipptasemel sCMOS-iga teostama.
KKK
Milline on kaadriülekandega kaamerate minimaalne säriaeg?
Kõigi kaadriülekande sensorite, sealhulgas elektromagnetilise kiirgusega sensorite (EMCD) puhul on minimaalse võimaliku säriaja küsimus keeruline. Üksikute piltide omandamise korral saab särituse lõpetada, liigutades omandatud laengud väga kiiresti maskeeritud piirkonda lugemiseks ning võimalikud on lühikesed (alla mikrosekundi pikkused) minimaalsed säriajad.
Niipea kui kaamera aga voogesitab täiskiirusel, st omandab mitu kaadrit / filmi täiskaadrisagedusega ja niipea kui esimese pildi säritus on lõppenud, hõivab maskeeritud ala selle kaadriga, kuni lugemine on lõppenud. Seega ei saa säritus lõppeda. See tähendab, et olenemata tarkvaras nõutud säritusajast, määratakse täiskiirusel mitme kaadriga jäädvustatud esimesele kaadrile järgnevate kaadrite tegelik säritusaeg kaamera kaadriaja järgi, st 1 / kaadrisagedus.
Kas sCMOS-tehnoloogia asendab EMCCD-andureid?
EMCCD-kaameratel oli kaks spetsifikatsiooni, mis aitasid säilitada nende eelise äärmiselt hämaras pildistamise stsenaariumides (tippsignaali tasemega 5 fotoelektroni või vähem). Esiteks suured pikslid, kuni 16 μm, ja teiseks <1e lugemismüra.
Uus põlvkondsCMOS-kaameraon ilmunud kaamera, mis pakub samu omadusi ilma EMCCD-de arvukate puudusteta, eriti liigse mürategurita. Kaamerad, näiteks Tucseni Aries 16, pakuvad 16 μm taustvalgustusega piksleid, mille lugemismüra on 0,8e-. Madala mürataseme ja „loomulikult” suurte pikslitega edestavad need kaamerad ka enamikku lahtiühendatud sCMOS-kaameraid lahtiühendatud lugemismüra ja lahtiühendamise vahelise seose tõttu.
Kui soovite EMCCD kohta rohkem teada saada, klõpsake siin:
Kas EMCCD-d saab asendada ja kas me seda kunagi tahaksime?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Kõik õigused kaitstud. Tsiteerides palun viidata allikale:www.tucsen.com
