25/08/01De Elektron-Fermannichfâldigjende CCD-sensor is in evolúsje fan 'e CCD-sensor om wurking by leger ljocht mooglik te meitsjen. Se binne typysk bedoeld foar sinjalen fan in pear hûndert fotoelektronen, oant it nivo fan yndividuele fotonen telle.
Dit artikel leit út wat EMCCD-sensoren binne, hoe't se funksjonearje, har foar- en neidielen, en wêrom't se wurde beskôge as de folgjende evolúsje fan CCD-technology foar ôfbylding by leech ljocht.
Wat is in EMCCD-sensor?
In Electron-Multiplying Charge-Coupled Device (EMCCD) sensor is in spesjalisearre type CCD-sensor dy't swakke sinjalen fersterket foardat se útlêzen wurde, wêrtroch't ekstreem hege gefoelichheid mooglik is yn omjouwings mei leech ljocht.
Yn earste ynstânsje ûntwikkele foar tapassingen lykas astronomy en avansearre mikroskopie, kinne EMCCD's ienkele fotonen detektearje, in taak dêr't tradisjonele CCD-sensoren mei wrakselje. Dizze mooglikheid om yndividuele fotonen te detektearjen makket EMCCD's krúsjaal foar fjilden dy't krekte ôfbylding nedich binne ûnder heul lege ljochtnivo's.
Hoe wurkje EMCCD-sensoren?
Oant it punt fan útlêzen wurkje EMCCD-sensoren op deselde prinsipes as CCD-sensoren. Foardat se mei de ADC mjitte, wurde de detektearre ladingen lykwols fermannichfâldige fia in proses dat ympaktionisaasje neamd wurdt, yn in 'elektronfermannichfâldigingsregister'. Oer in searje fan ferskate hûnderten stappen wurde de ladingen fan in piksel mei hege spanning lâns in searje maskere piksels ferpleatst. Elk elektron by elke stap hat in kâns om ekstra elektroanen mei te nimmen. It sinjaal wurdt dêrom eksponensjeel fermannichfâldige.
It einresultaat fan in goed kalibrearre EMCCD is de mooglikheid om in krekte hoemannichte gemiddelde fermannichfâldiging te kiezen, typysk om de 300 oant 400 hinne foar wurk mei leech ljocht. Dit makket it mooglik om de detektearre sinjalen folle heger te fermannichfâldigjen as de lêsrûs fan 'e kamera, wêrtroch't de lêsrûs fan 'e kamera ferminderet. Spitigernôch betsjut de stochastyske aard fan dit fermannichfâldigingsproses dat elke piksel mei in oar bedrach fermannichfâldige wurdt, wat in ekstra rûsfaktor yntrodusearret, wêrtroch't de sinjaal-rûsferhâlding (SNR) fan 'e EMCCD ferminderet.
Hjir is in oersjoch fan hoe't EMCCD-sensoren wurkje. Oant stap 6 is it proses yn essinsje itselde as dat foar CCD-sensoren.
Ofbylding: Útlêsproses foar EMCCD-sensor
Oan 'e ein fan harren bleatstelling ferpleatse EMCCD-sensoren earst fluch sammele ladingen nei in maskere array fan piksels mei deselde ôfmjittings as de ljochtgefoelige array (frame-oerdracht). Dan wurde, rige foar rige, ladingen nei in útlêsregister ferpleatst. Kolom foar kolom wurde ladingen binnen it útlêsregister trochjûn oan in fermannichfâldigingsregister. Yn elke etappe fan dit register (oant 1000 etappes yn echte EMCCD-kamera's) hat elk elektron in lytse kâns om in ekstra elektron frij te litten, wêrtroch it sinjaal eksponentiell fermannichfâldige wurdt. Oan 'e ein wurdt it fermannichfâldige sinjaal útlêzen.
1. Kosten wiskjeOm de akwisysje te begjinnen, wurdt de lading tagelyk fan 'e heule sensor wiske (globale sluter).
2. LadingakkumulaasjeLading sammelet him op tidens bleatstelling.
3. Opslach fan ladingNei bleatstelling wurde sammele ladingen ferpleatst nei in maskere gebiet fan 'e sensor, dêr't se kinne wachtsje op útlêzen sûnder dat nije fotonen teld wurde. Dit is it 'Frame Transfer'-proses.
4. Bleatstelling fan it folgjende frameMei de detektearre ladingen opslein yn 'e maskere piksels, kinne de aktive piksels begjinne mei de bleatstelling fan it folgjende frame (oerlaapmodus).
5. ÚtlêsprosesIen rige tagelyk wurde ladingen foar elke rige fan it foltôge frame nei in 'útlêsregister' ferpleatst.
6. Ien kolom tagelyk wurde ladingen fan elke piksel nei it útlêsknooppunt brocht.
7. ElektronfermannichfâldigingFolgjende komme alle elektronladingen fan 'e piksel it elektronfermannichfâldigingsregister yn, en bewege se stap foar stap fierder, wêrby't se by elke stap eksponensjeel yn oantal fermannichfâldigje.
8. ÚtlêzingIt fermannichfâldige sinjaal wurdt lêzen troch de ADC, en it proses wurdt werhelle oant it heule frame útlêzen is.
Foar- en neidielen fan EMCCD-sensoren
Foardielen fan EMCCD-sensoren
| Foardiel | Beskriuwing |
| Fotonen telle | Detektearret yndividuele fotoelektronen mei ultra-lege lêsrûs (<0.2e⁻), wêrtroch gefoelichheid foar inkele fotonen mooglik is. |
| Ultra-lege ljochtgefoelichheid | Signifikant better as tradisjonele CCD's, en oertreffe soms sels high-end sCMOS-kamera's by tige lege ljochtnivo's. |
| Lege tsjustere stroom | Djippe koeling ferminderet termyske rûs, wêrtroch skjinne ôfbyldings mooglik binne by lange bleatstellings. |
| 'Heal-Globale' Shutter | Frame-oerdracht makket hast globale bleatstelling mooglik mei heul rappe ladingsferskowing (~ 1 mikrosekonde). |
● Fotonen telleMei in genôch hege elektronfermannichfâldiging kin lêsrûs praktysk eliminearre wurde (<0.2e-). Dit, neist de hege fersterkingswearde en hast perfekte kwantumeffisjinsje, betsjut dat it mooglik is om yndividuele fotoelektronen te ûnderskieden.
● Ultra-lege ljochtgefoelichheidYn ferliking mei CCD's binne de prestaasjes fan EMCCD's by leech ljocht drastysk better. Der kinne guon tapassingen wêze wêr't EMCCD bettere deteksjemooglikheden en kontrast leveret, sels as high-end sCMOS by de leechst mooglike ljochtnivo's.
● Lege tsjustere stroomLykas by CCD's binne EMCCD's typysk djip koele en kinne se tige lege tsjustere stroomwearden leverje.
● 'Heal wrâldwide' sluterIt proses fan frame-oerdracht om de eksposysje te begjinnen en te einigjen is net echt simultaneus, mar duorret typysk sawat 1 mikrosekonde.
Neidielen fan EMCCD-sensoren
| Neidiel | Beskriuwing |
| Beheinde snelheid | Maksimale framerates (~ 30 fps by 1 MP) binne folle stadiger as moderne CMOS-alternativen. |
| Fersterkingslawaai | De willekeurige aard fan elektronfermannichfâldiging yntrodusearret tefolle rûs, wêrtroch't SNR ferminderet. |
| Klok-induzearre lading (CIC) | Snelle ladingbeweging kin falske sinjalen yntrodusearje dy't fersterke wurde. |
| Fermindere dynamysk berik | Hege fersterking ferminderet it maksimale sinjaal dat de sensor ferwurkje kin foardat it verzadigd is. |
| Grutte pikselgrutte | Gewoane pikselgruttes (13–16 μm) komme miskien net oerien mei in protte easken foar optyske systemen. |
| Swiere koelingseasken | Stabile djippe koeling is nedich om konsekwinte fermannichfâldiging en leech lûd te berikken. |
| Kalibraasjebehoeften | EM-fersterking nimt mei de tiid ôf (fermannichfâldigingsferfal), wêrtroch regelmjittige kalibraasje nedich is. |
| Koarte bleatstellingsynstabiliteit | Hiel koarte bleatstellings kinne ûnfoarsisbere sinjaalfersterking en rûs feroarsaakje. |
| Hege kosten | Komplekse produksje en djippe koeling meitsje dizze sensoren djoerder as sCMOS. |
| Beheinde libbensdoer | It register foar fermannichfâldiging fan elektronen ferslitst, en duorret typysk 5-10 jier. |
| Eksportútdagings | Underwurpen oan strange regeljouwing fanwegen potinsjele militêre tapassingen. |
● Beheinde snelheidSnelle EMCCD's leverje sawat 30 fps by 1 MP, fergelykber mei CCD's, oarders fan grutte stadiger as CMOS-kamera's.
● LûdsyntroduksjeDe 'oermjittige rûsfaktor' feroarsake troch de willekeurige elektronfermannichfâldiging, yn ferliking mei in sCMOS-kamera mei leech rûs en deselde kwantumeffisjinsje, kin EMCCD's drastysk hegere rûs jaan ôfhinklik fan sinjaalnivo's. SNR foar high-end sCMOS is typysk better foar sinjalen fan sawat 3e-, en noch mear foar hegere sinjalen.
● Klok-ynducearre lading (CIC)Behalven as it sekuer kontrolearre wurdt, kin de beweging fan ladingen oer de sensor ekstra elektroanen yn piksels yntrodusearje. Dizze rûs wurdt dan fermannichfâldige mei it register foar elektroanenfermannichfâldiging. Hegere ladingsbewegingssnelheden (kloksnelheden) liede ta hegere frameraten, mar mear CIC.
● Fermindere dynamysk berikDe tige hege elektronfermannichfâldigingswearden dy't nedich binne om de EMCCD-lêsrûs te oerwinnen liede ta in folle fermindere dynamysk berik.
● Grutte pikselgrutteDe lytste gewoane pikselgrutte foar EMCCD-kamera's is 10 μm, mar 13 of 16 μm is it meast foarkommend. Dit is folle te grut om te foldwaan oan de resolúsje-easken fan de measte optyske systemen.
● KalibraasjeeaskenIt proses fan elektroanenfermannichfâldiging ferslit it EM-register mei gebrûk, wêrtroch't it fermogen om te fermannichfâldigjen ferminderet yn in proses dat 'elektroanenfermannichfâldigingsferfal' neamd wurdt. Dit betsjut dat de fersterking fan 'e kamera konstant feroaret, en de kamera fereasket regelmjittige kalibraasje om kwantitative ôfbylding út te fieren.
● Ynkonsistente bleatstelling op koarte tidenBy it brûken fan tige koarte eksposysjetiden kinne EMCCD-kamera's ynkonsistente resultaten produsearje, om't it swakke sinjaal oerweldige wurdt troch rûs, en it fersterkingproses statistyske fluktuaasjes yntrodusearret.
● Swiere koelingseaskenIt proses fan elektronfermannichfâldiging wurdt sterk beynfloede troch temperatuer. It koeljen fan 'e sensor fergruttet de beskikbere elektronfermannichfâldiging. Dêrom is djippe koeling fan 'e sensor mei behâld fan temperatuerstabiliteit krúsjaal foar reprodusearbere EMCCD-mjittingen.
● Hege kostenDe muoite mei it produsearjen fan dizze multikomponintsensoren, kombinearre mei djippe koeling, liedt ta prizen dy't typysk heger binne as de sCMOS-sensorkamera's fan 'e heechste kwaliteit.
● Beheinde libbensdoerFerfal fan elektroanenfermannichfâldiging set in limyt op 'e libbensdoer fan dizze djoere sensoren fan meastal 5-10 jier, ôfhinklik fan it gebrûksnivo.
● EksportútdagingsDe ymport en eksport fan EMCCD-sensoren is faak logistysk útdaagjend fanwegen har potinsjele gebrûk yn militêre tapassingen.
Wêrom EMCCD de opfolger is fan CCD
| Eigenskip | CCD | EMCCD |
| Gefoelichheid | Heech | Ultra-heech (benammen leech ljocht) |
| Útlêzingslûd | Matich | Ekstreem leech (fanwegen winst) |
| Dynamysk berik | Heech | Matich (beheind troch winst) |
| Kosten | Leger | Heger |
| Koeling | Fakultatyf | Typysk fereaske foar optimale prestaasjes |
| Gebrûksgefallen | Algemiene ôfbylding | Deteksje fan ien foton by leech ljocht |
EMCCD-sensoren bouwe op tradisjonele CCD-technology troch in elektronfermannichfâldigingsstap op te nimmen. Dit ferbetteret de mooglikheid om swakke sinjalen te fersterkjen en rûs te ferminderjen, wêrtroch't EMCCD's de foarkar binne foar ôfbyldingstapassingen mei ekstreem leech ljocht wêr't CCD-sensoren tekoartkomme.
Wichtige tapassingen fan EMCCD-sensoren
EMCCD-sensoren wurde faak brûkt yn wittenskiplike en yndustriële fjilden dy't hege gefoelichheid en de mooglikheid fereaskje om swakke sinjalen te detektearjen:
● Libbenswittenskip Imaging: Foar tapassingen lykas single-molecule fluoresinsjemikroskopie en totale ynterne refleksjefluoresinsje (TIRF) mikroskopie.
● AstronomieBrûkt foar it fêstlizzen fan swak ljocht fan fiere stjerren, stjerrestelsels en eksoplaneetûndersyk.
● KwantumoptykFoar fotonverstrengeling en kwantumynformaasje-eksperiminten.
● Forensysk ûndersyk en feiligensBrûkt yn tafersjoch by leech ljocht en analyse fan spoarbewiis.
● SpektroskopieYn Raman-spektroskopie en deteksje fan fluoreszinsje mei lege yntensiteit.
Wannear moatte jo in EMCCD-sensor kieze?
Mei de ferbetteringen oan CMOS-sensoren yn 'e lêste jierren is it foardiel fan EMCCD-sensoren by it lêzen fan rûs ôfnommen, om't no sels sCMOS-kamera's by steat binne om subelektronenrûs te lêzen, neist in enoarm oanbod fan oare foardielen. As in applikaasje earder EMCCD's brûkt hat, is it de muoite wurdich om te besjen oft dit de bêste kar is sjoen de ûntwikkelingen yn sCMOS.
Histoarysk koene EMCCD's noch suksesfoller fotonen telle, neist in pear oare niche-tapassingen mei typyske sinjaalnivo's fan minder as 3-5e- per piksel op it hichtepunt. Hoewol, mei gruttere pikselgruttes en sub-elektronlêsrûs dy't beskikber wurde ynwittenskiplike kamera'sbasearre op sCMOS-technology, is it mooglik dat dizze applikaasjes ek gau útfierd wurde kinne mei high-end sCMOS.
FAQ's
Wat is de minimale eksposysjetiid foar frame-oerdrachtkamera's?
Foar alle frame-oerdrachtsensors, ynklusyf EMCCD's, is de fraach fan minimaal mooglike eksposysjetiid in yngewikkelde. Foar it opnimmen fan ien ôfbylding kin de eksposysje beëinige wurde troch it heul fluch ferpleatsen fan de oankochte ladingen nei it maskere gebiet foar útlêzen, en koarte (sub-mikrosekonden) minimale eksposysjetiden binne mooglik.
Sadree't de kamera lykwols op folle snelheid streamt, d.w.s. meardere frames / in film op folle framesnelheid krijt, wurdt it maskere gebiet, sa gau as de earste ôfbylding klear is mei bleatstellen, beset troch dat frame oant it útlêzen foltôge is. De bleatstelling kin dêrom net einigje. Dit betsjut dat, nettsjinsteande de bleatstellingstiid dy't yn 'e software frege wurdt, de werklike bleatstellingstiid fan folgjende frames nei it earste fan in full-speed multi-frame-akwisysje jûn wurdt troch de frametiid, d.w.s. 1 / Frame Rate, fan 'e kamera.
Ferfangt sCMOS-technology EMCCD-sensoren?
EMCCD-kamera's hienen twa spesifikaasjes dy't holpen om har foardiel te behâlden yn ôfbyldingsscenario's mei ekstreem leech ljocht (mei peaksignaalnivo's fan 5 fotoelektronen of minder). Earst har grutte piksels, oant 16 μm, en twad har <1e-lêsrûs.
In nije generaasje fansCMOS-kamerais ûntstien dy't deselde skaaimerken biedt, sûnder de talleaze neidielen fan EMCCD's, benammen de oermjittige rûsfaktor. Kamera's lykas de Aries 16 fan Tucsen biede 16 μm efterferljochte piksels mei in lêsrûs fan 0.8e-. Mei lege rûs en 'native' grutte piksels prestearje dizze kamera's ek better as de measte binned sCMOS-kamera's, fanwegen de relaasje tusken binning en lêsrûs.
As jo mear witte wolle oer EMCCD, klik dan op:
Kin de EMCCD ferfongen wurde en soene wy dat ea wolle?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rjochten foarbehâlden. By it sitearjen, neam asjebleaft de boarne:www.tucsen.com
