25/08/01Էլեկտրոնային բազմապատկիչ CCD սենսորը CCD սենսորի զարգացումն է՝ թույլ տալու ցածր լուսավորության պայմաններում աշխատել: Դրանք սովորաբար նախատեսված են մի քանի հարյուր ֆոտոէլեկտրոնների ազդանշանների համար՝ մինչև առանձին ֆոտոնների հաշվարկի մակարդակը:
Այս հոդվածը բացատրում է, թե ինչ են EMCCD սենսորները, ինչպես են դրանք գործում, դրանց առավելություններն ու թերությունները, և թե ինչու են դրանք համարվում CCD տեխնոլոգիայի հաջորդ զարգացումը թույլ լուսավորության պայմաններում պատկերման համար։
Ի՞նչ է EMCCD սենսորը։
Էլեկտրոնային բազմապատկող լիցք-զուգակցված սարքի (EMCCD) սենսորը CCD սենսորի մասնագիտացված տեսակ է, որը ուժեղացնում է թույլ ազդանշանները՝ նախքան դրանց ընթերցումը, ինչը թույլ է տալիս ապահովել չափազանց բարձր զգայունություն թույլ լուսավորության պայմաններում:
Սկզբնապես մշակված լինելով աստղագիտության և առաջադեմ մանրադիտակի նման կիրառությունների համար, EMCCD-ները կարող են հայտնաբերել առանձին ֆոտոններ, մի խնդիր, որի լուծման համար ավանդական CCD սենսորները դժվարանում են: Առանձին ֆոտոններ հայտնաբերելու այս ունակությունը EMCCD-ները դարձնում է կարևորագույն այն ոլորտների համար, որոնք պահանջում են ճշգրիտ պատկերացում շատ ցածր լուսավորության մակարդակների պայմաններում:
Ինչպե՞ս են աշխատում EMCCD սենսորները։
Մինչև ցուցմունքի կետը, EMCCD սենսորները գործում են նույն սկզբունքներով, ինչ CCD սենսորները: Այնուամենայնիվ, ADC-ով չափումից առաջ հայտնաբերված լիցքերը բազմապատկվում են «էլեկտրոնային բազմապատկման ռեգիստրում» կոչվող իմպակցիոնիզացիայի գործընթացով: Մի քանի հարյուր քայլերի ընթացքում պիքսելից եկող լիցքերը տեղափոխվում են բարձր լարման տակ գտնվող դիմակավորված պիքսելների շարքի երկայնքով: Յուրաքանչյուր քայլում յուրաքանչյուր էլեկտրոն հնարավորություն ունի լրացուցիչ էլեկտրոններ բերելու: Հետևաբար, ազդանշանը բազմապատկվում է էքսպոնենցիալ:
Լավ կարգավորված EMCCD-ի վերջնական արդյունքը միջին բազմապատկման ճշգրիտ քանակ ընտրելու հնարավորությունն է, որը սովորաբար մոտ 300-ից 400 է թույլ լուսավորության պայմաններում աշխատանքի համար: Սա թույլ է տալիս, որ հայտնաբերված ազդանշանները բազմապատկվեն տեսախցիկի ընթերցման աղմուկից շատ ավելի բարձր, ըստ էության նվազեցնելով տեսախցիկի ընթերցման աղմուկը: Դժբախտաբար, այս բազմապատկման գործընթացի ստոխաստիկ բնույթը նշանակում է, որ յուրաքանչյուր պիքսել բազմապատկվում է տարբեր քանակով, ինչը ներմուծում է լրացուցիչ աղմուկի գործակից, նվազեցնելով EMCCD-ի ազդանշան-աղմուկ հարաբերակցությունը (SNR):
Ահա EMCCD սենսորների աշխատանքի մանրամասն նկարագրությունը։ Մինչև 6-րդ քայլը գործընթացը գործնականում նույնն է, ինչ CCD սենսորների դեպքում։
Նկար՝ EMCCD սենսորի ցուցմունքի գործընթացը
Իրենց ազդեցության ավարտին EMCCD սենսորները նախ արագորեն տեղափոխում են հավաքված լիցքերը լուսազգայուն զանգվածի չափերի պիքսելների դիմակավորված զանգվածի վրա (կադրի փոխանցում): Այնուհետև, մեկ տող առ մեկ, լիցքերը տեղափոխվում են ընթերցման գրանցամատյան: Մեկ սյուն առ մեկ, ընթերցման գրանցամատյանի լիցքերը փոխանցվում են բազմապատկման գրանցամատյանին: Այս գրանցամատյանի յուրաքանչյուր փուլում (մինչև 1000 փուլ իրական EMCCD տեսախցիկներում), յուրաքանչյուր էլեկտրոն ունի փոքր հնարավորություն ազատելու լրացուցիչ էլեկտրոն՝ էքսպոնենցիալ բազմապատկելով ազդանշանը: Վերջում կարդացվում է բազմապատկված ազդանշանը:
1. Վճարների մաքրումՆկարահանումը սկսելու համար լիցքը միաժամանակ մաքրվում է ամբողջ սենսորից (գլոբալ փակիչ):
2. Լիցքի կուտակումԼիցքը կուտակվում է ազդեցության ընթացքում։
3. Լիցքավորման պահեստԷքսպոզիցիայից հետո հավաքված լիցքերը տեղափոխվում են սենսորի դիմակավորված տարածք, որտեղ դրանք կարող են սպասել ընթերցմանը՝ առանց նոր հայտնաբերված ֆոտոնների հաշվարկի: Սա «Կադրերի փոխանցման» գործընթացն է:
4. Հաջորդ կադրի էքսպոզիցիաԴիմակավորված պիքսելներում պահված հայտնաբերված լիցքերով ակտիվ պիքսելները կարող են սկսել հաջորդ կադրի էքսպոզիցիաները (համընկնման ռեժիմ):
5. Կարդալու գործընթացՄեկ տող առ մեկ, պատրաստի կադրի յուրաքանչյուր տողի լիցքերը տեղափոխվում են «ընթերցման ռեգիստր»։
6. Յուրաքանչյուր պիքսելից լիցքերը սյունակ առ սյունակ տեղափոխվում են ընթերցման հանգույց։
7. Էլեկտրոնի բազմապատկումՀաջորդը, պիքսելից եկող բոլոր էլեկտրոնային լիցքերը մտնում են էլեկտրոնային բազմապատկման ռեգիստր և շարժվում քայլ առ քայլ՝ յուրաքանչյուր քայլում բազմապատկելով իրենց թիվը էքսպոնենցիալ կերպով։
8. Ցուցադրման արդյունքԲազմապատկված ազդանշանը կարդացվում է ADC-ի կողմից, և գործընթացը կրկնվում է մինչև ամբողջ կադրը կարդացվի։
EMCCD սենսորների դրական և բացասական կողմերը
EMCCD սենսորների առավելությունները
| Առավելություն | Նկարագրություն |
| Ֆոտոնների հաշվարկ | Հայտնաբերում է առանձին ֆոտոէլեկտրոններ գերցածր ընթերցման աղմուկով (<0.2e⁻), հնարավորություն տալով ստանալ մեկ ֆոտոնի զգայունություն։ |
| Գերցածր լույսի զգայունություն | Զգալիորեն ավելի լավ է, քան ավանդական CCD-ները, երբեմն գերազանցելով նույնիսկ բարձրակարգ sCMOS տեսախցիկներին շատ ցածր լուսավորության պայմաններում։ |
| Ցածր մութ հոսանք | Խորը սառեցումը նվազեցնում է ջերմային աղմուկը՝ ապահովելով ավելի մաքուր պատկերներ երկար էքսպոզիցիայի ժամանակ։ |
| «Կիսագլոբալ» փակաղակ | Կադրերի փոխանցումը թույլ է տալիս գրեթե գլոբալ էքսպոզիցիա շատ արագ լիցքի տեղաշարժով (~1 միկրովայրկյան): |
● Ֆոտոնների հաշվարկԲավականաչափ բարձր էլեկտրոնների բազմապատկման դեպքում ընթերցման աղմուկը գործնականում կարող է վերացվել (<0.2e-): Սա, բարձր ուժեղացման արժեքի և գրեթե կատարյալ քվանտային արդյունավետության հետ մեկտեղ, նշանակում է, որ հնարավոր է տարբերակել առանձին ֆոտոէլեկտրոնները:
● Գերցածր լույսի զգայունությունCCD-ների համեմատ, EMCCD-ների թույլ լուսավորության պայմաններում աշխատանքը զգալիորեն ավելի լավ է։ Կարող են լինել որոշ կիրառություններ, որտեղ EMCCD-ն ապահովում է ավելի լավ հայտնաբերման հնարավորություն և կոնտրաստ, նույնիսկ բարձրակարգ sCMOS-ի համեմատ՝ հնարավոր ամենացածր լուսավորության մակարդակներում։
● Ցածր մութ հոսանքԻնչպես CCD-ները, EMCCD-ները սովորաբար խորը սառեցվում են և կարող են ապահովել շատ ցածր մութ հոսանքի արժեքներ։
● «Կիսագլոբալ» փակաղակԿադրի փոխանցման գործընթացը՝ էքսպոզիցիայի մեկնարկի և ավարտի համար, իրականում միաժամանակյա չէ, այլ սովորաբար տևում է մոտ 1 միկրովայրկյան։
EMCCD սենսորների թերությունները
| Թերություն | Նկարագրություն |
| Սահմանափակ արագություն | Կադրերի առավելագույն հաճախականությունը (~30 կադր/վրկ 1 մեգապիքսել լուծաչափով) շատ ավելի դանդաղ է, քան ժամանակակից CMOS այլընտրանքները։ |
| Ուժեղացման աղմուկ | Էլեկտրոնների բազմացման պատահական բնույթը ներմուծում է ավելորդ աղմուկ, որը նվազեցնում է SNR-ը։ |
| Ժամացույցի ինդուկցված լիցք (CIC) | Արագ լիցքավորման շարժումը կարող է կեղծ ազդանշաններ ներմուծել, որոնք ուժեղանում են։ |
| Նվազեցված դինամիկ տիրույթ | Բարձր ուժեղացումը նվազեցնում է սենսորի կողմից հագեցումից առաջ մշակման առավելագույն ազդանշանը։ |
| Մեծ պիքսելային չափս | Պիքսելների տարածված չափերը (13–16 մկմ) կարող են չհամապատասխանել օպտիկական համակարգի բազմաթիվ պահանջներին։ |
| Ծանր սառեցման պահանջ | Հետևողական բազմապատկման և ցածր աղմուկի հասնելու համար անհրաժեշտ է կայուն խորը սառեցում։ |
| Կալիբրացման կարիքներ | Էլեկտրամագնիսական ուժգնացումը ժամանակի ընթացքում վատանում է (բազմապատկման անկում), ինչը պահանջում է կանոնավոր կարգաբերում։ |
| Կարճատև ազդեցության անկայունություն | Շատ կարճատև ազդեցությունները կարող են առաջացնել անկանխատեսելի ազդանշանի ուժեղացում և աղմուկ։ |
| Բարձր գին | Բարդ արտադրությունը և խորը սառեցումը այս սենսորները դարձնում են ավելի թանկ, քան sCMOS-ները։ |
| Սահմանափակ կյանքի տևողություն | Էլեկտրոնների բազմապատկման գրանցամատյանը մաշվում է, սովորաբար ծառայելով 5-10 տարի։ |
| Արտահանման մարտահրավերներ | Ենթակա է խիստ կանոնակարգերի՝ հնարավոր ռազմական կիրառման պատճառով։ |
● Սահմանափակ արագությունԱրագ EMCCD-ները 1 մեգապիքսել լուծաչափով ապահովում են մոտ 30 կադր/վրկ արագություն, նման CCD-ներին, ինչը զգալիորեն դանդաղ է CMOS տեսախցիկներից։
● Աղմուկի ներածությունՊատահական էլեկտրոնների բազմապատկման հետևանքով առաջացած «ավելորդ աղմուկի գործակիցը», համեմատած նույն քվանտային արդյունավետությամբ ցածր աղմուկ ունեցող sCMOS տեսախցիկի հետ, կարող է EMCCD-ներին զգալիորեն ավելի բարձր աղմուկ տալ՝ կախված ազդանշանի մակարդակից: Բարձրակարգ sCMOS-ի համար SNR-ը սովորաբար ավելի լավ է մոտ 3e- ազդանշանների համար, նույնիսկ ավելի բարձր ազդանշանների համար:
● Ժամացույցի ինդուկցված լիցք (CIC)Եթե ուշադիր չվերահսկվի, սենսորի վրայով լիցքերի շարժումը կարող է լրացուցիչ էլեկտրոններ ներմուծել պիքսելների մեջ։ Այս աղմուկը այնուհետև բազմապատկվում է էլեկտրոնների բազմապատկման ռեգիստրով։ Լիցքերի շարժման ավելի բարձր արագությունները (ժամացույցի հաճախականությունները) հանգեցնում են կադրերի ավելի բարձր հաճախականության, բայց ավելի մեծ CIC-ի։
● Նվազեցված դինամիկ տիրույթEMCCD ընթերցման աղմուկը հաղթահարելու համար անհրաժեշտ շատ բարձր էլեկտրոնների բազմապատկման արժեքները հանգեցնում են դինամիկ տիրույթի զգալիորեն կրճատման։
● Մեծ պիքսելային չափսEMCCD տեսախցիկների համար ամենափոքր տարածված պիքսելային չափը 10 մկմ է, սակայն ամենատարածվածը 13 կամ 16 մկմ է։ Սա չափազանց մեծ է օպտիկական համակարգերի մեծ մասի թույլտվության պահանջներին համապատասխանելու համար։
● Կալիբրացման պահանջներԷլեկտրոնների բազմապատկման գործընթացը օգտագործման ընթացքում մաշում է Էլեկտրամագնիսական ռեգիստրը՝ նվազեցնելով դրա բազմապատկման ունակությունը «էլեկտրոնների բազմապատկման քայքայում» կոչվող գործընթացում: Սա նշանակում է, որ տեսախցիկի ուժգնացումը անընդհատ փոխվում է, և տեսախցիկը պահանջում է կանոնավոր կարգաբերում՝ քանակական պատկերում կատարելու համար:
● Կարճ ժամանակներում անհամապատասխան ազդեցությունՇատ կարճ էքսպոզիցիայի ժամանակներ օգտագործելիս EMCCD տեսախցիկները կարող են անհամապատասխան արդյունքներ տալ, քանի որ թույլ ազդանշանը ճնշվում է աղմուկով, և ուժեղացման գործընթացը բերում է վիճակագրական տատանումների։
● Ծանր սառեցման պահանջԷլեկտրոնների բազմացման գործընթացը ուժեղ ազդեցություն է ունենում ջերմաստիճանից։ Սենսորի սառեցումը մեծացնում է առկա էլեկտրոնների բազմացումը։ Հետևաբար, սենսորի խորը սառեցումը՝ ջերմաստիճանի կայունությունը պահպանելով, կարևոր է EMCCD չափումների վերարտադրելիության համար։
● Բարձր գինԱյս բազմաբաղադրիչ սենսորների արտադրության դժվարությունը, զուգորդված խորը սառեցման հետ, հանգեցնում է գների, որոնք սովորաբար ավելի բարձր են, քան ամենաբարձր որակի sCMOS սենսորային տեսախցիկները։
● Սահմանափակ կյանքի տևողությունԷլեկտրոնների բազմապատկման քայքայումը սահմանափակում է այս թանկարժեք սենսորների կյանքի տևողությունը՝ սովորաբար 5-10 տարի, կախված օգտագործման մակարդակից։
● Արտահանման մարտահրավերներEMCCD սենսորների ներմուծումն ու արտահանումը լոգիստիկորեն մարտահրավերներ են ներկայացնում՝ ռազմական կիրառություններում դրանց հնարավոր օգտագործման պատճառով։
Ինչու է EMCCD-ն CCD-ի իրավահաջորդը
| Հատկանիշ | CCD | EMCCD |
| Զգայունություն | Բարձր | Գերբարձր (հատկապես թույլ լուսավորության դեպքում) |
| Ցուցադրման աղմուկ | Միջին | Չափազանց ցածր (ուժեղացման պատճառով) |
| Դինամիկ տիրույթ | Բարձր | Միջին (սահմանափակված է ուժեղացմամբ) |
| Արժեքը | Ստորին | Ավելի բարձր |
| Սառեցում | Ըստ ցանկության | Սովորաբար անհրաժեշտ է օպտիմալ աշխատանքի համար |
| Օգտագործման դեպքեր | Ընդհանուր պատկերագրություն | Ցածր լուսավորության պայմաններում, մեկ ֆոտոնային հայտնաբերում |
EMCCD սենսորները հիմնված են ավանդական CCD տեխնոլոգիայի վրա՝ ներառելով էլեկտրոնների բազմապատկման քայլ: Սա բարելավում է թույլ ազդանշանները ուժեղացնելու և աղմուկը նվազեցնելու ունակությունը, ինչը EMCCD-ները դարձնում է նախընտրելի ընտրություն ծայրահեղ թույլ լուսավորության պայմաններում պատկերման կիրառությունների համար, որտեղ CCD սենսորները թերի են:
EMCCD սենսորների հիմնական կիրառությունները
EMCCD սենսորները լայնորեն օգտագործվում են գիտական և արդյունաբերական ոլորտներում, որոնք պահանջում են բարձր զգայունություն և թույլ ազդանշաններ հայտնաբերելու ունակություն։
● Կենսաբանական գիտություն Պատկերացրեքg: Միամոլեկուլային ֆլուորեսցենտային մանրադիտակի և լրիվ ներքին արտացոլման ֆլուորեսցենտային (TIRF) մանրադիտակի նման կիրառությունների համար։
● ԱստղագիտությունՕգտագործվում է հեռավոր աստղերից, գալակտիկաներից և էկզոմոլորակներից եկող թույլ լույսը որսալու համար։
● Քվանտային օպտիկաՖոտոնային խճճվածքի և քվանտային տեղեկատվության փորձերի համար։
● Դատաբժշկական փորձաքննություն և անվտանգությունԱշխատել է ցածր լուսավորության պայմաններում հսկողության և հետքերի ապացույցների վերլուծության մեջ։
● ՍպեկտրոսկոպիաՌամանի սպեկտրոսկոպիայում և ցածր ինտենսիվության ֆլուորեսցենցիայի հայտնաբերման մեջ։
Ե՞րբ պետք է ընտրել EMCCD սենսոր:
Վերջին տարիներին CMOS սենսորների կատարելագործման հետ մեկտեղ, EMCCD սենսորների ընթերցման աղմուկի առավելությունը նվազել է, քանի որ այժմ նույնիսկ sCMOS տեսախցիկները կարող են ենթաէլեկտրոնային ընթերցման աղմուկ առաջացնել՝ այլ առավելությունների լայն շրջանակի հետ մեկտեղ: Եթե որևէ ծրագիր նախկինում օգտագործել է EMCCD-ներ, ապա արժե վերանայել, թե արդյոք սա լավագույն ընտրությունն է՝ հաշվի առնելով sCMOS-ի զարգացումները:
Պատմականորեն, EMCCD-ները դեռևս կարող էին ավելի հաջողությամբ իրականացնել ֆոտոնների հաշվարկ, մի քանի այլ մասնագիտացված կիրառությունների հետ մեկտեղ, որոնց բնորոշ ազդանշանի մակարդակը գագաթնակետին 3-5e-ից պակաս էր մեկ պիքսելի համար։ Սակայն, ավելի մեծ պիքսելների չափերի և ենթաէլեկտրոնային ընթերցման աղմուկի ի հայտ գալու հետ մեկտեղ,գիտական տեսախցիկներsCMOS տեխնոլոգիայի վրա հիմնված, հնարավոր է, որ այս ծրագրերը նույնպես շուտով կարող են իրականացվել բարձրակարգ sCMOS-ով։
Հաճախակի տրվող հարցեր
Որքա՞ն է կադրի փոխանցման տեսախցիկների նվազագույն էքսպոզիցիայի ժամանակը։
Բոլոր կադրի փոխանցման սենսորների, այդ թվում՝ EMCCD-ների համար, նվազագույն հնարավոր էքսպոզիցիայի ժամանակի հարցը բարդ է։ Մեկ պատկերի ստացման դեպքում էքսպոզիցիան կարող է ավարտվել՝ ստացված լիցքերը շատ արագ տեղափոխելով դիմակավորված տարածք՝ ընթերցման համար, և հնարավոր են կարճ (ենթավայրկյանային) նվազագույն էքսպոզիցիայի ժամանակներ։
Սակայն, հենց որ տեսախցիկը սկսում է հեռարձակել լրիվ արագությամբ, այսինքն՝ նկարահանելով մի քանի կադր / ֆիլմ լրիվ կադրերի հաճախականությամբ, հենց որ առաջին պատկերն ավարտում է էքսպոզիցիան, դիմակավորված տարածքը զբաղեցնում է այդ կադրը մինչև ընթերցման ավարտը։ Հետևաբար, էքսպոզիցիան չի կարող ավարտվել։ Սա նշանակում է, որ անկախ ծրագրաշարում պահանջվող էքսպոզիցիայի ժամանակից, լրիվ արագությամբ բազմակադրային առաջին ձեռքբերումից հետո հաջորդող կադրերի իրական էքսպոզիցիայի ժամանակը տրվում է տեսախցիկի կադրի ժամանակով, այսինքն՝ 1 / Կադրերի հաճախականությամբ։
Արդյո՞ք sCMOS տեխնոլոգիան փոխարինում է EMCCD սենսորներին։
EMCCD տեսախցիկներն ունեին երկու տեխնիկական բնութագրեր, որոնք օգնում էին պահպանել իրենց առավելությունը ծայրահեղ ցածր լուսավորության պատկերման սցենարներում (5 կամ ավելի քիչ լուսային էլեկտրոնների գագաթնակետային ազդանշանի մակարդակներով): Նախ, դրանց մեծ պիքսելները՝ մինչև 16 մկմ, և երկրորդ՝ <1e ընթերցման աղմուկը:
Նոր սերունդsCMOS տեսախցիկՀայտնվել է մի մոդել, որն առաջարկում է նույն բնութագրերը՝ առանց EMCCD-ների բազմաթիվ թերությունների, մասնավորապես՝ ավելորդ աղմուկի գործակցի: Թուսենի Aries 16-ի նման տեսախցիկները առաջարկում են 16 մկմ հետին լուսավորությամբ պիքսելներ՝ 0.8e- ընթերցման աղմուկով: Ցածր աղմուկով և «բնական» մեծ պիքսելներով այս տեսախցիկները նաև գերազանցում են խմբավորված sCMOS տեսախցիկների մեծ մասին՝ խմբավորման և ընթերցման աղմուկի միջև եղած կապի շնորհիվ:
Եթե ցանկանում եք ավելին իմանալ EMCCD-ի մասին, խնդրում ենք սեղմել՝
Կարո՞ղ է EMCCD-ն փոխարինվել, և արդյո՞ք մենք երբևէ դա կցանկանանք։
Tucsen Photonics Co., Ltd. Բոլոր իրավունքները պաշտպանված են։ Մեջբերելիս խնդրում ենք նշել աղբյուրը։www.tucsen.com
