25/08/01ელექტრონების გამრავლების CCD სენსორი CCD სენსორის ევოლუციაა, რომელიც უზრუნველყოფს დაბალი განათების პირობებში მუშაობას. ისინი, როგორც წესი, განკუთვნილია რამდენიმე ასეული ფოტოელექტრონის სიგნალებისთვის, ინდივიდუალური ფოტონების დათვლის დონემდე.
ეს სტატია განმარტავს, თუ რა არის EMCCD სენსორები, როგორ ფუნქციონირებს ისინი, მათ უპირატესობებსა და ნაკლოვანებებს და რატომ ითვლება ისინი CCD ტექნოლოგიის შემდეგ ევოლუციად დაბალი განათების პირობებში გამოსახულების მისაღებად.
რა არის EMCCD სენსორი?
ელექტრონულად გამრავლებადი მუხტთან შეწყვილებული მოწყობილობის (EMCCD) სენსორი არის CCD სენსორის სპეციალიზებული ტიპი, რომელიც აძლიერებს სუსტ სიგნალებს მათ წაკითხვამდე, რაც უზრუნველყოფს უკიდურესად მაღალ მგრძნობელობას დაბალი განათების გარემოში.
თავდაპირველად ისეთი აპლიკაციებისთვის შემუშავებული, როგორიცაა ასტრონომია და მოწინავე მიკროსკოპია, EMCCD-ებს შეუძლიათ ცალკეული ფოტონების აღმოჩენა, ამოცანა, რომელსაც ტრადიციული CCD სენსორები ართულებენ. ცალკეული ფოტონების აღმოჩენის ეს უნარი EMCCD-ებს გადამწყვეტს ხდის იმ სფეროებისთვის, რომლებიც მოითხოვს ზუსტ გამოსახულებას ძალიან დაბალი განათების დონის პირობებში.
როგორ მუშაობს EMCCD სენსორები?
წაკითხვის წერტილამდე, EMCCD სენსორები მუშაობენ იგივე პრინციპებით, რაც CCD სენსორები. თუმცა, ანალოგურ-ციფრული გაზომვის გამოყენებით გაზომვამდე, აღმოჩენილი მუხტები მრავლდება იმპაქციონიზაციის სახელით ცნობილი პროცესის მეშვეობით „ელექტრონული გამრავლების რეგისტრში“. რამდენიმე ასეული ნაბიჯის განმავლობაში, პიქსელიდან მუხტები გადაადგილდება მაღალი ძაბვის ნიღბიანი პიქსელების სერიის გასწვრივ. თითოეულ ელექტრონს თითოეულ ეტაპზე აქვს შანსი, თან მოიტანოს დამატებითი ელექტრონები. ამიტომ, სიგნალი ექსპონენციალურად მრავლდება.
კარგად დაკალიბრებული EMCCD-ის საბოლოო შედეგი არის საშუალო გამრავლების ზუსტი რაოდენობის არჩევის შესაძლებლობა, რომელიც, როგორც წესი, დაბალი განათების პირობებში მუშაობისთვის დაახლოებით 300-დან 400-მდე მერყეობს. ეს საშუალებას იძლევა, აღმოჩენილი სიგნალები კამერის წაკითხულ ხმაურზე გაცილებით მეტად გამრავლდეს, რაც ფაქტობრივად ამცირებს კამერის წაკითხულ ხმაურს. სამწუხაროდ, ამ გამრავლების პროცესის სტოქასტური ბუნება ნიშნავს, რომ თითოეული პიქსელი მრავლდება სხვადასხვა რაოდენობით, რაც დამატებით ხმაურის ფაქტორს ქმნის, რაც ამცირებს EMCCD-ის სიგნალ-ხმაურის თანაფარდობას (SNR).
აქ მოცემულია EMCCD სენსორების მუშაობის ეტაპობრივი აღწერა. მე-6 ნაბიჯამდე პროცესი ფაქტობრივად იგივეა, რაც CCD სენსორების შემთხვევაში.
სურათი: EMCCD სენსორის წაკითხვის პროცესი
ექსპოზიციის დასასრულს, EMCCD სენსორები თავდაპირველად სწრაფად გადააქვთ შეგროვებული მუხტები სინათლისადმი მგრძნობიარე მასივის ზომის პიქსელების ნიღბიან მასივში (კადრის გადატანა). შემდეგ, თითო რიგით, მუხტები გადადის წაკითხვის რეგისტრში. თითო სვეტით, წაკითხვის რეგისტრში არსებული მუხტები გადაეცემა გამრავლების რეგისტრს. ამ რეგისტრის თითოეულ ეტაპზე (რეალურ EMCCD კამერებში 1000 ეტაპამდე), თითოეულ ელექტრონს აქვს მცირე შანსი, გამოყოს დამატებითი ელექტრონი, რითაც სიგნალი ექსპონენციალურად მრავლდება. ბოლოს, გამრავლებული სიგნალი იკითხება.
1. ხარჯების გასუფთავებაგადაღების დასაწყებად, მუხტი ერთდროულად იწმინდება მთელი სენსორიდან (გლობალური ჩამკეტი).
2. მუხტის დაგროვებაექსპოზიციის დროს მუხტი გროვდება.
3. დატენვის საცავიექსპოზიციის შემდეგ, შეგროვებული მუხტები გადადის სენსორის ნიღბიან ადგილას, სადაც მათ შეუძლიათ დაელოდონ წაკითხვას ახალი ფოტონების დათვლის გარეშე. ეს არის „კადრის გადაცემის“ პროცესი.
4. შემდეგი კადრის ექსპოზიციანიღბიან პიქსელებში შენახული აღმოჩენილი მუხტების შემდეგ, აქტიურ პიქსელებს შეუძლიათ შემდეგი კადრის ექსპოზიციის დაწყება (გადაფარვის რეჟიმი).
5. წაკითხვის პროცესიდასრულებული ჩარჩოს თითოეული რიგის მუხტები თითო რიგით გადადის „წაკითხვის რეგისტრში“.
6. თითოეული პიქსელიდან მუხტები თითო სვეტად გადადის წამკითხველ კვანძში.
7. ელექტრონის გამრავლებაშემდეგ, პიქსელიდან ყველა ელექტრონული მუხტი შედის ელექტრონების გამრავლების რეგისტრში და ეტაპობრივად მოძრაობს, თითოეულ ნაბიჯზე ექსპონენციალურად მრავლდება რიცხვში.
8. წაკითხვაგამრავლებულ სიგნალს კითხულობს ანალოგურ-ციფრული გადამყვანი და პროცესი მეორდება მანამ, სანამ მთელი ჩარჩო არ წაიკითხავს.
EMCCD სენსორების დადებითი და უარყოფითი მხარეები
EMCCD სენსორების დადებითი მხარეები
| უპირატესობა | აღწერა |
| ფოტონების დათვლა | ულტრადაბალი წაკითხვის ხმაურით (<0.2e⁻) აფიქსირებს ცალკეულ ფოტოელექტრონებს, რაც უზრუნველყოფს ერთფოტონიან მგრძნობელობას. |
| ულტრა დაბალი სინათლის მგრძნობელობა | მნიშვნელოვნად უკეთესია, ვიდრე ტრადიციული CCD კამერები, ზოგჯერ კი ძალიან დაბალი განათების დონეზე მაღალი კლასის sCMOS კამერებსაც კი აღემატება. |
| დაბალი სიბნელის დენი | ღრმა გაგრილება ამცირებს თერმულ ხმაურს, რაც ხანგრძლივი ექსპოზიციის დროს უფრო სუფთა სურათების მიღების საშუალებას იძლევა. |
| „ნახევრად გლობალური“ ჩამკეტი | კადრების გადაცემა საშუალებას იძლევა თითქმის გლობალური ექსპოზიციისა ძალიან სწრაფი მუხტის გადაადგილებით (~1 მიკროწამი). |
● ფოტონების დათვლაელექტრონების საკმარისად მაღალი გამრავლებით, წაკითხვის ხმაურის პრაქტიკულად აღმოფხვრა შესაძლებელია (<0.2e-). ეს, მაღალ მოგების მნიშვნელობასთან და თითქმის სრულყოფილ კვანტურ ეფექტურობასთან ერთად, ნიშნავს, რომ შესაძლებელია ცალკეული ფოტოელექტრონების გარჩევა.
● ულტრა დაბალი სინათლის მგრძნობელობაCCD-ებთან შედარებით, EMCCD-ების დაბალი განათების პირობებში მუშაობის ეფექტურობა მნიშვნელოვნად უკეთესია. შესაძლოა, არსებობდეს გარკვეული შემთხვევები, როდესაც EMCCD უზრუნველყოფს უკეთეს აღმოჩენის შესაძლებლობას და კონტრასტს, თუნდაც მაღალი დონის sCMOS-თან შედარებით, ყველაზე დაბალ შესაძლო განათების დონეზე.
● დაბალი სიბნელის დენიCCD-ების მსგავსად, EMCCD-ებიც, როგორც წესი, ღრმად გაგრილებას განიცდიან და შეუძლიათ ძალიან დაბალი სიბნელის დენის მნიშვნელობების მიწოდება.
● „ნახევრად გლობალური“ ჩამკეტიექსპოზიციის დასაწყისსა და დასასრულს კადრის გადაცემის პროცესი ერთდროულად არ ხდება და, როგორც წესი, დაახლოებით 1 მიკროწამს გრძელდება.
EMCCD სენსორების უარყოფითი მხარეები
| ნაკლი | აღწერა |
| შეზღუდული სიჩქარე | მაქსიმალური კადრების სიხშირე (~30 კადრი/წმ 1 მეგაპიქსელზე) გაცილებით ნელია, ვიდრე თანამედროვე CMOS ალტერნატივები. |
| გამაძლიერებელი ხმაური | ელექტრონების გამრავლების შემთხვევითი ბუნება ჭარბ ხმაურს იწვევს, რაც ამცირებს SNR-ს. |
| საათის ინდუცირებული მუხტი (CIC) | სწრაფმა დამუხტვამ შეიძლება გამოიწვიოს ცრუ სიგნალები, რომლებიც ძლიერდება. |
| შემცირებული დინამიური დიაპაზონი | მაღალი გაძლიერება ამცირებს მაქსიმალურ სიგნალს, რომლის დამუშავებაც სენსორს შეუძლია გაჯერებამდე. |
| დიდი პიქსელის ზომა | პიქსელების საერთო ზომები (13–16 მკმ) შეიძლება არ შეესაბამებოდეს ოპტიკური სისტემის ბევრ მოთხოვნას. |
| ძლიერი გაგრილების მოთხოვნა | თანმიმდევრული გამრავლებისა და დაბალი ხმაურის მისაღწევად საჭიროა სტაბილური ღრმა გაგრილება. |
| კალიბრაციის საჭიროებები | ელექტრომაგნიტური გაძლიერება დროთა განმავლობაში უარესდება (გამრავლების კლება), რაც რეგულარულ კალიბრაციას მოითხოვს. |
| მოკლევადიანი ექსპოზიციის არასტაბილურობა | ძალიან მოკლე ექსპოზიციამ შეიძლება გამოიწვიოს სიგნალის არაპროგნოზირებადი გაძლიერება და ხმაური. |
| მაღალი ღირებულება | რთული წარმოება და ღრმა გაგრილება ამ სენსორებს sCMOS-თან შედარებით უფრო ძვირს ხდის. |
| შეზღუდული სიცოცხლის ხანგრძლივობა | ელექტრონების გამრავლების რეგისტრი ცვდება და, როგორც წესი, 5-10 წელი ძლებს. |
| ექსპორტის გამოწვევები | სამხედრო მიზნებისთვის გამოყენების შესაძლო შემთხვევების გამო, მკაცრ რეგულაციებს ექვემდებარება. |
● შეზღუდული სიჩქარესწრაფი EMCCD კამერები 1 მეგაპიქსელიან გარჩევადობაზე დაახლოებით 30 კადრი/წმ სიჩქარით მუშაობენ, CCD-ების მსგავსად, რაც CMOS კამერებთან შედარებით გაცილებით ნელია.
● ხმაურის შესავალიშემთხვევითი ელექტრონების გამრავლებით გამოწვეული „ჭარბი ხმაურის ფაქტორი“, იგივე კვანტური ეფექტურობის მქონე დაბალი ხმაურის მქონე sCMOS კამერასთან შედარებით, EMCCD-ებს სიგნალის დონის მიხედვით მნიშვნელოვნად მაღალი ხმაურის მიცემა შეუძლია. მაღალი დონის sCMOS-ისთვის SNR, როგორც წესი, უკეთესია დაახლოებით 3e- სიგნალებისთვის, კიდევ უფრო მაღალი სიგნალებისთვის.
● საათის ინდუცირებული მუხტი (CIC)თუ სენსორზე მუხტების მოძრაობა ფრთხილად არ გაკონტროლდება, პიქსელებში დამატებითი ელექტრონების შეყვანა შეიძლება მოხდეს. ეს ხმაური შემდეგ მრავლდება ელექტრონების გამრავლების რეგისტრით. მუხტის მოძრაობის უფრო მაღალი სიჩქარე (ტაქტორის სიხშირე) იწვევს კადრების უფრო მაღალ სიხშირეს, მაგრამ უფრო მეტ CIC-ს.
● შემცირებული დინამიური დიაპაზონიEMCCD-ის წაკითხვის ხმაურის დასაძლევად საჭირო ელექტრონების გამრავლების ძალიან მაღალი მნიშვნელობები დინამიური დიაპაზონის მნიშვნელოვნად შემცირებას იწვევს.
● დიდი პიქსელის ზომაEMCCD კამერებისთვის ყველაზე პატარა პიქსელის ზომაა 10 μm, თუმცა ყველაზე გავრცელებულია 13 ან 16 μm. ეს ძალიან დიდია ოპტიკური სისტემების გარჩევადობის მოთხოვნების დასაკმაყოფილებლად.
● კალიბრაციის მოთხოვნებიელექტრონების გამრავლების პროცესი გამოყენებისას აფუჭებს ელექტრომაგნიტურ რეგისტრს, რაც ამცირებს მის გამრავლების უნარს „ელექტრონების გამრავლების დაშლის“ სახელით ცნობილი პროცესის ფარგლებში. ეს ნიშნავს, რომ კამერის გაძლიერება მუდმივად იცვლება და კამერას რეგულარული კალიბრაცია სჭირდება ნებისმიერი რაოდენობრივი გამოსახულების მისაღებად.
● არათანმიმდევრული ექსპოზიცია მოკლე დროშიძალიან მოკლე ექსპოზიციის დროის გამოყენებისას, EMCCD კამერებმა შეიძლება არათანმიმდევრული შედეგები მოგვცეს, რადგან სუსტი სიგნალი ხმაურით იტვირთება და გაძლიერების პროცესი სტატისტიკურ რყევებს იწვევს.
● ძლიერი გაგრილების მოთხოვნაელექტრონების გამრავლების პროცესზე ძლიერ გავლენას ახდენს ტემპერატურა. სენსორის გაგრილება ზრდის ხელმისაწვდომი ელექტრონების გამრავლებას. ამიტომ, სენსორის ღრმა გაგრილება ტემპერატურის სტაბილურობის შენარჩუნებით კრიტიკულად მნიშვნელოვანია EMCCD გაზომვების რეპროდუცირებადობისთვის.
● მაღალი ღირებულებაამ მრავალკომპონენტიანი სენსორების წარმოების სირთულე, ღრმა გაგრილებასთან ერთად, იწვევს ფასებს, რომლებიც, როგორც წესი, უფრო მაღალია, ვიდრე უმაღლესი ხარისხის sCMOS სენსორული კამერების.
● შეზღუდული სიცოცხლის ხანგრძლივობაელექტრონების გამრავლების დაშლა ამ ძვირადღირებული სენსორების სიცოცხლის ხანგრძლივობას, როგორც წესი, 5-10 წლით ზღუდავს, გამოყენების დონიდან გამომდინარე.
● ექსპორტის გამოწვევებიEMCCD სენსორების იმპორტი და ექსპორტი, როგორც წესი, ლოგისტიკურად რთულია სამხედრო მიზნებისთვის მათი პოტენციური გამოყენების გამო.
რატომ არის EMCCD CCD-ის მემკვიდრე
| ფუნქცია | CCD | EMCCD |
| მგრძნობელობა | მაღალი | ულტრა მაღალი (განსაკუთრებით დაბალი განათების პირობებში) |
| წაკითხვის ხმაური | ზომიერი | უკიდურესად დაბალი (მომატების გამო) |
| დინამიური დიაპაზონი | მაღალი | ზომიერი (შეზღუდულია გაძლიერებით) |
| ღირებულება | ქვედა | უფრო მაღალი |
| გაგრილება | არასავალდებულო | როგორც წესი, საჭიროა ოპტიმალური მუშაობისთვის |
| გამოყენების შემთხვევები | ზოგადი ვიზუალიზაცია | დაბალი განათების, ერთფოტონიანი აღმოჩენა |
EMCCD სენსორები ტრადიციულ CCD ტექნოლოგიაზეა დაფუძნებული ელექტრონების გამრავლების საფეხურის ჩართვით. ეს აძლიერებს სუსტი სიგნალების გაძლიერების და ხმაურის შემცირების უნარს, რაც EMCCD-ებს უკიდურესად დაბალი განათების პირობებში გამოსახულების მიღებისთვის სასურველ არჩევნად აქცევს, სადაც CCD სენსორები ვერ ახერხებენ ამ ფუნქციას.
EMCCD სენსორების ძირითადი გამოყენება
EMCCD სენსორები ფართოდ გამოიყენება სამეცნიერო და სამრეწველო სფეროებში, რომლებიც საჭიროებენ მაღალ მგრძნობელობას და სუსტი სიგნალების აღმოჩენის უნარს:
● სიცოცხლის შემსწავლელი მეცნიერებების წარმოსახვაg: ისეთი აპლიკაციებისთვის, როგორიცაა ერთმოლეკულური ფლუორესცენტული მიკროსკოპია და სრული შინაგანი არეკვლის ფლუორესცენტული (TIRF) მიკროსკოპია.
● ასტრონომიაგამოიყენება შორეული ვარსკვლავების, გალაქტიკების და ეგზოპლანეტების კვლევისთვის მკრთალი სინათლის აღსაბეჭდად.
● კვანტური ოპტიკაფოტონების ჩახლართულობისა და კვანტური ინფორმაციის ექსპერიმენტებისთვის.
● ფორენზიკა და უსაფრთხოებადასაქმებული იყო დაბალი განათების პირობებში მეთვალყურეობასა და კვალის მტკიცებულებების ანალიზში.
● სპექტროსკოპიარამანის სპექტროსკოპიასა და დაბალი ინტენსივობის ფლუორესცენციის დეტექციაში.
როდის უნდა აირჩიოთ EMCCD სენსორი?
ბოლო წლებში CMOS სენსორების გაუმჯობესების შედეგად, EMCCD სენსორების წაკითხვის ხმაურის უპირატესობა შემცირდა, რადგან ახლა sCMOS კამერებსაც კი შეუძლიათ სუბელექტრონული წაკითხვის ხმაურის მიღება, სხვა მრავალ უპირატესობასთან ერთად. თუ აპლიკაცია ადრე იყენებდა EMCCD-ებს, ღირს გადახედვა, არის თუ არა ეს საუკეთესო არჩევანი sCMOS-ის განვითარების გათვალისწინებით.
ისტორიულად, ელექტრომაგნიტური სიგნალის სისტემებს (EMCCD) კვლავ შეეძლოთ ფოტონების დათვლის უფრო წარმატებით განხორციელება, რამდენიმე სხვა ნიშურ აპლიკაციასთან ერთად, სადაც ტიპიური სიგნალის დონე პიკზე 3-5e-ზე ნაკლები იყო. თუმცა, პიქსელების უფრო დიდი ზომების და ქვეელექტრონული წაკითხვის ხმაურის ხელმისაწვდომობის ზრდასთან ერთად...სამეცნიერო კამერებიsCMOS ტექნოლოგიაზე დაყრდნობით, შესაძლებელია, რომ ეს აპლიკაციებიც მალე მაღალი დონის sCMOS-ით შესრულდეს.
ხშირად დასმული კითხვები
რა არის კადრების გადაცემის კამერების მინიმალური ექსპოზიციის დრო?
ყველა კადრის გადაცემის სენსორისთვის, მათ შორის EMCCD-ებისთვის, მინიმალური შესაძლო ექსპოზიციის დროის საკითხი საკმაოდ რთულია. ერთი გამოსახულების მიღების შემთხვევაში, ექსპოზიციის დასრულება შესაძლებელია მიღებული მუხტების ნიღბიან რეგიონში ძალიან სწრაფად გადატანით წასაკითხად და შესაძლებელია მოკლე (მიკროსეკონდზე ნაკლები) მინიმალური ექსპოზიციის დრო.
თუმცა, როგორც კი კამერა სრული სიჩქარით დაიწყებს სტრიმინგს, ანუ იღებს რამდენიმე კადრს / ფილმს სრული კადრების სიხშირით, როგორც კი პირველი სურათის ექსპოზიცია დასრულდება, ნიღბიან რეგიონს ეს კადრი იკავებს მანამ, სანამ წაკითხვა არ დასრულდება. შესაბამისად, ექსპოზიცია არ შეიძლება დასრულდეს. ეს ნიშნავს, რომ პროგრამული უზრუნველყოფით მოთხოვნილი ექსპოზიციის დროის მიუხედავად, სრული სიჩქარით მრავალკადრიანი პირველი ჩაწერის შემდეგ შემდგომი კადრების რეალური ექსპოზიციის დრო მოცემულია კამერის კადრის დროით, ანუ 1 / კადრების სიხშირით.
sCMOS ტექნოლოგია ცვლის EMCCD სენსორებს?
EMCCD კამერებს ჰქონდათ ორი სპეციფიკაცია, რაც მათ უპირატესობას ექსტრემალურად დაბალი განათების პირობებში (5 ფოტოელექტრონის ან ნაკლები პიკური სიგნალის დონით) ინარჩუნებდა. პირველ რიგში, მათი დიდი პიქსელები, 16 მკმ-მდე, და მეორეც, მათი <1e წაკითხვის ხმაური.
ახალი თაობაsCMOS კამერაგამოჩნდა მოდელი, რომელიც იგივე მახასიათებლებს გვთავაზობს, EMCCD-ების მრავალი ნაკლოვანების, განსაკუთრებით კი ზედმეტი ხმაურის ფაქტორის გარეშე. ტუსენის Aries 16-ის მსგავსი კამერები გვთავაზობენ 16 μm უკანა განათებულ პიქსელებს 0.8e- წაკითხვის ხმაურით. დაბალი ხმაურით და „ბუნებრივად“ დიდი პიქსელებით, ეს კამერები ასევე აღემატება ჯგუფურად დაჯგუფებულ sCMOS კამერების უმეტესობას, ჯგუფურად და წაკითხვის ხმაურს შორის ურთიერთკავშირის გამო.
თუ გსურთ მეტი გაიგოთ EMCCD-ის შესახებ, გთხოვთ, დააჭიროთ:
შეიძლება თუ არა EMCCD-ის ჩანაცვლება და გვსურს კი ოდესმე ეს?
Tucsen Photonics Co., Ltd. ყველა უფლება დაცულია. ციტირებისას, გთხოვთ, მიუთითოთ წყარო:www.tucsen.com
