۲۵/۰۸/۰۱حسگر CCD ضرب‌کننده الکترون، تکامل حسگر CCD است که امکان عملکرد در نور کمتر را فراهم می‌کند. آنها معمولاً برای سیگنال‌های چند صد فوتوالکترون، تا سطح شمارش فوتون‌های منفرد، در نظر گرفته شده‌اند.
این مقاله توضیح می‌دهد که حسگرهای EMCCD چیستند، چگونه کار می‌کنند، مزایا و معایب آنها چیست و چرا به عنوان تکامل بعدی فناوری CCD برای تصویربرداری در نور کم در نظر گرفته می‌شوند.
سنسور EMCCD چیست؟
حسگر EMCCD (دستگاه جفت‌شده با بار ضرب‌کننده الکترون) نوع خاصی از حسگر CCD است که سیگنال‌های ضعیف را قبل از خوانده شدن تقویت می‌کند و امکان حساسیت بسیار بالا در محیط‌های کم‌نور را فراهم می‌کند.
حسگرهای EMCCD که در ابتدا برای کاربردهایی مانند نجوم و میکروسکوپی پیشرفته توسعه داده شده بودند، می‌توانند فوتون‌های تکی را تشخیص دهند، وظیفه‌ای که حسگرهای CCD سنتی با آن مشکل دارند. این توانایی در تشخیص فوتون‌های تکی، EMCCDها را برای زمینه‌هایی که نیاز به تصویربرداری دقیق در سطوح بسیار پایین نور دارند، بسیار مهم می‌کند.
سنسورهای EMCCD چگونه کار می‌کنند؟
سنسورهای EMCCD تا نقطه بازخوانی، بر اساس همان اصول سنسورهای CCD عمل می‌کنند. با این حال، قبل از اندازه‌گیری با ADC، بارهای شناسایی شده از طریق فرآیندی به نام impactionization، در یک «رجیستر ضرب الکترون» ضرب می‌شوند. در طی یک سری چند صد مرحله‌ای، بارهای یک پیکسل در امتداد یک سری پیکسل‌های ماسک شده با ولتاژ بالا حرکت می‌کنند. هر الکترون در هر مرحله شانس همراه آوردن الکترون‌های اضافی را دارد. بنابراین سیگنال به صورت نمایی ضرب می‌شود.
نتیجه نهایی یک EMCCD کالیبره شده، توانایی انتخاب مقدار دقیقی از میانگین ضرب است که معمولاً حدود ۳۰۰ تا ۴۰۰ برای کار در نور کم است. این امر باعث می‌شود سیگنال‌های شناسایی شده بسیار بیشتر از نویز خوانش دوربین ضرب شوند و در واقع نویز خوانش دوربین کاهش یابد. متأسفانه، ماهیت تصادفی این فرآیند ضرب به این معنی است که هر پیکسل در مقدار متفاوتی ضرب می‌شود که یک عامل نویز اضافی ایجاد می‌کند و نسبت سیگنال به نویز (SNR) EMCCD را کاهش می‌دهد.
در اینجا به تفصیل نحوه عملکرد سنسورهای EMCCD آمده است. تا مرحله 6، روند کار عملاً مشابه سنسورهای CCD است.
شکل: فرآیند بازخوانی برای حسگر EMCCD
حسگرهای EMCCD در پایان نوردهی خود، ابتدا بارهای جمع‌آوری‌شده را به سرعت به یک آرایه ماسک‌شده از پیکسل‌ها با ابعادی مشابه آرایه حساس به نور منتقل می‌کنند (انتقال فریم). سپس، یک ردیف در هر زمان، بارها به یک رجیستر بازخوانی منتقل می‌شوند. یک ستون در هر زمان، بارهای درون رجیستر بازخوانی به یک رجیستر ضرب منتقل می‌شوند. در هر مرحله از این رجیستر (تا ۱۰۰۰ مرحله در دوربین‌های واقعی EMCCD)، هر الکترون شانس کمی برای آزاد کردن یک الکترون اضافی دارد که سیگنال را به صورت نمایی ضرب می‌کند. در پایان، سیگنال ضرب‌شده خوانده می‌شود.
1. تسویه حساببرای شروع تصویربرداری، بار الکتریکی به طور همزمان از کل حسگر (شاتر سراسری) پاک می‌شود.
2. تجمع بار: بار در طول نوردهی جمع می‌شود.
3. ذخیره سازی شارژپس از نوردهی، بارهای جمع‌آوری‌شده به ناحیه‌ای پوشیده از حسگر منتقل می‌شوند، جایی که می‌توانند بدون شمارش فوتون‌های جدید، منتظر بازخوانی بمانند. این فرآیند «انتقال فریم» است.
4. نوردهی فریم بعدی: با بارهای شناسایی شده ذخیره شده در پیکسل‌های پوشانده شده، پیکسل‌های فعال می‌توانند نوردهی فریم بعدی را آغاز کنند (حالت همپوشانی).
5. فرآیند بازخوانی: هر بار یک ردیف، بارهای مربوط به هر ردیف از قاب نهایی به یک «رجیستر بازخوانی» منتقل می‌شوند.
۶. هر بار یک ستون، بارهای هر پیکسل به گره قرائت منتقل می‌شوند.
7. تکثیر الکتروندر مرحله بعد، تمام بارهای الکترونی از پیکسل وارد رجیستر ضرب الکترون می‌شوند و گام به گام حرکت می‌کنند و در هر مرحله به صورت نمایی در تعداد ضرب می‌شوند.
8. بازخوانیسیگنال ضرب شده توسط ADC خوانده می‌شود و این فرآیند تا زمانی که کل فریم خوانده شود، تکرار می‌شود.
مزایا و معایب سنسورهای EMCCD
مزایای سنسورهای EMCCD
| مزیت | توضیحات |
| شمارش فوتون | فوتوالکترون‌های منفرد را با نویز خوانش بسیار پایین (<0.2e⁻) تشخیص می‌دهد و حساسیت تک فوتونی را ممکن می‌سازد. |
| حساسیت به نور بسیار کم | به طور قابل توجهی بهتر از CCD های سنتی، و گاهی اوقات حتی از دوربین های sCMOS رده بالا در سطوح بسیار کم نور پیشی می گیرد. |
| جریان تاریک پایین | خنک‌سازی عمیق نویز حرارتی را کاهش می‌دهد و امکان تصاویر واضح‌تر را در طول نوردهی‌های طولانی فراهم می‌کند. |
| شاتر «نیمه سراسری» | انتقال فریم امکان نوردهی تقریباً سراسری را با تغییر بار بسیار سریع (حدود ۱ میکروثانیه) فراهم می‌کند. |
● شمارش فوتون: با ضرب الکترون به اندازه کافی بالا، نویز خوانش عملاً قابل حذف است (<0.2e-). این، در کنار مقدار بهره بالا و راندمان کوانتومی تقریباً کامل، به این معنی است که تشخیص فوتوالکترون‌های منفرد امکان‌پذیر است.
● حساسیت به نور بسیار کمدر مقایسه با CCDها، عملکرد EMCCDها در نور کم به طور چشمگیری بهتر است. ممکن است کاربردهایی وجود داشته باشد که در آنها EMCCD قابلیت تشخیص و کنتراست بهتری حتی نسبت به sCMOSهای رده بالا در کمترین سطح نور ممکن ارائه دهد.
● جریان تاریک کمهمانند CCDها، EMCCDها معمولاً به شدت خنک می‌شوند و قادر به ارائه مقادیر جریان تاریک بسیار پایینی هستند.
● شاتر «نیمه سراسری»فرآیند انتقال فریم برای شروع و پایان نوردهی واقعاً همزمان نیست، اما معمولاً حدود ۱ میکروثانیه طول می‌کشد.
معایب سنسورهای EMCCD
| نقطه ضعف | توضیحات |
| سرعت محدود | حداکثر نرخ فریم (حدود 30 فریم در ثانیه با وضوح 1 مگاپیکسل) بسیار کندتر از جایگزین‌های مدرن CMOS است. |
| نویز تقویت | ماهیت تصادفی تکثیر الکترون، نویز اضافی ایجاد می‌کند و SNR را کاهش می‌دهد. |
| بار القایی ساعت (CIC) | حرکت سریع شارژ می‌تواند سیگنال‌های کاذبی ایجاد کند که تقویت می‌شوند. |
| محدوده دینامیکی کاهش یافته | بهره بالا، حداکثر سیگنالی را که حسگر می‌تواند قبل از اشباع شدن مدیریت کند، کاهش می‌دهد. |
| اندازه پیکسل بزرگ | اندازه‌های رایج پیکسل (۱۳ تا ۱۶ میکرومتر) ممکن است با بسیاری از الزامات سیستم‌های نوری مطابقت نداشته باشند. |
| نیاز به خنک‌سازی سنگین | برای دستیابی به ضرب یکنواخت و نویز کم، خنک‌سازی عمیق و پایدار مورد نیاز است. |
| نیازهای کالیبراسیون | بهره EM با گذشت زمان کاهش می‌یابد (کاهش ضرب)، و نیاز به کالیبراسیون منظم دارد. |
| ناپایداری در معرض قرار گرفتن در معرض کوتاه مدت | قرار گرفتن در معرض بسیار کوتاه می‌تواند باعث تقویت سیگنال و نویز غیرقابل پیش‌بینی شود. |
| هزینه بالا | تولید پیچیده و خنک‌سازی عمیق، این حسگرها را گران‌تر از sCMOS می‌کند. |
| طول عمر محدود | رجیستر ضرب الکترون فرسوده می‌شود و معمولاً ۵ تا ۱۰ سال دوام می‌آورد. |
| چالش‌های صادرات | به دلیل کاربردهای بالقوه نظامی، مشمول مقررات سختگیرانه‌ای است. |
● سرعت محدوددوربین‌های EMCCD سریع، حدود 30 فریم در ثانیه را با وضوح 1 مگاپیکسل ارائه می‌دهند، مشابه CCDها، اما چندین برابر کندتر از دوربین‌های CMOS.
● مقدمه نویز«ضریب نویز اضافی» ناشی از تکثیر تصادفی الکترون‌ها، در مقایسه با یک دوربین sCMOS کم‌نویز با راندمان کوانتومی یکسان، می‌تواند بسته به سطح سیگنال، نویز بسیار بالاتری به EMCCDها بدهد. SNR برای sCMOSهای رده بالا معمولاً برای سیگنال‌های حدود 3e- بهتر است، و این موضوع برای سیگنال‌های بالاتر حتی بیشتر هم صدق می‌کند.
● شارژ القایی ساعت (CIC)اگر حرکت بارها در حسگر به دقت کنترل نشود، می‌تواند الکترون‌های اضافی را به پیکسل‌ها وارد کند. سپس این نویز توسط رجیستر ضرب الکترون ضرب می‌شود. سرعت بالاتر حرکت بار (نرخ کلاک) منجر به نرخ فریم بالاتر، اما CIC بیشتر می‌شود.
● محدوده دینامیکی کاهش یافتهمقادیر بسیار بالای ضرب الکترونی مورد نیاز برای غلبه بر نویز خوانش EMCCD منجر به کاهش بسیار زیاد محدوده دینامیکی می‌شود.
● اندازه پیکسل بزرگکوچکترین اندازه پیکسل رایج برای دوربین‌های EMCCD، ۱۰ میکرومتر است، اما ۱۳ یا ۱۶ میکرومتر رایج‌ترین آنهاست. این اندازه برای مطابقت با الزامات وضوح اکثر سیستم‌های نوری بسیار بزرگ است.
● الزامات کالیبراسیونفرآیند تکثیر الکترون، رجیستر EM را در طول استفاده فرسوده می‌کند و توانایی تکثیر آن را در فرآیندی به نام «زوال تکثیر الکترون» کاهش می‌دهد. این بدان معناست که بهره دوربین دائماً در حال تغییر است و دوربین برای انجام هرگونه تصویربرداری کمی نیاز به کالیبراسیون منظم دارد.
● نوردهی نامنظم در زمان‌های کوتاههنگام استفاده از زمان‌های نوردهی بسیار کوتاه، دوربین‌های EMCCD ممکن است نتایج متناقضی ارائه دهند زیرا سیگنال ضعیف تحت الشعاع نویز قرار می‌گیرد و فرآیند تقویت، نوسانات آماری را ایجاد می‌کند.
● نیاز به خنک‌کننده‌ی سنگینفرآیند تکثیر الکترون به شدت تحت تأثیر دما قرار دارد. خنک کردن حسگر، تکثیر الکترون موجود را افزایش می‌دهد. بنابراین، خنک‌سازی عمیق حسگر ضمن حفظ پایداری دما، برای اندازه‌گیری‌های EMCCD تکرارپذیر بسیار مهم است.
● هزینه بالادشواری تولید این حسگرهای چند جزئی، همراه با خنک‌سازی عمیق، منجر به قیمت‌هایی می‌شود که معمولاً بالاتر از دوربین‌های حسگر sCMOS با بالاترین کیفیت هستند.
● طول عمر محدودواپاشی تکثیر الکترون، بسته به میزان استفاده، محدودیتی برای طول عمر این حسگرهای گران‌قیمت ایجاد می‌کند که معمولاً ۵ تا ۱۰ سال است.
● چالش‌های صادراتواردات و صادرات حسگرهای EMCCD به دلیل کاربرد بالقوه آنها در کاربردهای نظامی، از نظر لجستیکی چالش برانگیز است.
چرا EMCCD جانشین CCD است؟
| ویژگی | سی سی دی | EMCCD |
| حساسیت | بالا | نور بسیار زیاد (مخصوصاً نور کم) |
| نویز بازخوانی | متوسط | بسیار کم (به دلیل افزایش) |
| محدوده دینامیکی | بالا | متوسط (محدود به سود) |
| هزینه | پایین‌تر | بالاتر |
| خنک کننده | اختیاری | معمولاً برای عملکرد بهینه مورد نیاز است |
| موارد استفاده | تصویربرداری عمومی | تشخیص تک فوتون در نور کم |
حسگرهای EMCCD با استفاده از یک مرحله تکثیر الکترونی، بر اساس فناوری سنتی CCD ساخته می‌شوند. این امر توانایی تقویت سیگنال‌های ضعیف و کاهش نویز را افزایش می‌دهد و EMCCDها را به انتخاب ارجح برای کاربردهای تصویربرداری در نور بسیار کم که حسگرهای CCD در آنها کم می‌آورند، تبدیل می‌کند.
کاربردهای کلیدی سنسورهای EMCCD
حسگرهای EMCCD معمولاً در زمینه‌های علمی و صنعتی که نیاز به حساسیت بالا و توانایی تشخیص سیگنال‌های ضعیف دارند، استفاده می‌شوند:
● تصور علم زندگیg: برای کاربردهایی مانند میکروسکوپ فلورسانس تک مولکولی و میکروسکوپ فلورسانس بازتاب داخلی کلی (TIRF).
● نجوم: برای ثبت نور ضعیف از ستارگان دوردست، کهکشان‌ها و تحقیقات سیارات فراخورشیدی استفاده می‌شود.
● اپتیک کوانتومیبرای آزمایش‌های درهم‌تنیدگی فوتون و اطلاعات کوانتومی.
● پزشکی قانونی و امنیت: در نظارت در نور کم و تجزیه و تحلیل شواهد ردیابی به کار می‌رود.
● طیف‌سنجی: در طیف‌سنجی رامان و تشخیص فلورسانس با شدت کم.
چه زمانی باید یک سنسور EMCCD انتخاب کنید؟
با پیشرفت‌های حسگرهای CMOS در سال‌های اخیر، مزیت نویز خوانش حسگرهای EMCCD کاهش یافته است، زیرا اکنون حتی دوربین‌های sCMOS نیز در کنار طیف وسیعی از مزایای دیگر، قادر به نویز خوانش زیرالکترون هستند. اگر کاربردی قبلاً از EMCCD استفاده کرده است، بررسی این موضوع که آیا با توجه به پیشرفت‌های sCMOS، این بهترین انتخاب است یا خیر، ارزش دارد.
از نظر تاریخی، EMCCDها هنوز هم می‌توانند شمارش فوتون را با موفقیت بیشتری انجام دهند، در کنار چند کاربرد خاص دیگر با سطوح سیگنال معمولی کمتر از 3-5e- در هر پیکسل در اوج. اگرچه، با اندازه‌های پیکسل بزرگتر و نویز خواندن زیرالکترون که در دسترس قرار می‌گیرنددوربین‌های علمیبر اساس فناوری sCMOS، این امکان وجود دارد که این برنامه‌ها نیز به زودی با sCMOSهای رده بالا انجام شوند.
سوالات متداول
حداقل زمان نوردهی برای دوربین‌های Frame Transfer چقدر است؟
برای همه حسگرهای انتقال فریم، از جمله EMCCDها، سوال حداقل زمان نوردهی ممکن، سوال پیچیده‌ای است. برای دریافت تک تصویر، می‌توان با جابجایی سریع بارهای دریافتی به ناحیه ماسک شده برای بازخوانی، نوردهی را پایان داد و حداقل زمان نوردهی کوتاه (زیر میکروثانیه) امکان‌پذیر است.
با این حال، به محض اینکه دوربین با سرعت کامل شروع به پخش جریانی می‌کند، یعنی چندین فریم / یک فیلم را با نرخ فریم کامل دریافت می‌کند، به محض اینکه اولین تصویر نوردهی را تمام می‌کند، ناحیه ماسک شده توسط آن فریم اشغال می‌شود تا زمانی که خوانش کامل شود. بنابراین نوردهی نمی‌تواند پایان یابد. این بدان معناست که صرف نظر از زمان نوردهی درخواست شده در نرم‌افزار، زمان نوردهی واقعی فریم‌های بعدی پس از اولین فریم از یک فرآیند چند فریمی با سرعت کامل، توسط زمان فریم، یعنی ۱ / نرخ فریم، دوربین داده می‌شود.
آیا فناوری sCMOS جایگزین سنسورهای EMCCD می‌شود؟
دوربین‌های EMCCD دو ویژگی داشتند که به حفظ مزیت آنها در سناریوهای تصویربرداری در نور بسیار کم (با سطح سیگنال اوج ۵ فوتوالکترون یا کمتر) کمک می‌کرد. اول، پیکسل‌های بزرگ آنها، تا ۱۶ میکرومتر، و دوم، نویز کمتر از ۱e-read آنها.
نسل جدیدی ازدوربین sCMOSظهور کرده است که همین ویژگی‌ها را ارائه می‌دهد، بدون معایب متعدد EMCCDها، به ویژه عامل نویز اضافی. دوربین‌هایی مانند Aries 16 از Tucsen پیکسل‌های 16 میکرومتری با نور پس زمینه و نویز خواندن 0.8e- ارائه می‌دهند. با نویز کم و پیکسل‌های «بومی» بزرگ، این دوربین‌ها همچنین به دلیل رابطه بین binning و نویز خواندن، از اکثر دوربین‌های sCMOS ترکیب‌شده بهتر عمل می‌کنند.
اگر می‌خواهید درباره EMCCD بیشتر بدانید، لطفاً کلیک کنید:
آیا EMCCD قابل جایگزینی است و آیا ما هرگز چنین چیزی را می‌خواهیم؟
شرکت توسن فوتونیک. تمامی حقوق محفوظ است. هنگام نقل قول، لطفاً منبع را ذکر کنید:www.tucsen.com
