ईएमसीसीडी सेंसर: सीसीडी का निम्न-प्रकाश उत्तराधिकारी |

इलेक्ट्रॉन-गुणन सीसीडी सेंसर, कम रोशनी में संचालन की अनुमति देने वाले सीसीडी सेंसर का एक उन्नत संस्करण है। ये आमतौर पर कुछ सौ फोटोइलेक्ट्रॉनों के संकेतों के लिए, व्यक्तिगत फोटॉन-गणना स्तर तक, डिज़ाइन किए जाते हैं।

यह लेख बताता है कि EMCCD सेंसर क्या हैं, वे कैसे कार्य करते हैं, उनके फायदे और नुकसान क्या हैं, तथा उन्हें कम रोशनी में इमेजिंग के लिए CCD प्रौद्योगिकी का अगला विकास क्यों माना जाता है।

EMCCD सेंसर क्या है?

इलेक्ट्रॉन-गुणन आवेश-युग्मित डिवाइस (EMCCD) सेंसर एक विशेष प्रकार का CCD सेंसर है, जो कमजोर संकेतों को पढ़े जाने से पहले ही प्रवर्धित कर देता है, जिससे कम रोशनी वाले वातावरण में अत्यधिक उच्च संवेदनशीलता प्राप्त होती है।

शुरुआत में खगोल विज्ञान और उन्नत सूक्ष्मदर्शी जैसे अनुप्रयोगों के लिए विकसित, EMCCD एकल फोटॉन का पता लगा सकते हैं, एक ऐसा कार्य जिसे पारंपरिक CCD सेंसर करने में कठिनाई होती है। व्यक्तिगत फोटॉन का पता लगाने की यह क्षमता EMCCD को बहुत कम प्रकाश स्तर पर सटीक इमेजिंग की आवश्यकता वाले क्षेत्रों के लिए महत्वपूर्ण बनाती है।

EMCCD सेंसर कैसे काम करते हैं?

रीडआउट बिंदु तक, EMCCD सेंसर CCD सेंसर के समान सिद्धांतों पर कार्य करते हैं। हालाँकि, ADC से मापन से पहले, संसूचित आवेशों को एक 'इलेक्ट्रॉन गुणन रजिस्टर' में इम्पैक्शनाइज़ेशन नामक प्रक्रिया के माध्यम से गुणा किया जाता है। कई सौ चरणों की एक श्रृंखला में, एक पिक्सेल से आवेशों को उच्च वोल्टेज पर मास्क्ड पिक्सेल की एक श्रृंखला के साथ गतिमान किया जाता है। प्रत्येक चरण में प्रत्येक इलेक्ट्रॉन के पास अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को साथ लाने का अवसर होता है। इसलिए सिग्नल चरघातांकी रूप से गुणा होता है।

एक सुसंयोजित EMCCD का अंतिम परिणाम औसत गुणन की एक सटीक मात्रा चुनने की क्षमता है, जो आमतौर पर कम रोशनी में काम करने के लिए लगभग 300 से 400 होती है। इससे पता लगाए गए सिग्नल कैमरे के रीड नॉइज़ से कहीं अधिक गुणा हो जाते हैं, जिससे कैमरे का रीड नॉइज़ कम हो जाता है। दुर्भाग्य से, इस गुणन प्रक्रिया की यादृच्छिक प्रकृति का अर्थ है कि प्रत्येक पिक्सेल एक अलग मात्रा से गुणा होता है, जिससे एक अतिरिक्त नॉइज़ कारक जुड़ जाता है, जिससे EMCCD का सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात (SNR) कम हो जाता है।

यहाँ EMCCD सेंसर कैसे काम करते हैं, इसका विस्तृत विवरण दिया गया है। चरण 6 तक, प्रक्रिया प्रभावी रूप से CCD सेंसर जैसी ही है।

चित्र: EMCCD सेंसर के लिए रीडआउट प्रक्रिया

अपने एक्सपोज़र के अंत में, EMCCD सेंसर सबसे पहले एकत्रित आवेशों को प्रकाश-संवेदी सरणी (फ़्रेम ट्रांसफ़र) के समान आयामों वाले पिक्सेल के एक मास्क्ड ऐरे में तेज़ी से स्थानांतरित करते हैं। फिर, एक-एक पंक्ति में, आवेशों को एक रीडआउट रजिस्टर में स्थानांतरित किया जाता है। एक-एक कॉलम में, रीडआउट रजिस्टर के भीतर के आवेशों को एक गुणन रजिस्टर में स्थानांतरित किया जाता है। इस रजिस्टर के प्रत्येक चरण में (वास्तविक EMCCD कैमरों में 1000 चरणों तक), प्रत्येक इलेक्ट्रॉन के पास एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन छोड़ने का एक छोटा सा मौका होता है, जिससे सिग्नल चरघातांकी रूप से गुणा हो जाता है। अंत में, गुणित सिग्नल को पढ़ा जाता है।

1. शुल्क समाशोधनअधिग्रहण शुरू करने के लिए, पूरे सेंसर (ग्लोबल शटर) से चार्ज को एक साथ साफ़ किया जाता है।
2. चार्ज संचय: एक्सपोजर के दौरान चार्ज जमा होता है।
3. चार्ज स्टोरेजएक्सपोज़र के बाद, एकत्रित आवेशों को सेंसर के एक छिपे हुए क्षेत्र में ले जाया जाता है, जहाँ वे नए फ़ोटॉनों की गिनती किए बिना रीडआउट की प्रतीक्षा कर सकते हैं। इसे 'फ़्रेम ट्रांसफ़र' प्रक्रिया कहते हैं।
4. अगला फ़्रेम एक्सपोज़रमास्क्ड पिक्सल में संग्रहीत पता लगाए गए चार्ज के साथ, सक्रिय पिक्सल अगले फ्रेम (ओवरलैप मोड) का एक्सपोजर शुरू कर सकते हैं।
5. रीडआउट प्रक्रियाएक समय में एक पंक्ति, तैयार फ्रेम की प्रत्येक पंक्ति के चार्ज को 'रीडआउट रजिस्टर' में स्थानांतरित किया जाता है।
6. एक समय में एक कॉलम, प्रत्येक पिक्सेल से चार्ज को रीडआउट नोड में भेजा जाता है।
7. इलेक्ट्रॉन गुणनइसके बाद, पिक्सेल से सभी इलेक्ट्रॉन आवेश इलेक्ट्रॉन गुणन रजिस्टर में प्रवेश करते हैं, और चरण दर चरण आगे बढ़ते हैं, प्रत्येक चरण में उनकी संख्या तेजी से बढ़ती है।
8. पढ़ कर सुनाएं: गुणा किये गए सिग्नल को ADC द्वारा पढ़ा जाता है, और यह प्रक्रिया तब तक दोहराई जाती है जब तक कि पूरा फ्रेम नहीं पढ़ लिया जाता।

EMCCD सेंसर के फायदे और नुकसान

EMCCD सेंसर के लाभ

फ़ायदा	विवरण
फोटॉन गिनती	अल्ट्रा-लो रीड नॉइज़ (<0.2e⁻) के साथ व्यक्तिगत फोटोइलेक्ट्रॉनों का पता लगाता है, जिससे एकल-फोटॉन संवेदनशीलता सक्षम होती है।
अति-निम्न-प्रकाश संवेदनशीलता	पारंपरिक सी.सी.डी. से काफी बेहतर, कभी-कभी बहुत कम प्रकाश स्तर पर भी उच्च-स्तरीय एस.सी.एम.ओ.एस. कैमरों से बेहतर।
कम डार्क करंट	डीप कूलिंग से थर्मल शोर कम हो जाता है, जिससे लंबे समय तक एक्सपोजर के दौरान साफ छवियां प्राप्त होती हैं।
'हाफ-ग्लोबल' शटर	फ्रेम स्थानांतरण बहुत तेज चार्ज शिफ्टिंग (~ 1 माइक्रोसेकंड) के साथ लगभग वैश्विक एक्सपोजर की अनुमति देता है।

● फोटॉन गिनतीपर्याप्त उच्च इलेक्ट्रॉन गुणन के साथ, पठन शोर को व्यावहारिक रूप से समाप्त किया जा सकता है (<0.2e-)। उच्च लाभ मान और लगभग पूर्ण क्वांटम दक्षता के साथ, इसका अर्थ है कि अलग-अलग फोटोइलेक्ट्रॉनों में अंतर करना संभव है।
● अति-निम्न-प्रकाश संवेदनशीलतासीसीडी की तुलना में, ईएमसीसीडी का कम रोशनी में प्रदर्शन काफ़ी बेहतर है। कुछ ऐसे अनुप्रयोग भी हो सकते हैं जहाँ ईएमसीसीडी न्यूनतम संभव प्रकाश स्तर पर भी उच्च-स्तरीय एससीएमओएस की तुलना में बेहतर पहचान क्षमता और कंट्रास्ट प्रदान करता है।
● कम डार्क करंटसीसीडी की तरह, ईएमसीसीडी भी आमतौर पर डीप-कूल्ड होते हैं और बहुत कम डार्क करंट वैल्यू प्रदान करने में सक्षम होते हैं।
● 'हाफ ग्लोबल' शटरएक्सपोज़र शुरू करने और समाप्त करने के लिए फ्रेम स्थानांतरण प्रक्रिया वास्तव में एक साथ नहीं होती है, लेकिन आमतौर पर इसमें 1 माइक्रोसेकंड का समय लगता है।

EMCCD सेंसर के नुकसान

नुकसान	विवरण
सीमित गति	अधिकतम फ्रेम दर (~ 1 MP पर 30 fps) आधुनिक CMOS विकल्पों की तुलना में बहुत धीमी है।
प्रवर्धन शोर	इलेक्ट्रॉन गुणन की यादृच्छिक प्रकृति अतिरिक्त शोर उत्पन्न करती है, जिससे SNR कम हो जाता है।
घड़ी-प्रेरित आवेश (CIC)	तीव्र चार्जिंग गति से गलत संकेत उत्पन्न हो सकते हैं, जो बढ़ जाते हैं।
कम गतिशील रेंज	उच्च लाभ, संतृप्ति से पहले सेंसर द्वारा संभाले जा सकने वाले अधिकतम सिग्नल को कम कर देता है।
बड़ा पिक्सेल आकार	सामान्य पिक्सेल आकार (13-16 μm) कई ऑप्टिकल सिस्टम आवश्यकताओं के अनुरूप नहीं हो सकते हैं।
भारी शीतलन आवश्यकता	लगातार गुणन और कम शोर प्राप्त करने के लिए स्थिर गहन शीतलन की आवश्यकता होती है।
अंशांकन की आवश्यकताएं	समय के साथ EM लाभ में गिरावट आती है (गुणन क्षय), जिसके लिए नियमित अंशांकन की आवश्यकता होती है।
लघु जोखिम अस्थिरता	बहुत संक्षिप्त एक्सपोजर से अप्रत्याशित सिग्नल प्रवर्धन और शोर उत्पन्न हो सकता है।
उच्च लागत	जटिल विनिर्माण और गहन शीतलन के कारण ये सेंसर sCMOS की तुलना में अधिक महंगे हैं।
सीमित जीवनकाल	इलेक्ट्रॉन गुणन रजिस्टर खराब हो जाता है, आमतौर पर 5-10 वर्षों तक।
निर्यात चुनौतियाँ	संभावित सैन्य अनुप्रयोगों के कारण सख्त नियमों के अधीन।

● सीमित गति: तीव्र EMCCDs 1 MP पर लगभग 30 fps प्रदान करते हैं, जो CCDs के समान है, तथा CMOS कैमरों की तुलना में काफी धीमा है।

● शोर परिचययादृच्छिक इलेक्ट्रॉन गुणन के कारण उत्पन्न 'अतिरिक्त शोर कारक', समान क्वांटम दक्षता वाले कम शोर वाले sCMOS कैमरे की तुलना में, सिग्नल स्तरों के आधार पर EMCCDs को अत्यधिक उच्च शोर दे सकता है। उच्च-स्तरीय sCMOS के लिए SNR आमतौर पर लगभग 3e- के सिग्नल के लिए बेहतर होता है, और उच्चतर सिग्नल के लिए तो और भी बेहतर।

● क्लॉक-प्रेरित चार्ज (सीआईसी): जब तक सावधानीपूर्वक नियंत्रित न किया जाए, सेंसर के आर-पार आवेशों की गति पिक्सेल में अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों का प्रवेश करा सकती है। यह शोर इलेक्ट्रॉन गुणन रजिस्टर द्वारा गुणा हो जाता है। आवेशों की गति (क्लॉक रेट) अधिक होने से फ़्रेम रेट तो अधिक होता है, लेकिन CIC भी अधिक होता है।

● कम गतिशील रेंजईएमसीसीडी रीड नॉइज पर काबू पाने के लिए आवश्यक बहुत उच्च इलेक्ट्रॉन गुणन मान के कारण डायनेमिक रेंज बहुत कम हो जाती है।

● बड़ा पिक्सेल आकारEMCCD कैमरों के लिए सबसे छोटा सामान्य पिक्सेल आकार 10 μm है, लेकिन 13 या 16 μm सबसे आम है। यह अधिकांश ऑप्टिकल सिस्टम की रिज़ॉल्यूशन आवश्यकताओं के अनुरूप होने के लिए बहुत बड़ा है।

● अंशांकन आवश्यकताएँइलेक्ट्रॉन गुणन प्रक्रिया, उपयोग के साथ EM रजिस्टर को घिस देती है, जिससे 'इलेक्ट्रॉन गुणन क्षय' नामक प्रक्रिया में इसकी गुणन क्षमता कम हो जाती है। इसका अर्थ है कि कैमरे का लाभ लगातार बदलता रहता है, और किसी भी मात्रात्मक इमेजिंग के लिए कैमरे को नियमित अंशांकन की आवश्यकता होती है।

● कम समय में असंगत एक्सपोजरबहुत कम एक्सपोज़र समय का उपयोग करते समय, EMCCD कैमरे असंगत परिणाम दे सकते हैं, क्योंकि कमजोर सिग्नल शोर से दब जाता है, और प्रवर्धन प्रक्रिया सांख्यिकीय उतार-चढ़ाव लाती है।

● अत्यधिक शीतलन आवश्यकताइलेक्ट्रॉन गुणन प्रक्रिया तापमान से अत्यधिक प्रभावित होती है। सेंसर को ठंडा करने से उपलब्ध इलेक्ट्रॉन गुणन बढ़ जाता है। इसलिए, तापमान स्थिरता बनाए रखते हुए सेंसर को गहराई से ठंडा करना, पुनरुत्पादनीय EMCCD मापन के लिए महत्वपूर्ण है।

● उच्च लागतइन बहु-घटक सेंसरों के निर्माण की कठिनाई, गहन शीतलन के साथ मिलकर, इनकी कीमतों को आमतौर पर उच्चतम गुणवत्ता वाले sCMOS सेंसर कैमरों की तुलना में अधिक बना देती है।

● सीमित जीवनकालइलेक्ट्रॉन गुणन क्षय इन महंगे सेंसरों के जीवनकाल को आमतौर पर 5-10 वर्षों तक सीमित कर देता है, जो उपयोग के स्तर पर निर्भर करता है।

● निर्यात चुनौतियाँसैन्य अनुप्रयोगों में उनके संभावित उपयोग के कारण ईएमसीसीडी सेंसरों का आयात और निर्यात तार्किक रूप से चुनौतीपूर्ण होता है।

EMCCD, CCD का उत्तराधिकारी क्यों है?

विशेषता	सीसीडी	ईएमसीसीडी
संवेदनशीलता	उच्च	अति-उच्च (विशेषकर कम प्रकाश)
रीडआउट शोर	मध्यम	अत्यंत कम (लाभ के कारण)
डानामिक रेंज	उच्च	मध्यम (लाभ द्वारा सीमित)
लागत	निचला	उच्च
शीतलक	वैकल्पिक	आमतौर पर इष्टतम प्रदर्शन के लिए आवश्यक
उपयोग के मामले	सामान्य इमेजिंग	कम-प्रकाश, एकल-फोटॉन का पता लगाना

EMCCD सेंसर, इलेक्ट्रॉन गुणन चरण को शामिल करके पारंपरिक CCD तकनीक पर आधारित होते हैं। यह कमज़ोर संकेतों को बढ़ाने और शोर को कम करने की क्षमता को बढ़ाता है, जिससे EMCCD अत्यंत कम रोशनी वाले इमेजिंग अनुप्रयोगों के लिए पसंदीदा विकल्प बन जाते हैं जहाँ CCD सेंसर कमज़ोर पड़ जाते हैं।

EMCCD सेंसर के प्रमुख अनुप्रयोग

ईएमसीसीडी सेंसर का उपयोग आमतौर पर वैज्ञानिक और औद्योगिक क्षेत्रों में किया जाता है, जहां उच्च संवेदनशीलता और कमजोर संकेतों का पता लगाने की क्षमता की आवश्यकता होती है:

● लाइफ साइंस इमेजिनg: एकल-अणु प्रतिदीप्ति सूक्ष्मदर्शी और पूर्ण आंतरिक परावर्तन प्रतिदीप्ति (TIRF) सूक्ष्मदर्शी जैसे अनुप्रयोगों के लिए।
● खगोल विज्ञान: दूर के तारों, आकाशगंगाओं और बाह्यग्रहों से आने वाले मंद प्रकाश को पकड़ने के लिए उपयोग किया जाता है।
● क्वांटम ऑप्टिक्स: फोटॉन उलझाव और क्वांटम सूचना प्रयोगों के लिए।

● फोरेंसिक और सुरक्षा: कम रोशनी में निगरानी और ट्रेस साक्ष्य विश्लेषण में कार्यरत।
● स्पेक्ट्रोस्कोपी: रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी और कम तीव्रता प्रतिदीप्ति का पता लगाने में।

आपको EMCCD सेंसर कब चुनना चाहिए?

हाल के वर्षों में CMOS सेंसरों में हुए सुधारों के साथ, EMCCD सेंसरों का रीड नॉइज़ लाभ कम हो गया है क्योंकि अब sCMOS कैमरे भी कई अन्य लाभों के साथ-साथ सबइलेक्ट्रॉन रीड नॉइज़ का उपयोग करने में सक्षम हैं। यदि किसी एप्लिकेशन ने पहले EMCCD का उपयोग किया है, तो यह समीक्षा करना उचित होगा कि क्या sCMOS में हुए विकास को देखते हुए यह सबसे अच्छा विकल्प है।

ऐतिहासिक रूप से, EMCCDs अभी भी कुछ अन्य विशिष्ट अनुप्रयोगों की तरह, अधिकतम 3-5e- प्रति पिक्सेल से कम विशिष्ट सिग्नल स्तरों वाले फोटॉन काउंटिंग को अधिक सफलतापूर्वक कर सकते थे। हालाँकि, बड़े पिक्सेल आकार और उप-इलेक्ट्रॉन रीड नॉइज़ उपलब्ध होने के साथ,वैज्ञानिक कैमरेएससीएमओएस प्रौद्योगिकी पर आधारित, यह संभव है कि ये अनुप्रयोग भी शीघ्र ही उच्च-स्तरीय एससीएमओएस के साथ निष्पादित किए जा सकेंगे।

पूछे जाने वाले प्रश्न

फ्रेम ट्रांसफर कैमरों के लिए न्यूनतम एक्सपोज़र समय क्या है?

EMCCD सहित सभी फ़्रेम ट्रांसफ़र सेंसरों के लिए, न्यूनतम संभव एक्सपोज़र समय का प्रश्न जटिल है। एकल छवि अधिग्रहण के लिए, अधिग्रहीत आवेशों को बहुत तेज़ी से रीडआउट के लिए मास्क्ड क्षेत्र में स्थानांतरित करके एक्सपोज़र को समाप्त किया जा सकता है, और कम (सब-माइक्रोसेकंड) न्यूनतम एक्सपोज़र समय संभव है।

हालाँकि, जैसे ही कैमरा पूरी गति से स्ट्रीमिंग करता है, यानी पूरी फ्रेम दर पर एक मूवी के कई फ्रेम प्राप्त करता है, जैसे ही पहली छवि एक्सपोज़ होती है, मास्क्ड क्षेत्र उस फ्रेम द्वारा तब तक कब्जा कर लिया जाता है जब तक कि रीडआउट पूरा न हो जाए। इसलिए एक्सपोज़र समाप्त नहीं हो सकता। इसका मतलब है कि, सॉफ़्टवेयर में अनुरोधित एक्सपोज़र समय चाहे जो भी हो, पूर्ण-गति वाले बहु-फ्रेम अधिग्रहण के पहले फ्रेम के बाद आने वाले फ्रेम का वास्तविक एक्सपोज़र समय कैमरे के फ्रेम समय, यानी 1 / फ्रेम दर, द्वारा दिया जाता है।

क्या sCMOS प्रौद्योगिकी EMCCD सेंसरों की जगह ले रही है?

EMCCD कैमरों की दो विशिष्टताएँ थीं जो उन्हें अत्यंत कम रोशनी वाले इमेजिंग परिदृश्यों (5 फोटोइलेक्ट्रॉन या उससे कम के अधिकतम सिग्नल स्तर के साथ) में अपनी बढ़त बनाए रखने में मदद करती थीं। पहला, उनके बड़े पिक्सेल, 16 μm तक, और दूसरा, उनका <1e- रीड नॉइज़।

एक नई पीढ़ीएससीएमओएस कैमराऐसे कैमरे सामने आए हैं जो EMCCD की कई कमियों, खासकर अत्यधिक शोर कारक के बिना, यही विशेषताएँ प्रदान करते हैं। टक्सन के एरीज़ 16 जैसे कैमरे 0.8e- के रीड नॉइज़ के साथ 16 μm बैक-इलुमिनेटेड पिक्सेल प्रदान करते हैं। कम शोर और 'मूल रूप से' बड़े पिक्सेल के साथ, ये कैमरे बाइनिंग और रीड नॉइज़ के बीच संबंध के कारण, अधिकांश बाइन्डेड sCMOS कैमरों से भी बेहतर प्रदर्शन करते हैं।

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क्या ईएमसीसीडी को प्रतिस्थापित किया जा सकता है और क्या हम कभी ऐसा चाहेंगे?