25/08/01Rafeindamargföldunar-CCD skynjarinn er þróun CCD skynjarans sem gerir kleift að nota við lægra ljós. Þeir eru yfirleitt ætlaðir fyrir merki frá nokkur hundruð ljósrafeindum, allt niður í einstaka ljóseindatöllun.
Þessi grein útskýrir hvað EMCCD skynjarar eru, hvernig þeir virka, kosti þeirra og galla og hvers vegna þeir eru taldir næsta þróun CCD tækni fyrir myndgreiningu í lítilli birtu.
Hvað er EMCCD skynjari?
Rafmagnsmargföldunarhleðslutengdur tæki (EMCCD) skynjari er sérhæfð gerð CCD skynjara sem magnar veik merki áður en þau eru lesin út, sem gerir kleift að ná mjög mikilli næmni í lítilli birtu.
EMCCD-skynjarar voru upphaflega þróaðir fyrir notkun eins og stjörnufræði og háþróaða smásjárskoðun og geta greint einstakar ljóseindir, verkefni sem hefðbundnir CCD-skynjarar eiga erfitt með. Þessi hæfni til að greina einstakar ljóseindir gerir EMCCD-skynjara mikilvæga fyrir svið sem krefjast nákvæmrar myndgreiningar við mjög lágt ljósstig.
Hvernig virka EMCCD skynjarar?
Þar til rafeindamælingar eru gerðar virka EMCCD-skynjarar eftir sömu meginreglum og CCD-skynjarar. Hins vegar, áður en mælingar eru gerðar með ADC, eru mældar hleðslur margfaldaðar með ferli sem kallast áreksjónun, í „rafeindamargföldunarskrá“. Í nokkur hundruð skrefum eru hleðslur frá pixli færðar eftir röð af grímuðum pixlum við háspennu. Hver rafeind í hverju skrefi hefur möguleika á að bera með sér viðbótarrafeindir. Merkið er því margfaldað veldisvísis.
Endanleg niðurstaða vel stilltrar EMCCD er hæfni til að velja nákvæma meðaltalsmargföldunar, venjulega í kringum 300 til 400 fyrir vinnu í lítilli birtu. Þetta gerir kleift að margfalda merkin sem greind eru mun meira en lestrarhávaði myndavélarinnar, sem dregur í raun úr lestrarhávaða myndavélarinnar. Því miður þýðir tilviljunarkennd eðli þessa margföldunarferlis að hver pixla er margfölduð með mismunandi magni, sem bætir við viðbótarhávaðaþætti og dregur úr merkja-til-hávaðahlutfalli (SNR) EMCCD.
Hér er sundurliðun á því hvernig EMCCD skynjarar virka. Fram að skrefi 6 er ferlið í raun það sama og fyrir CCD skynjara.
Í lok lýsingartíma færa EMCCD skynjararnir fyrst safnaðar hleðslur hratt yfir í grímda röð pixla sem eru jafnvígar og ljósnæma röðin (rammaflutningur). Síðan eru hleðslur, ein röð í einu, færðar yfir í lesskrá. Í einum dálki í einu eru hleðslur innan lesskrárinnar sendar yfir í margföldunarskrá. Á hverju stigi þessa skrár (allt að 1000 stig í raunverulegum EMCCD myndavélum) hefur hver rafeind lítinn möguleika á að losa um viðbótar rafeind, sem margfaldar merkið veldisvísis. Í lokin er margfaldaða merkið lesið út.
1. GjaldajöfnunTil að hefja myndatökuna er hleðslan hreinsuð samtímis úr öllum skynjaranum (alheimslokari).
2. HleðslusöfnunHleðsla safnast fyrir við útsetningu.
3. Geymsla hleðsluEftir útsetningu eru safnaðar hleðslur færðar á grímukennt svæði skynjarans þar sem þær geta beðið eftir aflestri án þess að nýjar ljóseindir séu taldar. Þetta er „rammaflutningsferlið“.
4. Næsti rammi lýsingÞegar greind hleðslur hafa verið geymdar í grímuðum pixlum geta virku pixlarnir hafið lýsingu næsta ramma (skörunarstilling).
5. ÚtlestrarferliEina röð í einu eru hleðslur fyrir hverja röð fullunnins ramma færðar í „lestrarskrá“.
6. Hleðslur frá hverjum pixli eru sendar inn í leshnútinn, einn dálk í einu.
7. Rafeinda margföldunNæst fara allar rafeindahleðslur frá pixlinum inn í margföldunarskrá rafeinda og færast áfram skref fyrir skref og margfaldast í veldisvísi í hverju skrefi.
8. UpplesturMargfölduðu merkið er lesið af ADC og ferlið er endurtekið þar til allur ramminn hefur verið lesinn út.
Kostir og gallar EMCCD skynjara
Kostir EMCCD skynjara
| Kostur | Lýsing |
| Fótónatalning | Greinir einstakar ljósrafeindir með afar lágu lestrarsuði (<0,2e⁻), sem gerir kleift að ná næmi fyrir einni ljóseind. |
| Mjög lágt ljósnæmi | Mun betri en hefðbundnar CCD-myndavélar, stundum betri en jafnvel hágæða sCMOS-myndavélar við mjög litla birtu. |
| Lágur dökkstraumur | Djúpkæling dregur úr hitauppstreymi og gerir myndirnar skýrari við langar lýsingartímar. |
| „Hálf-alþjóðleg“ lokara | Rammaflutningur gerir kleift að ná nærri hnattrænni útsetningu með mjög hraðri hleðslufærslu (~1 míkrósekúnda). |
● LjóseiningartalningMeð nægilega mikilli rafeindafjölgun er nánast hægt að útrýma lestrarsuði (<0,2e-). Þetta, ásamt háu ávinningsgildi og nær fullkominni skammtavirkni, þýðir að hægt er að greina einstakar ljósrafeindir.
● Mjög lágt ljósnæmiÍ samanburði við CCD-myndavélar (e. CCD) eru EMCCD-myndavélar mun betri í lítilli birtu. Í sumum tilfellum geta EMCCD-myndavélar veitt betri greiningargetu og birtuskil, jafnvel en hágæða sCMOS-myndavélar við lægsta mögulega birtustig.
● Lágt myrkurstraumurEins og með CCD-rafhlöður eru EMCCD-rafhlöður yfirleitt djúpkældar og geta skilað mjög lágum dökkstraumsgildum.
● Lokari „hálf alþjóðlegur“Rammaflutningurinn til að hefja og enda lýsingu er ekki sannarlega samtímis, en tekur venjulega um það bil 1 míkrósekúndu.
Ókostir við EMCCD skynjara
| Ókostur | Lýsing |
| Takmarkaður hraði | Hámarks rammatíðni (~30 fps við 1 MP) er mun hægari en nútíma CMOS valkostir. |
| Magnunarhávaði | Handahófskennd eðli rafeindafjölgunar veldur umfram hávaða, sem dregur úr signal-suði (SNR). |
| Klukkuframkallað hleðsla (CIC) | Hraðhleðsluhreyfingar geta valdið fölskum merkjum sem magnast upp. |
| Minnkað kraftmikið svið | Mikil ávinningur dregur úr hámarksmerkinu sem skynjarinn ræður við áður en hann mettast. |
| Stór pixlastærð | Algengar pixlastærðir (13–16 μm) passa hugsanlega ekki við kröfur margra ljóskerfa. |
| Mikil kælingarþörf | Stöðug djúpkæling er nauðsynleg til að ná stöðugri margföldun og lágum hávaða. |
| Kvörðunarþarfir | Raforkuaukning minnkar með tímanum (margföldunarrýrnun) og krefst reglulegrar kvörðunar. |
| Óstöðugleiki í stuttri útsetningu | Mjög stuttar útsetningar geta valdið ófyrirsjáanlegri merkjamögnun og hávaða. |
| Hár kostnaður | Flókin framleiðsla og djúpkæling gera þessa skynjara dýrari en sCMOS. |
| Takmarkaður líftími | Rafeindafjölgunarskráin slitnar, yfirleitt í 5–10 ár. |
| Útflutningsáskoranir | Háð ströngum reglum vegna hugsanlegra hernaðarnota. |
● Takmarkaður hraðiHraðvirkar EMCCD-myndavélar skila um 30 ramma á sekúndu við 1 megapixla, svipað og CCD-myndavélar, en þær eru töluvert hægari en CMOS-myndavélar.
● Kynning á hávaða„Ofhávaðastuðullinn“ sem orsakast af handahófskenndri rafeindafjölgun, samanborið við lág-suð sCMOS myndavél með sömu skammtafræðilegu skilvirkni, getur gefið EMCCD verulega hærra suð eftir merkjastigi. SNR fyrir hágæða sCMOS er yfirleitt betra fyrir merki um 3e-, og enn frekar fyrir hærri merki.
● Klukkuframkallað hleðsla (CIC)Nema hreyfing hleðslna sé vandlega stjórnað getur hún leitt til fleiri rafeinda í pixlunum. Þetta hávaði er síðan margfaldað með rafeinda margföldunarskrá. Hærri hraði hleðslna (klukkuhraði) leiðir til hærri rammatíðni, en meiri CIC.
● Minnkað kraftmikið sviðMjög há margföldunargildi rafeinda sem þarf til að vinna bug á EMCCD lestrarhávaða leiðir til mun minnkaðs breytilegs sviðs.
● Stór pixlastærðMinnsta algengasta pixlastærðin fyrir EMCCD myndavélar er 10 μm, en 13 eða 16 μm er algengust. Þetta er alltof stórt til að uppfylla upplausnarkröfur flestra sjónkerfa.
● Kröfur um kvörðunRafeindafjölgunarferlið slitnar á rafsegulmælingunni með notkun og dregur úr getu hennar til að margfaldast í ferli sem kallast „rýrnun rafeindafjölgunar“. Þetta þýðir að magn myndavélarinnar breytist stöðugt og myndavélin þarfnast reglulegrar kvörðunar til að framkvæma megindlega myndgreiningu.
● Ósamræmi í útsetningu í stuttan tímaÞegar mjög stuttir lýsingartímar eru notaðir geta EMCCD myndavélar gefið ósamræmanlegar niðurstöður vegna þess að veikt merki verður fyrir hávaða og mögnunarferlið veldur tölfræðilegum sveiflum.
● Mikil kælingarþörfHitastig hefur mikil áhrif á fjölgunarferlið á rafeindum. Kæling skynjarans eykur tiltæka fjölgun rafeinda. Þess vegna er djúpkæling skynjarans, sem tryggir stöðugleika hitastigs, mikilvæg fyrir endurtakanlegar EMCCD mælingar.
● Hár kostnaðurErfiðleikarnir við framleiðslu þessara fjölþátta skynjara, ásamt djúpkælingu, leiða til þess að verð er yfirleitt hærra en á myndavélum með sCMOS-skynjurum af hæsta gæðaflokki.
● Takmarkaður líftímiRafmagnsrýrnun setur takmarkanir á líftíma þessara dýru skynjara, venjulega 5-10 ár, allt eftir notkunarstigi.
● ÚtflutningsáskoranirInnflutningur og útflutningur á EMCCD skynjurum getur verið skipulagslega krefjandi vegna hugsanlegrar notkunar þeirra í hernaðarlegum tilgangi.
Af hverju EMCCD er arftaki CCD
| Eiginleiki | CCD | EMCCD |
| Næmi | Hátt | Mjög hátt ljós (sérstaklega lítið ljós) |
| Lestrarhljóð | Miðlungs | Mjög lágt (vegna ávinnings) |
| Dynamískt svið | Hátt | Miðlungs (takmarkað af ávinningi) |
| Kostnaður | Neðri | Hærra |
| Kæling | Valfrjálst | Venjulega nauðsynlegt fyrir bestu mögulegu afköst |
| Notkunartilvik | Almenn myndgreining | Greining með einni ljósnema í lágu ljósi |
EMCCD skynjarar byggja á hefðbundinni CCD tækni með því að fella inn rafeinda margföldunarskref. Þetta eykur getu til að magna veik merki og draga úr suði, sem gerir EMCCD að kjörnum valkosti fyrir myndgreiningarforrit í mjög litlu ljósi þar sem CCD skynjarar standa sig ekki sem skyldi.
Helstu notkunarsvið EMCCD skynjara
EMCCD skynjarar eru almennt notaðir í vísinda- og iðnaðarsviðum sem krefjast mikillar næmni og getu til að greina dauf merki:
● Lífvísindahugmyndirg: Fyrir notkun eins og flúrljómunarsmásjárskoðun á einni sameind og smásjárskoðun með heildar innri endurspeglun flúrljómunar (TIRF).
● StjörnufræðiNotað til að fanga dauft ljós frá fjarlægum stjörnum, vetrarbrautum og til rannsókna á fjarreikistjörnum.
● SkammtaljósfræðiFyrir tilraunir með ljóseindaflækju og skammtaupplýsingar.
● Réttarmeinafræði og öryggiNotað við eftirlit í lítilli birtu og greiningu á snefilgögnum.
● LitrófsgreiningÍ Raman litrófsgreiningu og lágstyrks flúrljómunargreiningu.
Hvenær ættir þú að velja EMCCD skynjara?
Með framförum í CMOS skynjurum á undanförnum árum hefur kosturinn við lestur hávaða hjá EMCCD skynjurum minnkað þar sem nú eru jafnvel sCMOS myndavélar færar um að lesa hávaða undir rafeinda, ásamt fjölmörgum öðrum kostum. Ef forrit hefur áður notað EMCCD er vel þess virði að skoða hvort þetta sé besti kosturinn miðað við þróun í sCMOS.
Sögulega séð gátu rafeindastýrðar rafeindadreifar (EMCCD) enn framkvæmt ljóseindatalningu með betri árangri, ásamt nokkrum öðrum sérhæfðum forritum með dæmigerðum merkjastigum undir 3-5e- á pixla í hámarki. Þó, með stærri pixlastærðum og lestrarhávaða frá undirrafeindum sem verður tiltækt ívísindamyndavélarByggt á sCMOS tækni er mögulegt að þessi forrit verði brátt einnig framkvæmd með hágæða sCMOS.
Algengar spurningar
Hver er lágmarkslýsingartími fyrir rammaflutningsmyndavélar?
Fyrir alla rammaflutningsnema, þar á meðal EMCCD-nema, er spurningin um lágmarks mögulegan lýsingartíma flókin. Fyrir einstakar myndatökur er hægt að ljúka lýsingunni með því að færa fengnar hleðslur inn í grímusvæðið til aflestrar mjög hratt og stuttir lágmarkslýsingartímar (undir míkrósekúndum) eru mögulegir.
Hins vegar, um leið og myndavélin streymir á fullum hraða, þ.e. tekur upp marga ramma / kvikmynd á fullum rammahraða, um leið og fyrsta myndin er lýkur með lýsingu, er grímað svæði upptekið af þeim ramma þar til útlestri er lokið. Lýsingin getur því ekki lokið. Þetta þýðir að óháð lýsingartíma sem hugbúnaðurinn óskar eftir, þá er raunverulegur lýsingartími síðari ramma eftir fyrsta ramma í fullum hraða með fjölrammatöku gefinn af rammatímanum, þ.e. 1 / rammatíðni, myndavélarinnar.
Kemur sCMOS tækni í stað EMCCD skynjara?
EMCCD myndavélarnar höfðu tvær eiginleika sem hjálpuðu þeim að viðhalda yfirburðum sínum í mjög lítilli birtu (með hámarksmerkisstigi 5 ljósrafeinda eða minna). Í fyrsta lagi stórir pixlar þeirra, allt að 16 μm, og í öðru lagi <1e-lest suð.
Ný kynslóð afsCMOS myndavélhefur komið fram sem býður upp á þessa sömu eiginleika, án þeirra fjölmörgu galla sem fylgja EMCCD-myndavélum, sérstaklega hvað varðar umfram hávaða. Myndavélar eins og Aries 16 frá Tucsen bjóða upp á 16 μm baklýstar pixlar með lestrarhávaða upp á 0,8e-. Með litlu hávaða og „innfæddum“ stórum pixlum standa þessar myndavélar sig einnig betur en flestar samansettar sCMOS myndavélar, vegna tengslanna milli samansetningar og lestrarhávaða.
Ef þú vilt vita meira um EMCCD, vinsamlegast smelltu á:
Er hægt að skipta út EMCCD og myndum við nokkurn tíma vilja það?
