2001/08/25Elektroi-biderkatzaile CCD sentsorea CCD sentsorearen eboluzio bat da, argi gutxiagoko funtzionamendua ahalbidetzeko. Normalean ehunka fotoelektroi gutxi batzuetako seinaleetarako pentsatuta daude, fotoi indibidualen zenbaketa mailaraino.
Artikulu honek EMCCD sentsoreak zer diren, nola funtzionatzen duten, haien abantailak eta desabantailak azaltzen ditu, eta zergatik hartzen diren CCD teknologiaren hurrengo bilakaera argi gutxiko irudietarako.
Zer da EMCCD sentsore bat?
Elektroi-biderkatzeko karga-akoplatutako gailu elektronikoa (EMCCD) sentsore bat CCD sentsore mota espezializatu bat da, seinale ahulak irakurri aurretik anplifikatzen dituena, argi gutxiko inguruneetan sentikortasun oso handia ahalbidetuz.
Hasieran astronomia eta mikroskopia aurreratua bezalako aplikazioetarako garatu ziren EMCCDek fotoi bakarrak detektatu ditzakete, CCD sentsore tradizionalek zailtasunak dituzten zeregina. Fotoi bakarrak detektatzeko gaitasun honek EMCCDak funtsezkoak bihurtzen ditu argi-maila oso baxuetan irudi zehatzak behar dituzten eremuetarako.
Nola funtzionatzen dute EMCCD sentsoreek?
Irakurketa punturaino, EMCCD sentsoreek CCD sentsoreen printzipio berberekin funtzionatzen dute. Hala ere, ADCarekin neurtu aurretik, detektatutako kargak inpaktationizazio izeneko prozesu baten bidez biderkatzen dira, 'elektroi biderketa erregistro' batean. Ehunka urratsez, pixel bateko kargak tentsio handiko pixel maskaratuen serie batean zehar mugitzen dira. Urrats bakoitzeko elektroi bakoitzak elektroi gehigarriak ekartzeko aukera du. Beraz, seinalea esponentzialki biderkatzen da.
EMCCD ondo kalibratu baten azken emaitza batez besteko biderketa kopuru zehatz bat aukeratzeko gaitasuna da, normalean 300 eta 400 inguru argi gutxiko lanetarako. Horri esker, detektatutako seinaleak kameraren irakurketa zarata baino askoz gehiago biderkatu daitezke, eta, ondorioz, kameraren irakurketa zarata murriztu. Zoritxarrez, biderketa prozesu honen izaera estokastikoak esan nahi du pixel bakoitza kopuru desberdin batez biderkatzen dela, eta horrek zarata faktore gehigarri bat sartzen du, EMCCDaren seinale-zarata erlazioa (SNR) murriztuz.
Hona hemen EMCCD sentsoreek nola funtzionatzen duten azalpen bat. 6. urratsera arte, prozesua CCD sentsoreekin gertatzen denaren berdina da funtsean.
Irudia: EMCCD sentsorearen irakurketa prozesua
Esposizioaren amaieran, EMCCD sentsoreek lehenik bildutako kargak azkar mugitzen dituzte argi-sentikorreko matricearen dimentsio berdinak dituen pixelen maskaratze-multzo batera (fotograma-transferentzia). Ondoren, errenkada bana, kargak irakurketa-erregistro batera mugitzen dira. Zutabe bana, irakurketa-erregistroko kargak biderketa-erregistro batera pasatzen dira. Erregistro honen etapa bakoitzean (EMCCD kameretan 1000 etapa arte), elektroi bakoitzak aukera txiki bat du elektroi gehigarri bat askatzeko, seinalea esponentzialki biderkatuz. Amaieran, biderkatutako seinalea irakurtzen da.
1. Kargu-garbiketaEskuratzea hasteko, karga sentsore osotik aldi berean kentzen da (obturadore globala).
2. Karga-metaketaKarga metatzen da esposizioan zehar.
3. Karga-biltegiratzeaEsposizioaren ondoren, bildutako kargak sentsorearen eremu maskaratu batera eramaten dira, eta han irakurketa itxaron dezakete fotoi berriak detektatu gabe. Hau da 'Fotograma Transferentzia' prozesua.
4. Hurrengo fotogramako esposizioaDetektatutako kargak pixel maskaradunetan gordeta daudenez, pixel aktiboek hurrengo fotograma esposizioa has dezakete (gainjartze modua).
5. Irakurketa prozesuaErrenkada bana, amaitutako markoaren errenkada bakoitzeko kargak 'irakurketa-erregistro' batera mugitzen dira.
6. Zutabe bana aldi berean, pixel bakoitzeko kargak irakurketa-nodora bidaltzen dira.
7. Elektroi BiderketaOndoren, pixeleko elektroi-karga guztiak elektroi-biderketa erregistroan sartzen dira, eta pausoz pauso mugitzen dira, urrats bakoitzean esponentzialki biderkatuz.
8. IrakurketaSeinale biderkatua ADC-k irakurtzen du, eta prozesua errepikatzen da fotograma osoa irakurri arte.
EMCCD sentsoreen alde onak eta txarrak
EMCCD sentsoreen alde onak
| Abantaila | Deskribapena |
| Fotoien zenbaketa | Irakurketa-zarata ultra-baxuarekin (<0.2e⁻) fotoelektroi indibidualak detektatzen ditu, fotoi bakarreko sentikortasuna ahalbidetuz. |
| Argi ultra-baxuko sentikortasuna | CCD tradizionalak baino nabarmen hobea, batzuetan goi-mailako sCMOS kamerak ere gaindituz argi-maila oso baxuetan. |
| Iluntasun-korronte baxua | Hozte sakonak zarata termikoa murrizten du, esposizio luzeetan irudi garbiagoak ahalbidetuz. |
| 'Erdi-Global' Obturadorea | Fotograma-transferentziak esposizio ia globala ahalbidetzen du karga-aldaketa oso azkarrarekin (~ 1 mikrosegundo). |
● Fotoien zenbaketaElektroi-biderkadura nahikoa altua bada, irakurketa-zaratak ia erabat ezabatu daitezke (<0.2e-). Horrek, irabazi-balio handiarekin eta eraginkortasun kuantiko ia perfektuarekin batera, esan nahi du fotoelektroi indibidualak bereiztea posible dela.
● Argi ultra-baxuko sentikortasunaCCDekin alderatuta, EMCCDen errendimendua argi gutxiko egoeretan askoz hobea da. Baliteke aplikazio batzuetan EMCCDk detekzio gaitasun eta kontraste hobea eskaintzen duela, goi-mailako sCMOSek baino argitasun maila baxuenetan ere.
● Iluntasun-korronte baxuaCCDak bezala, EMCCDak normalean sakon hoztu ohi dira eta iluntasun-korrontearen balio oso baxuak eman ditzakete.
● 'Erdi Globala' ObturadoreaEsposizioa hasteko eta amaitzeko fotograma-transferentzia prozesua ez da benetan aldiberekoa, baina normalean mikrosegundo 1 ingurukoa izaten da.
EMCCD sentsoreen alde txarrak
| Desabantaila | Deskribapena |
| Abiadura Mugatua | Fotograma-tasa maximoak (~30 fps 1 MP-tan) CMOS alternatiba modernoenak baino askoz motelagoak dira. |
| Anplifikazio-zarata | Elektroi biderketaren ausazko izaerak gehiegizko zarata sartzen du, SNR murriztuz. |
| Erlojuak eragindako karga (CIC) | Karga-mugimendu azkarrak anplifikatuko diren seinale faltsuak sor ditzake. |
| Barruti Dinamiko Murriztua | Irabazi handiak sentsoreak saturatu aurretik kudea dezakeen gehienezko seinalea murrizten du. |
| Pixel tamaina handia | Ohiko pixelen tamainak (13–16 μm) agian ez dira bat etorriko sistema optiko askoren eskakizunekin. |
| Hozte-behar handia | Biderketa koherentea eta zarata txikia lortzeko, hozte sakon eta egonkorra behar da. |
| Kalibrazio beharrak | EM irabazia denboran zehar degradatzen da (biderketa-gainbehera), eta kalibrazio erregularra behar da. |
| Esposizio Laburreko Ezegonkortasuna | Esposizio oso laburrek seinalearen anplifikazio eta zarata aurreikusezinak sor ditzakete. |
| Kostu handia | Fabrikazio konplexuak eta hozte sakonak sentsore hauek sCMOS baino garestiagoak egiten dituzte. |
| Bizitza mugatua | Elektroi biderketa erregistroa higatu egiten da, normalean 5-10 urte irauten du. |
| Esportazio erronkak | Aplikazio militar potentzialak direla eta, araudi zorrotzen menpe dago. |
● Abiadura MugatuaEMCCD azkarrek 30 fps inguru ematen dituzte 1 MP-tan, CCDen antzekoak, CMOS kamerek baino magnitude ordena askoz motelagoak.
● Zarata SarreraAusazko elektroien biderketa elektrikoak eragindako 'gehiegizko zarata faktoreak', eraginkortasun kuantiko bera duen zarata gutxiko sCMOS kamera batekin alderatuta, zarata askoz handiagoa eman diezaieke EMCCDei seinale mailen arabera. Goi-mailako sCMOS-en SNR normalean hobea da 3e- inguruko seinaleetarako, are gehiago seinale altuagoetarako.
● Erlojuak eragindako karga (CIC)Kontu handiz kontrolatzen ez bada, sentsorearen zeharreko kargen mugimenduak elektroi gehigarriak sar ditzake pixeletan. Zarata hori elektroien biderketa erregistroarekin biderkatzen da. Karga mugimendu abiadura handiagoek (erloju-tasak) fotograma-tasa handiagoak dakartzate, baina CIC gehiago.
● Barruti dinamiko murriztuaEMCCD irakurketa-zarata gainditzeko behar diren elektroi-biderketa balio oso altuek tarte dinamikoa askoz txikiagoa dakar.
● Pixel tamaina handiaEMCCD kameretarako pixel-tamaina txikiena 10 μm da, baina 13 edo 16 μm da ohikoena. Tamaina hori handiegia da sistema optiko gehienen bereizmen-eskakizunak betetzeko.
● Kalibrazio-eskakizunakElektroi biderketa prozesuak EM erregistroa higatzen du erabilerarekin, eta horrek biderkatzeko duen gaitasuna murrizten du, 'elektroi biderketa gainbehera' izeneko prozesu batean. Horrek esan nahi du kameraren irabazia etengabe aldatzen ari dela, eta kamerak aldizka kalibrazioa behar duela edozein irudi kuantitatiboa egiteko.
● Esposizio ez-koherentea denbora laburretanEsposizio-denbora oso laburrak erabiltzean, EMCCD kamerek emaitza koherenteak eman ditzakete, seinale ahula zaratak gainezka egiten duelako eta anplifikazio-prozesuak gorabehera estatistikoak sortzen dituelako.
● Hozte-behar handiaElektroien biderketa prozesua tenperaturak eragin handia du. Sentsorea hozteak eskuragarri dagoen elektroien biderketa handitzen du. Beraz, sentsorea sakonki hoztea, tenperaturaren egonkortasuna mantenduz, funtsezkoa da EMCCD neurketa erreproduzigarriak egiteko.
● Kostu handiaOsagai anitzeko sentsore hauek fabrikatzeko zailtasunak, hozte sakonarekin batera, sCMOS sentsore-kamerek baino prezio altuagoak izatea dakar normalean.
● Bizitza mugatuaElektroiaren biderketa desintegrazioak sentsore garesti hauen bizitza mugatzen du, normalean 5-10 urtekoa, erabilera-mailaren arabera.
● Esportazio erronkakEMCCD sentsoreen inportazioa eta esportazioa logistikoki erronka handia izan ohi da aplikazio militarretan erabil daitezkeelako.
Zergatik den EMCCD CCDren ondorengoa
| Ezaugarria | CCD | EMCCD |
| Sentikortasuna | Altua | Ultra-altua (batez ere argi gutxikoa) |
| Irakurketa-zarata | Moderatua | Oso baxua (irabaziagatik) |
| Barruti dinamikoa | Altua | Moderatua (irabaziak mugatua) |
| Kostua | Beheko | Goiago |
| Hoztea | Aukerakoa | Normalean errendimendu optimoa lortzeko beharrezkoa da |
| Erabilera kasuak | Irudi orokorra | Argi gutxiko fotoi bakarreko detekzioa |
EMCCD sentsoreek CCD teknologia tradizionalean oinarritzen dira, elektroien biderketa-urrats bat txertatuz. Horrek seinale ahulak anplifikatzeko eta zarata murrizteko gaitasuna hobetzen du, eta EMCCDak aukera hobetsia bihurtzen ditu argitasun oso gutxiko irudi-aplikazioetarako, non CCD sentsoreek huts egiten duten.
EMCCD sentsoreen aplikazio nagusiak
EMCCD sentsoreak normalean sentsibilitate handia eta seinale ahulak detektatzeko gaitasuna behar duten zientzia eta industria arloetan erabiltzen dira:
● Bizitzaren Zientziaren Irudiag: Molekula bakarreko fluoreszentzia mikroskopia eta barne islapen osoko fluoreszentzia (TIRF) mikroskopia bezalako aplikazioetarako.
● Astronomia: Izar urrunen, galaxien eta exoplaneten ikerketaren argi ahula harrapatzeko erabiltzen da.
● Optika kuantikoaFotoi-korapilo eta informazio kuantikoaren esperimentuetarako.
● Auzitegi-ikerketa eta segurtasunaArgi gutxiko zaintzan eta arrastoen analisian erabiltzen da.
● EspektroskopiaRaman espektroskopian eta intentsitate baxuko fluoreszentzia detekzioan.
Noiz aukeratu behar duzu EMCCD sentsore bat?
Azken urteotan CMOS sentsoreetan izandako hobekuntzekin, EMCCD sentsoreen irakurketa-zarata abantaila gutxitu egin da, sCMOS kamerek ere gai baitira azpielektroien irakurketa-zarata egiteko, beste abantaila ugarirekin batera. Aplikazio batek lehenago EMCCDak erabili baditu, merezi du berrikustea ea aukerarik onena den sCMOSen garapenak kontuan hartuta.
Historikoki, EMCCDek fotoien zenbaketa arrakastatsuago egin zezaketen oraindik, beste nitxo-aplikazio batzuekin batera, pixel bakoitzeko 3-5e- baino seinale-maila tipikoak gailurrean baino txikiagoak baitziren. Hala ere, pixel-tamaina handiagoekin eta azpielektroien irakurketa-zarata eskuragarri bihurtu direnez...kamera zientifikoaksCMOS teknologian oinarrituta, posible da aplikazio hauek ere laster goi-mailako sCMOSekin egin ahal izatea.
Maiz egiten diren galderak
Zein da fotograma-transferentziako kamerentzako esposizio-denbora minimoa?
Fotograma-transferentzia sentsore guztientzat, EMCCDak barne, esposizio-denbora minimoaren gaia konplexua da. Irudi bakarreko eskurapenetarako, esposizioa amaitu daiteke eskuratutako kargak maskaratuta dagoen eskualdean nahastuz, irakurtzeko oso azkar, eta esposizio-denbora minimo laburrak (mikrosegundo azpikoak) posible dira.
Hala ere, kamera abiadura osoan erreproduzitzen hasten denean, hau da, hainbat fotograma / film bat fotograma-tasa osoan eskuratzen hasten denean, lehenengo irudia esposizioa amaitzen denean, maskaradun eskualdea fotograma horrek okupatzen du irakurketa amaitu arte. Beraz, esposizioa ezin da amaitu. Horrek esan nahi du, softwarean eskatutako esposizio-denbora edozein dela ere, abiadura osoko hainbat fotograma eskuratzearen lehenengoaren ondorengo fotogramen benetako esposizio-denbora kameraren fotograma-denborak ematen duela, hau da, 1 / Fotograma-tasak.
sCMOS teknologiak EMCCD sentsoreak ordezkatzen ari al da?
EMCCD kamerek bi zehaztapen zituzten, argitasun gutxiko irudi-eszenatokietan (5 fotoelektroi edo gutxiagoko seinale-maila maximoekin) abantaila mantentzen laguntzen zietenak. Lehenik eta behin, 16 μm-ko pixel handiak zituzten, eta bigarrenik, 1e- irakurketa-zarata baino txikiagoa zutenak.
Belaunaldi berri batsCMOS kameraezaugarri berdinak eskaintzen dituen beste kamera bat sortu da, EMCCD-en eragozpen ugari gabe, batez ere zarata gehiegizko faktorea. Tucsen-eko Aries 16 bezalako kamerek 16 μm-ko atzetik argiztatutako pixelak eskaintzen dituzte, 0,8e--ko irakurketa-zaratarekin. Zarata txikia eta 'nazionalki' pixel handiak dituztenez, kamera hauek sCMOS kamera gehienak baino errendimendu hobea dute, binatzearen eta irakurketa-zarataren arteko erlazioagatik.
EMCCDri buruz gehiago jakin nahi baduzu, egin klik hemen:
Ordezkatu al daiteke EMCCD eta inoiz nahi izango al genuke hori?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Eskubide guztiak erreserbatuta. Aipatzen duzunean, aipatu iturria:www.tucsen.com
