25/08/01Sensor CCD Electron-Multiplying minangka evolusi saka sensor CCD kanggo ngidini operasi cahya sing luwih murah. Biasane ditrapake kanggo sinyal sawetara atus fotoelektron, mudhun menyang tingkat pangetang foton individu.
Artikel iki nerangake apa sensor EMCCD, cara fungsi, kaluwihan lan cacat, lan apa padha dianggep minangka évolusi sabanjuré saka teknologi CCD kanggo imaging kurang cahya.
Apa Sensor EMCCD?
Sensor Electron-Multiplying Charge-Coupled Device (EMCCD) minangka jinis sensor CCD khusus sing nggedhekake sinyal sing lemah sadurunge diwaca, ngidini sensitivitas dhuwur banget ing lingkungan sing kurang cahya.
Wiwitane dikembangake kanggo aplikasi kayata astronomi lan mikroskop majeng, EMCCD bisa ndeteksi foton tunggal, tugas sing ditindakake dening sensor CCD tradisional. Kemampuan iki kanggo ndeteksi foton individu ndadekake EMCCD penting kanggo lapangan sing mbutuhake pencitraan sing tepat ing tingkat cahya sing sithik.
Kepiye cara kerja Sensor EMCCD?
Nganti titik maca, sensor EMCCD ngoperasikake prinsip sing padha karo sensor CCD. Nanging, sadurunge pangukuran nganggo ADC, biaya sing dideteksi dikalikake liwat proses sing diarani impactionization, ing 'register multiplikasi elektron'. Swara sawetara atus langkah, biaya saka piksel dipindhah bebarengan seri piksel masked ing voltase dhuwur. Saben elektron ing saben langkah duwe kesempatan kanggo nggawa elektron tambahan. Sinyal kasebut dikalikan kanthi eksponensial.
Asil pungkasan saka EMCCD sing dikalibrasi kanthi apik yaiku kemampuan kanggo milih jumlah perkalian rata-rata sing tepat, biasane udakara 300 nganti 400 kanggo karya sing kurang cahya. Iki mbisakake sinyal sing dideteksi bisa dikalikake luwih dhuwur tinimbang swara maca kamera, kanthi efek ngurangi gangguan maca kamera. Sayange, sifat stokastik saka proses multiplikasi iki tegese saben piksel dikalikan kanthi jumlah sing beda, sing ngenalake faktor gangguan tambahan, nyuda rasio sinyal-kanggo-noise (SNR) EMCCD.
Mangkene risak babagan cara kerja sensor EMCCD. Nganti Langkah 6, proses kasebut kanthi efektif padha karo sensor CCD.
Gambar: Proses maca kanggo sensor EMCCD
Ing pungkasan cahya, sensor EMCCD pisanan mindhah biaya sing diklumpukake menyang array masked piksel ukuran padha karo array sensitif cahya (pindhah pigura). Banjur, saben baris, biaya dipindhah menyang daftar maca. Siji kolom ing wektu, biaya ing register readout diterusake menyang register perkalian. Ing saben tataran register iki (nganti 1000 orane tumrap sekolah ing kamera EMCCD nyata), saben elektron duwe cilik kasempatan kanggo nerbitaké elektron tambahan, multiplying sinyal exponentially. Ing pungkasan, sinyal pingan diwaca.
1. Ngisi daya: Kanggo miwiti akuisisi, pangisian daya bebarengan dibusak saka kabeh sensor (rana global).
2. Akumulasi Biaya: Biaya accumulates sak cahya.
3. Ngisi daya: Sawise cahya, biaya diklumpukake dipindhah menyang area masked saka sensor, ngendi padha bisa ngenteni maca tanpa foton anyar dideteksi foton sing diitung. Iki minangka proses 'Transfer Bingkai'.
4. Paparan Frame Sabanjure: Kanthi biaya sing dideteksi disimpen ing piksel masked, piksel aktif bisa miwiti cahya saka pigura sabanjuré (mode tumpang tindih).
5. Proses Wacan: Siji baris ing wektu, biaya kanggo saben baris pigura rampung dipindhah menyang 'readout register'.
6. Siji kolom ing wektu, biaya saka saben piksel sing shuttled menyang simpul readout.
7. Multiplikasi elektron: Sabanjure, kabeh muatan elektron saka piksel nglebokake register perkalian elektron, lan pindhah bebarengan langkah demi langkah, multiplying ing nomer exponentially ing saben langkah.
8. Wacan: Sinyal pingan diwaca dening ADC, lan proses wis bola nganti kabeh pigura diwaca metu.
Pros lan Cons saka EMCCD Sensors
Pros saka EMCCD Sensors
| Kaluwihan | Katrangan |
| Photon Ngitung | Ndeteksi fotoelektron individu kanthi swara maca ultra-rendah (<0.2e⁻), mbisakake sensitivitas foton siji. |
| Sensitivitas Ultra-Low-Cahya | Ngartekno luwih apik tinimbang CCD tradisional, kadhangkala ngluwihi malah dhuwur-mburi kamera sCMOS ing tingkat cahya kurang banget. |
| Arus peteng sing sithik | Pendinginan jero nyuda gangguan termal, mbisakake gambar sing luwih resik sajrone cahya sing dawa. |
| Rana 'Setengah Global' | Transfer pigura ngidini cahya cedhak-global kanthi owah-owahan pangisian daya cepet banget (~1 mikrodetik). |
● Photon Ngitung: Kanthi multiplikasi elektron sing cukup dhuwur, gangguan maca bisa diilangi kanthi praktis (<0,2e-). Iki, bebarengan karo nilai gain dhuwur lan efisiensi kuantum sing meh sampurna, tegese bisa mbedakake fotoelektron individu.
● Sensitivitas Ultra-Low-Cahaya: Dibandhingake karo CCD, kinerja kurang cahya saka EMCCDs drastis luwih apik. Bisa uga ana sawetara aplikasi ing ngendi EMCCD nyedhiyakake kemampuan deteksi lan kontras sing luwih apik tinimbang sCMOS dhuwur ing tingkat cahya sing paling murah.
● Low Peteng Saiki: Kaya CCD, EMCCD biasane digawe adhem jero lan bisa ngirim nilai saiki peteng banget.
● Rana 'Setengah Global': Proses transfer pigura kanggo miwiti lan mungkasi cahya ora saestu bebarengan, nanging biasane njupuk ing urutan 1 mikrodetik.
Cons saka EMCCD Sensors
| Kakurangan | Katrangan |
| Kacepetan winates | Tingkat pigura maksimum (~ 30 fps ing 1 MP) luwih alon tinimbang alternatif CMOS modern. |
| Noise Amplifikasi | Sifat acak saka multiplikasi elektron ngenalake gangguan sing berlebihan, nyuda SNR. |
| Clock-Induced Charge (CIC) | Gerakan pangisi daya cepet bisa ngenalake sinyal palsu sing digedhekake. |
| Suda Dynamic Range | Gain dhuwur nyuda sinyal maksimal sing bisa ditindakake sensor sadurunge jenuh. |
| Ukuran Piksel Gedhe | Ukuran piksel umum (13–16 μm) bisa uga ora cocog karo akeh syarat sistem optik. |
| Kebutuhan Cooling Heavy | Pendinginan jero sing stabil dibutuhake kanggo entuk multiplikasi sing konsisten lan gangguan sing sithik. |
| Kebutuhan Kalibrasi | EM gain degrades liwat wektu (perkalian bosok), mbutuhake kalibrasi biasa. |
| Ora stabil pajanan singkat | Eksposur sing cendhak banget bisa nyebabake amplifikasi sinyal lan swara sing ora bisa diprediksi. |
| Biaya dhuwur | Manufaktur rumit lan pendinginan jero nggawe sensor iki luwih larang tinimbang sCMOS. |
| Umur winates | Register perkalian elektron aus, biasane tahan 5-10 taun. |
| Tantangan Ekspor | Tunduk marang peraturan sing ketat amarga aplikasi militer potensial. |
● Kacepetan winates: EMCCDs Cepet nyedhiyakake watara 30 fps ing 1 MP, padha karo CCD, urutan gedhene luwih alon tinimbang kamera CMOS.
● Pambuka Noise: 'Faktor gangguan keluwihan' disebabake multiplikasi elektron acak, dibandhingake karo kamera sCMOS swara kurang karo efficiency kuantum padha, bisa menehi EMCCDs swara drastis luwih dhuwur gumantung ing tingkat sinyal. SNR kanggo high-end sCMOS biasane luwih apik kanggo sinyal watara 3e-, malah luwih kanggo sinyal sing luwih dhuwur.
● Clock-Induced Charge (CIC): Yen ora dikontrol kanthi ati-ati, gerakan muatan ing sensor bisa ngenalake elektron tambahan menyang piksel. Noise iki banjur dikalikake karo register multiplikasi elektron. Kacepetan gerakan pangisian daya sing luwih dhuwur (tarif jam) nyebabake tingkat pigura sing luwih dhuwur, nanging luwih CIC.
● Suda Dynamic Range: Nilai multiplikasi elektron sing dhuwur banget sing dibutuhake kanggo ngatasi gangguan maca EMCCD nyebabake sawetara dinamis sing suda.
● Ukuran Piksel Gedhe: Ukuran piksel umum paling cilik kanggo kamera EMCCD yaiku 10 μm, nanging 13 utawa 16 μm sing paling umum. Iki adoh banget kanggo cocog karo paling syarat résolusi sistem optik.
● Requirements Kalibrasi: Proses multiplikasi elektron nyandhang register EM kanthi nggunakake, ngurangi kemampuan kanggo multiply ing proses sing disebut 'pembusukan multiplikasi elektron'. Iki tegese gain kamera saya ganti, lan kamera mbutuhake kalibrasi biasa kanggo nindakake pencitraan kuantitatif.
● Eksposur sing Ora Konsisten ing Wektu Singkat: Nalika nggunakake wektu cahya sing cendhak banget, kamera EMCCD bisa ngasilake asil sing ora konsisten amarga sinyal sing ringkih bakal kepunjulen dening gangguan, lan proses amplifikasi nyebabake fluktuasi statistik.
● Heavy Cooling Requirement: Proses multiplikasi elektron dipengaruhi banget dening suhu. Cooling sensor nambah multiplikasi elektron sing kasedhiya. Mulane, pendinginan sensor jero nalika njaga stabilitas suhu mula penting kanggo pangukuran EMCCD sing bisa direproduksi.
● Biaya dhuwur: Kangelan Pabrik sensor multi-komponen iki, digabungake karo cooling jero, ndadékaké kanggo prices biasane luwih dhuwur tinimbang kualitas kamera sensor sCMOS paling dhuwur.
● Umur winates: Bosok multiplikasi elektron ndadekake watesan ing umur sensor larang iki biasane 5-10 taun, gumantung saka tingkat panggunaan.
● Tantangan Ekspor: Impor lan ekspor sensor EMCCD cenderung nantang logistik amarga bisa digunakake ing aplikasi militer.
Napa EMCCD minangka Penerus CCD
| Fitur | CCD | EMCCD |
| Sensitivitas | dhuwur | Ultra-dhuwur (utamane cahya kurang) |
| Noise Readout | Moderate | Kurang banget (amarga entuk) |
| Range Dinamis | dhuwur | Moderate (diwatesi dening gain) |
| biaya | Ngisor | Luwih dhuwur |
| adhem | Opsional | Biasane dibutuhake kanggo kinerja optimal |
| Gunakake Kasus | Pencitraan umum | Kurang cahya, deteksi foton tunggal |
Sensor EMCCD dibangun ing teknologi CCD tradisional kanthi nggabungake langkah multiplikasi elektron. Iki nambah kemampuan kanggo nggedhekake sinyal sing ringkih lan nyuda gangguan, nggawe EMCCD dadi pilihan sing disenengi kanggo aplikasi pencitraan sing kurang cahya ing ngendi sensor CCD kurang.
Aplikasi Utama saka Sensor EMCCD
Sensor EMCCD umume digunakake ing lapangan ilmiah lan industri sing mbutuhake sensitivitas dhuwur lan kemampuan kanggo ndeteksi sinyal samar:
● Ilmu Urip Bayangakeg: Kanggo aplikasi kaya mikroskop fluoresensi molekul siji lan mikroskopi fluoresensi refleksi internal total (TIRF).
● Astronomi: Digunakake kanggo njupuk cahya sing surem saka lintang, galaksi, lan riset exoplanet sing adoh.
● Optik Kuantum: Kanggo entanglement foton lan eksperimen informasi kuantum.
● Forensik lan Keamanan: Digunakake ing ndjogo cahya kurang lan ngambah analisis bukti.
● Spektroskopi: Ing spektroskopi Raman lan deteksi fluoresensi kurang intensitas.
Nalika Sampeyan kudu Pilih Sensor EMCCD?
Kanthi dandan kanggo sensor CMOS ing taun-taun pungkasan, kauntungan maca swara saka sensor EMCCD wis suda amarga saiki malah kamera sCMOS bisa maca swara subelectron, bebarengan karo macem-macem keuntungan liyane. Yen aplikasi sadurunge wis nggunakake EMCCDs, iku uga worth review apa iki pilihan paling apik diwenehi pembangunan ing sCMOS.
Secara historis, EMCCD isih bisa nindakake pangetung foton kanthi luwih sukses, bebarengan karo sawetara aplikasi khusus liyane kanthi tingkat sinyal khas kurang saka 3-5e- saben piksel ing puncak. Sanadyan, kanthi ukuran piksel sing luwih gedhe lan swara maca sub-elektron kasedhiya ingkamera ilmiahadhedhasar teknologi sCMOS, bisa uga aplikasi kasebut uga bakal ditindakake kanthi sCMOS dhuwur.
Pitakonan
Apa Wektu Eksposur Minimal kanggo Kamera Transfer Bingkai?
Kanggo kabeh sensor transfer pigura, kalebu EMCCDs, pitakonan wektu cahya minimal bisa dadi rumit. Kanggo akuisisi gambar tunggal, cahya bisa dipungkasi kanthi ngacak biaya sing dipikolehi menyang wilayah sing ditutupi supaya diwaca kanthi cepet, lan wektu cahya minimal sing cendhak (sub-mikrodetik) bisa ditindakake.
Nanging, sanalika kamera streaming kanthi kacepetan lengkap, yaiku entuk pirang-pirang bingkai / film kanthi tingkat pigura lengkap, sanalika gambar pisanan rampung mbukak, wilayah topeng dikuwasani pigura kasebut nganti maca rampung. Mulane, paparan ora bisa mungkasi. Iki tegese, preduli saka wektu cahya sing dijaluk ing piranti lunak, wektu cahya nyata pigura sakteruse sawise pisanan akuisisi multi-pigura full-speed diwenehi dening wektu pigura, IE 1 / Frame Rate, saka kamera.
Apa Teknologi sCMOS Ngganti Sensor EMCCD?
Kamera EMCCD duweni rong spesifikasi sing mbantu njaga kaluwihan ing skenario pencitraan sing kurang cahya (kanthi tingkat sinyal puncak 5 fotoelektron utawa kurang). Pisanan, piksel gedhene, nganti 16 μm, lan nomer loro, swarane <1e-read.
Generasi anyar sakakamera sCMOSwis muncul sing nawakake ciri sing padha, tanpa akeh kekurangan EMCCD, utamane faktor gangguan sing berlebihan. Kamera kayata Aries 16 saka Tucsen nawakake 16 μm piksel back-illuminated kanthi swara maca 0.8e-. Kanthi gangguan kurang lan piksel gedhe 'natively', kamera iki uga ngluwihi paling binned kamera sCMOS, amarga hubungan antarane binning lan maca gangguan.
Yen sampeyan pengin sinau luwih lengkap babagan EMCCD, monggo klik:
Apa EMCCD Bisa Diganti Lan Apa Kita Bakal Kepengin?
Tucsen Photonics Co., Ltd Kabeh hak dilindhungi undhang-undhang. Nalika ngutip, mangga ngakoni sumber:www.tucsen.com
