25/08/01’S e mean-fhàs den sensor CCD a th’ anns an sensor CCD Iomadachaidh-Eileagtronaig gus leigeil le obrachadh ann an solas nas ìsle. Mar as trice, tha iad an dùil airson comharran beagan cheudan de photoelectrons, sìos chun ìre cunntaidh photon fa leth.
Tha an t-artaigil seo a’ mìneachadh dè a th’ ann an mothachairean EMCCD, mar a tha iad ag obair, na buannachdan agus na h-eas-bhuannachdan aca, agus carson a thathas den bheachd gur e seo an ath mean-fhàs de theicneòlas CCD airson ìomhaighean ann an solas ìosal.
Dè a th’ ann an mothachair EMCCD?
'S e seòrsa sònraichte de sensor CCD a th' ann an sensor Inneal Ceangailte Cosgais Iomadachaidh Electron (EMCCD) a bhios a' neartachadh comharran lag mus tèid an leughadh a-mach, a' leigeil le cugallachd air leth àrd ann an àrainneachdan le solas ìosal.
Chaidh an leasachadh an toiseach airson cleachdaidhean leithid reul-eòlas agus maicreasgopaidh adhartach, agus is urrainn dha EMCCDan fotonan singilte a lorg, gnìomh a bhios mothachairean CCD traidiseanta a’ strì leis. Tha an comas seo fotonan fa leth a lorg a’ dèanamh EMCCDan deatamach airson raointean a dh’ fheumas ìomhaighean mionaideach fo ìrean solais glè ìosal.
Ciamar a tha mothachairean EMCCD ag obair?
Gus an tèid an leughadh a-mach, bidh mothachairean EMCCD ag obair air na h-aon phrionnsabalan ri mothachairean CCD. Ach, mus tèid an tomhas leis an ADC, thèid na cosgaisean a lorgar a iomadachadh tro phròiseas ris an canar impactionachadh, ann an 'clàr iomadachaidh electron'. Thar sreath de cheudan cheumannan, thèid na cosgaisean bho piogsail a ghluasad air feadh sreath de piogsail masgaichte aig bholtadh àrd. Tha cothrom aig gach electron aig gach ceum electronan a bharrachd a thoirt leotha. Mar sin, thèid an comharra a iomadachadh gu h-eas-chruthach.
Is e toradh deireannach EMCCD a tha air a chalabrachadh gu math an comas meud mionaideach de iomadachadh cuibheasach a thaghadh, mar as trice timcheall air 300 gu 400 airson obair ann an solas ìosal. Leigidh seo leis na comharran a lorgar a bhith air an iomadachadh gu math nas àirde na fuaim leughaidh a’ chamara, agus mar sin a’ lughdachadh fuaim leughaidh a’ chamara. Gu mì-fhortanach, tha nàdar stocastach a’ phròiseis iomadachaidh seo a’ ciallachadh gu bheil gach piogsail air a iomadachadh le meud eadar-dhealaichte, a bheir a-steach factar fuaim a bharrachd, a’ lughdachadh co-mheas comharra-gu-fuaim (SNR) an EMCCD.
Seo mìneachadh air mar a bhios mothachairean EMCCD ag obair. Gus Ceum 6, tha am pròiseas gu ìre mhòr mar an ceudna ris a’ phròiseas airson mothachairean CCD.
Figear: Pròiseas leughaidh airson mothachaire EMCCD
Aig deireadh an nochdaidh, bidh mothachairean EMCCD an toiseach a’ gluasad nan cosgaisean a chaidh a chruinneachadh gu sgiobalta gu sreath masgaichte de piogsail den aon mheud ris an t-sreath mothachail air solas (gluasad frèam). An uairsin, aon sreath aig aon àm, thèid cosgaisean a ghluasad a-steach do chlàr leughaidh. Aon cholbh aig aon àm, thèid cosgaisean taobh a-staigh a’ chlàr leughaidh a thoirt gu clàr iomadachaidh. Aig gach ìre den chlàr seo (suas ri 1000 ìre ann an camarathan EMCCD fìor), tha cothrom beag aig gach dealan dealan a bharrachd a leigeil ma sgaoil, ag iomadachadh an t-soidhne gu h-eas-chruthach. Aig a’ cheann thall, thèid an comharra iomadaichte a leughadh a-mach.
1. Glanadh CosgaisGus an togail a thòiseachadh, thèid an cosgais a ghlanadh aig an aon àm bhon sensor gu lèir (còmhla cruinneil).
2. Cruinneachadh CosgaisCruinnicheas cosgais rè nochdadh.
3. Stòradh CosgaisÀs dèidh nochdadh, thèid na cosgaisean a chaidh a chruinneachadh a ghluasad gu raon falaichte den sensor, far am faod iad feitheamh ri leughadh gun a bhith a’ cunntadh fotonan ùra a chaidh an lorg. Is e seo am pròiseas ‘Gluasad Frèam’.
4. Nochdadh an ath fhrèamLeis na cosgaisean a chaidh an lorg air an stòradh anns na piogsail masgaichte, faodaidh na piogsail gnìomhach tòiseachadh air foillseachadh an ath fhrèam (modh for-chòmhdach).
5. Pròiseas LeughaidhAon sreath aig aon àm, thèid cosgaisean airson gach sreath den fhrèam chrìochnaichte a ghluasad gu 'clàr leughaidh'.
6. Aon cholbh aig aon àm, thèid cosgaisean bho gach piogsail a ghluasad a-steach don nód leughaidh.
7. Iomadachadh ElectronAn ath rud, bidh a h-uile cosgais dealanach bhon phigseil a’ dol a-steach don chlàr iomadachaidh dealanach, agus a’ gluasad air adhart ceum air cheum, ag iomadachadh ann an àireamh gu h-eas-chruthach aig gach ceum.
8. Leughadh a-machTha an comharra iomadaichte air a leughadh leis an ADC, agus tha am pròiseas air ath-aithris gus an tèid am frèam gu lèir a leughadh a-mach.
Buannachdan agus Eas-bhuannachdan Braitearan EMCCD
Buannachdan mothachairean EMCCD
| Buannachd | Tuairisgeul |
| Cunntadh Foton | A’ lorg foto-electronan fa leth le fuaim leughaidh glè ìosal (<0.2e⁻), a’ comasachadh cugallachd aon-foton. |
| Mothachaidh Solais Ultra-Ìosal | Mòran nas fheàrr na camarathan CCD traidiseanta, uaireannan a’ dol thairis air eadhon camarathan sCMOS àrd-ìre aig ìrean solais glè ìosal. |
| Sruth Dorcha Ìosal | Bidh fuarachadh domhainn a’ lughdachadh fuaim teirmeach, a’ comasachadh ìomhaighean nas glaine rè nochdaidhean fada. |
| Còmhdach 'Leth-Chruinneil' | Leigidh gluasad frèam le nochdadh cha mhòr cruinneil le gluasad cosgais glè luath (~ 1 microsecond). |
● Cunntadh FotonLe iomadachadh electron àrd gu leòr, faodar fuaim leughaidh a thoirt air falbh gu practaigeach (<0.2e-). Tha seo, còmhla ris a’ luach buannachd àrd agus èifeachdas cuantamach faisg air foirfe, a’ ciallachadh gu bheil e comasach foto-electronan fa leth aithneachadh.
● Mothachaidh Solais Ultra-ÌosalAn coimeas ri CCDan, tha coileanadh EMCCDan ann an solas ìosal gu math nas fheàrr. Dh’ fhaodadh gum bi cuid de thagraidhean ann far am bi EMCCD a’ toirt seachad comas lorg agus eadar-dhealachadh nas fheàrr eadhon na sCMOS àrd-ìre aig na h-ìrean solais as ìsle a tha comasach.
● Sruth Dorcha ÌosalColtach ri CCDn, mar as trice bidh EMCCDn air am fuarachadh gu domhainn agus comasach air luachan sruth dorcha glè ìosal a lìbhrigeadh.
● Còmhla 'Leth-chruinneil'Chan eil am pròiseas gluasaid frèam gus an nochdadh a thòiseachadh is a chrìochnachadh gu tur aig an aon àm, ach mar as trice bheir e timcheall air 1 microdiog.
Eas-bhuannachdan mothachairean EMCCD
| Eas-bhuannachd | Tuairisgeul |
| Astar Cuibhrichte | Tha na h-ìrean frèam as àirde (~30 fps aig 1 MP) mòran nas slaodaiche na roghainnean eile CMOS an latha an-diugh. |
| Fuaim Leudachaidh | Bidh nàdar air thuaiream iomadachadh electron a’ toirt a-steach cus fuaim, a’ lughdachadh SNR. |
| Cosgais air a bhrosnachadh leis a’ chloc (CIC) | Faodaidh gluasad luath cosgais comharran meallta a thoirt a-steach a thèid a mheudachadh. |
| Raon Fiùghantach Lùghdaichte | Bidh buannachd àrd a’ lughdachadh an comharra as motha as urrainn don sensor a làimhseachadh mus tèid a shàthadh. |
| Meud mòr picteil | Is dòcha nach bi meudan piogsail cumanta (13–16 μm) a’ freagairt ri mòran riatanasan siostam optigeach. |
| Riatanas Fuarachaidh Trom | Tha feum air fuarachadh domhainn seasmhach gus iomadachadh cunbhalach agus fuaim ìosal a choileanadh. |
| Feumalachdan Calabrachaidh | Bidh buannachd EM a’ crìonadh thar ùine (lobhadh iomadachaidh), agus feumar calabrachadh cunbhalach. |
| Neo-sheasmhachd Nochdaidh Goirid | Faodaidh nochdaidhean glè ghoirid àrdachadh comharran agus fuaim ris nach robh dùil adhbhrachadh. |
| Cosgais Àrd | Tha saothrachadh iom-fhillte agus fuarachadh domhainn a’ dèanamh nan mothachairean sin nas daoire na sCMOS. |
| Fad-beatha cuibhrichte | Bidh clàr iomadachaidh nan dealanach a’ caitheamh a-mach, mar as trice a’ mairsinn 5–10 bliadhna. |
| Dùbhlain às-mhalairt | Fo ùmhlachd riaghailtean teann air sgàth tagraidhean armachd a dh’ fhaodadh a bhith ann. |
● Astar CuibhrichteBidh EMCCDan luath a’ toirt seachad timcheall air 30 fps aig 1 MP, coltach ri CCDan, òrdughan meudachd nas slaodaiche na camarathan CMOS.
● Ro-ràdh FuaimFaodaidh an 'fhactar fuaim a bharrachd' air adhbhrachadh leis an iomadachadh dealanach air thuaiream, an taca ri camara sCMOS le fuaim ìosal leis an aon èifeachdas cuantamach, fuaim gu math nas àirde a thoirt do EMCCDan a rèir ìrean nan comharran. Mar as trice, tha SNR airson sCMOS àrd-ìre nas fheàrr airson comharran timcheall air 3e-, agus nas motha airson comharran nas àirde.
● Cosgais air a bhrosnachadh leis a’ chloc (CIC)Mura tèid smachd faiceallach a chumail air gluasad chosgaisean thairis air an sensor, faodaidh ealanan a bharrachd a thoirt a-steach do na piogsail. Tha an fhuaim seo an uairsin air iomadachadh leis a’ chlàr iomadachaidh electron. Bidh astaran gluasaid chosgaisean nas àirde (ìrean cloca) a’ leantainn gu ìrean frèam nas àirde, ach barrachd CIC.
● Raon Fiùghantach LùghdaichteTha na luachan iomadachaidh electron glè àrd a tha a dhìth gus faighinn thairis air fuaim leughaidh EMCCD ag adhbhrachadh raon fiùghantach mòran nas lugha.
● Meud mòr picteilIs e 10 μm am meud piogsail as lugha a tha cumanta airson camarathan EMCCD, ach is e 13 no 16 μm as cumanta. Tha seo fada ro mhòr airson a bhith a rèir riatanasan rùn a’ mhòr-chuid de shiostaman optigeach.
● Riatanasan CalabrachaidhBidh am pròiseas iomadachaidh electron a’ caitheamh clàr an EM le cleachdadh, a’ lughdachadh a chomas iomadachadh ann am pròiseas ris an canar ‘crìonadh iomadachaidh electron’. Tha seo a’ ciallachadh gu bheil buannachd a’ chamara ag atharrachadh gu cunbhalach, agus feumaidh an camara calabrachadh cunbhalach gus ìomhaighean cainneachdail sam bith a dhèanamh.
● Nochdadh neo-chunbhalach aig amannan goiridNuair a bhios iad a’ cleachdadh amannan nochdaidh glè ghoirid, faodaidh camarathan EMCCD toraidhean neo-chunbhalach a thoirt gu buil leis gu bheil an comharra lag air a shàrachadh le fuaim, agus bidh am pròiseas leudachaidh ag adhbhrachadh atharrachaidhean staitistigeil.
● Riatanas Fuarachaidh TromTha buaidh mhòr aig teòthachd air pròiseas iomadachaidh electron. Bidh fuarachadh an sensor ag àrdachadh iomadachadh electron a tha ri fhaighinn. Mar sin, tha fuarachadh domhainn an sensor agus seasmhachd teòthachd air a chumail suas deatamach airson tomhais EMCCD a ghabhas ath-riochdachadh.
● Cosgais àrdTha an duilgheadas a tha ann a bhith a’ dèanamh nan mothachairean ioma-phàirteach seo, còmhla ri fuarachadh domhainn, ag adhbhrachadh gu bheil prìsean mar as trice nas àirde na na camarathan mothachaidh sCMOS den chàileachd as àirde.
● Fad-beatha cuibhrichteTha crìonadh iomadachaidh electron a’ cur crìoch air fad-beatha nan mothachairean daor seo, mar as trice 5-10 bliadhna, a rèir na h-ìre cleachdaidh.
● Dùbhlain às-mhalairtTha in-mhalairt agus às-mhalairt mothachairean EMCCD buailteach a bhith dùbhlanach a thaobh loidsistigs air sgàth 's gun gabh an cleachdadh ann an tagraidhean armachd.
Carson a tha EMCCD na oighre do CCD
| Feart | CCD | EMCCD |
| Mothachaidh | Àrd | Solas fìor àrd (gu h-àraidh solas ìosal) |
| Fuaim Leughaidh | Meadhanach | Glè ìosal (air sgàth buannachd) |
| Raon Fiùghantach | Àrd | Meadhanach (air a chuingealachadh le buannachd) |
| Cosgais | Ìosal | Nas àirde |
| Fuarachadh | Roghainneil | Mar as trice riatanach airson coileanadh as fheàrr |
| Cùisean Cleachdaidh | Dealbhan coitcheann | Lorgaireachd aon-foton ann an solas ìosal |
Bidh mothachairean EMCCD a’ togail air teicneòlas CCD traidiseanta le bhith a’ toirt a-steach ceum iomadachaidh dealanach. Bidh seo a’ neartachadh a’ chomas comharran lag a mheudachadh agus fuaim a lughdachadh, ga dhèanamh mar an roghainn as fheàrr airson tagraidhean ìomhaighean ann an solas ìosal far a bheil mothachairean CCD a’ fàiligeadh.
Prìomh Thagraidhean Braitearan EMCCD
Bithear a’ cleachdadh mothachairean EMCCD gu cumanta ann an raointean saidheansail is gnìomhachais a dh’ fheumas cugallachd àrd agus comas comharran lag a lorg:
● Dealbh-chluich Saidheans Beathag: Airson tagraidhean leithid maicreasgopaidh fluorescence aon-mhóileciuil agus maicreasgopaidh fluorescence meòrachaidh a-staigh iomlan (TIRF).
● Reul-eòlasAir a chleachdadh airson solas lag a ghlacadh bho rionnagan fad às, reul-chriosan, agus rannsachadh air planaidean taobh a-muigh a’ ghlinne.
● Optaig CuantumAirson deuchainnean air ceangal foton agus fiosrachadh cuantamach.
● Fòireansachd agus TèarainteachdAir a chleachdadh ann an sgrùdadh solais ìosal agus mion-sgrùdadh fianais lorg.
● SpeictreasgopaidhAnn an speactroscopaidh Raman agus lorg fluorescence ìosal-dian.
Cuin a bu chòir dhut mothachaire EMCCD a thaghadh?
Leis na leasachaidhean a chaidh a dhèanamh air mothachairean CMOS anns na bliadhnachan mu dheireadh, tha buannachd fuaim leughaidh mothachairean EMCCD air lùghdachadh oir a-nis tha eadhon camarathan sCMOS comasach air fuaim leughaidh fo-electron, còmhla ri raon farsaing de bhuannachdan eile. Ma tha tagradh air EMCCDan a chleachdadh roimhe, is fhiach ath-sgrùdadh a dhèanamh air an e seo an roghainn as fheàrr leis na leasachaidhean ann an sCMOS.
Gu h-eachdraidheil, b’ urrainn do EMCCDan cunntadh foton a dhèanamh nas soirbheachaile fhathast, còmhla ri beagan thagraidhean sònraichte eile le ìrean comharran àbhaisteach nas lugha na 3-5e- gach piogsail aig a’ char as àirde. Ach, le meudan piogsail nas motha agus fuaim leughaidh fo-electron a’ tighinn ri fhaighinn ann ancamarathan saidheansailstèidhichte air teicneòlas sCMOS, tha e comasach gun tèid na tagraidhean sin a dhèanamh a dh’ aithghearr le sCMOS àrd-inbhe cuideachd.
Ceistean Cumanta
Dè an ùine nochdaidh as ìsle airson camarathan gluasaid frèam?
Airson a h-uile mothachaidh gluasaid frèam, a’ gabhail a-steach EMCCDn, tha ceist na h-ùine nochdaidh as lugha a tha comasach na cheist iom-fhillte. Airson togail ìomhaigh singilte, faodar crìoch a chur air an nochdadh le bhith a’ measgachadh nan cosgaisean a chaidh fhaighinn a-steach don roinn masgaichte airson an leughadh a-mach gu math luath, agus tha amannan nochdaidh as lugha goirid (fo mhicro-dhiog) comasach.
Ach, cho luath ‘s a bhios an camara a’ sruthadh aig làn astar, i.e. a’ faighinn iomadh frèam / film aig làn ìre frèam, cho luath ‘s a bhios a’ chiad ìomhaigh deiseil le nochdadh, bidh an roinn masgaichte air a lìonadh leis a’ fhrèam sin gus an tèid an leughadh a chrìochnachadh. Mar sin chan urrainn don nochdadh crìochnachadh. Tha seo a’ ciallachadh, ge bith dè an ùine nochdaidh a chaidh iarraidh anns a’ bhathar-bog, gu bheil an fhìor ùine nochdaidh airson frèamaichean às dèidh sin às deidh a’ chiad fhear de thogail ioma-fhrèam làn-astar air a thoirt seachad leis an ùine frèam, i.e. 1 / Ìre Frèam, den chamara.
A bheil teicneòlas sCMOS a’ dol an àite mothachairean EMCCD?
Bha dà shònrachadh aig camarathan EMCCD a chuidich le bhith a’ cumail a’ bhuannachd aca ann an suidheachaidhean ìomhaighean le solas fìor ìosal (le ìrean comharran as àirde de 5 foto-electron no nas lugha). An toiseach, na piogsail mòra aca, suas ri 16 μm, agus san dàrna àite an fhuaim <1e-read aca.
Ginealach ùr decamara sCMOSair nochdadh a tha a’ tabhann nan aon fheartan sin, às aonais nan iomadh eas-bhuannachd a tha aig EMCCDn, gu sònraichte am bàillidh fuaim a bharrachd. Tha camarathan leithid an Aries 16 bho Tucsen a’ tabhann piogsail le soillseachadh cùil 16 μm le fuaim leughaidh de 0.8e-. Le fuaim ìosal agus piogsail mòra ‘dùthchasach’, tha na camarathan sin cuideachd a’ dèanamh nas fheàrr na a’ mhòr-chuid de chamarathan sCMOS binn, air sgàth a’ chàirdeis eadar binning agus fuaim leughaidh.
Ma tha thu airson barrachd ionnsachadh mu EMCCD, cliog air:
An gabh an EMCCD a chur na àite agus am biodh sinn a-riamh ag iarraidh sin?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Gach còir glèidhte. Nuair a bhios tu a’ toirt iomradh, feuch an cuir thu an stòr an cèill:www.tucsen.com
