25/08/01Электронды көбейту CCD сенсоры төмен жарықпен жұмыс істеуге мүмкіндік беретін CCD сенсорының эволюциясы болып табылады. Олар әдетте жеке фотонды санау деңгейіне дейін бірнеше жүз фотоэлектрондардың сигналдарына арналған.
Бұл мақалада EMCCD сенсорлары дегеніміз не, олардың қалай жұмыс істейтіні, олардың артықшылықтары мен кемшіліктері және неліктен олар аз жарықта бейнелеуге арналған CCD технологиясының келесі эволюциясы болып саналатыны түсіндіріледі.
EMCCD сенсоры дегеніміз не?
Электронды көбейтетін зарядты байланыстыратын құрылғы (EMCCD) сенсоры әлсіз сигналдарды оқылмай тұрып күшейтіп, жарық аз ортада өте жоғары сезімталдыққа мүмкіндік беретін CCD сенсорының арнайы түрі болып табылады.
Бастапқыда астрономия және кеңейтілген микроскопия сияқты қолданбалар үшін әзірленген EMCCD бір фотонды анықтай алады, бұл дәстүрлі CCD сенсорлары күресетін тапсырма. Жеке фотондарды анықтау мүмкіндігі EMCCD-ді өте төмен жарық деңгейлерінде дәл бейнелеуді қажет ететін өрістер үшін маңызды етеді.
EMCCD сенсорлары қалай жұмыс істейді?
Оқу нүктесіне дейін EMCCD сенсорлары CCD сенсорлары сияқты бірдей принциптерде жұмыс істейді. Дегенмен, ADC көмегімен өлшеу алдында анықталған зарядтар «электронды көбейту регистрінде» импактизация деп аталатын процесс арқылы көбейтіледі. Бірнеше жүздеген қадамдар қатарында пиксель зарядтары жоғары кернеуде маскирленген пикселдер қатары бойымен қозғалады. Әрбір электронның әрбір қадамда қосымша электрондарды әкелу мүмкіндігі бар. Сондықтан сигнал экспоненциалды түрде көбейтіледі.
Жақсы калибрленген EMCCD соңғы нәтижесі орташа көбейтудің нақты мөлшерін таңдау мүмкіндігі болып табылады, әдетте аз жарықта жұмыс үшін шамамен 300-ден 400-ге дейін. Бұл анықталған сигналдарды камераның оқу шуынан әлдеқайда жоғары көбейтуге мүмкіндік береді, іс жүзінде камераның оқу шуын азайтады. Өкінішке орай, бұл көбейту процесінің стохастикалық сипаты әрбір пикселдің басқа шамаға көбейтілетінін білдіреді, бұл EMCCD сигнал-шу қатынасын (SNR) төмендететін қосымша шу коэффициентін енгізеді.
Мұнда EMCCD сенсорлары қалай жұмыс істейтіні туралы қысқаша ақпарат берілген. 6-қадамға дейін процесс ПЗС сенсорларымен бірдей.
Сурет: EMCCD сенсорын оқу процесі
Экспозицияның соңында EMCCD сенсорлары алдымен жиналған зарядтарды жарыққа сезімтал массив (кадрды тасымалдау) сияқты өлшемдері бар бүркемеленген пиксельдер массивіне жылдам жылжытады. Содан кейін бір уақытта зарядтар оқу регистріне көшіріледі. Бір уақытта бір баған, оқу регистріндегі зарядтар көбейту регистріне беріледі. Бұл регистрдің әрбір сатысында (нақты EMCCD камераларында 1000 кезеңге дейін) әрбір электронның сигналды экспоненциалды түрде көбейте отырып, қосымша электрон шығару мүмкіндігі аз. Соңында көбейтілген сигнал оқылады.
1. Зарядты тазалау: Сатып алуды бастау үшін заряд бір уақытта бүкіл сенсордан (жаһандық ысырма) тазаланады.
2. Зарядтың жинақталуы: әсер ету кезінде заряд жиналады.
3. Зарядты сақтау: Экспозициядан кейін жиналған зарядтар сенсордың маскаланған аймағына жылжытылады, онда олар жаңа фотондар анықталған фотондарды санамай-ақ оқуды күте алады. Бұл «Жақтауды тасымалдау» процесі.
4. Келесі кадр экспозициясы: Маскиленген пикселдерде сақталған анықталған зарядтармен белсенді пикселдер келесі кадрдың экспозициясын бастай алады (қабаттасу режимі).
5. Оқу процесі: Бір уақытта бір жол, дайын кадрдың әрбір жолының алымдары «оқу регистріне» жылжытылады.
6. Бір уақытта бір баған, әрбір пикселдің зарядтары оқу түйініне жіберіледі.
7. Электронды көбейту: Әрі қарай, пикселдегі барлық электрон зарядтары электронды көбейту регистріне енеді және әр қадамда санның экспоненциалды түрде көбейе отырып, қадам бойынша жылжиды.
8. Оқу: Көбейтілген сигналды ADC оқиды және бүкіл кадр оқылғанша процесс қайталанады.
EMCCD сенсорларының артықшылықтары мен кемшіліктері
EMCCD сенсорларының артықшылықтары
| Артықшылық | Сипаттама |
| Фотонды санау | Бір фотонды сезімталдықты қамтамасыз ететін ультра төмен оқылатын шу (<0,2e⁻) бар жеке фотоэлектрондарды анықтайды. |
| Ультра төмен жарық сезімталдығы | Дәстүрлі CCD-ге қарағанда айтарлықтай жақсырақ, кейде өте төмен жарық деңгейлеріндегі жоғары деңгейлі sCMOS камераларынан да асып түседі. |
| Төмен қараңғы ток | Терең салқындату термиялық шуды азайтып, ұзақ экспозиция кезінде таза кескіндерді береді. |
| «Жартылай ғаламдық» ысырма | Кадр жіберу өте жылдам зарядты ауыстырумен (~1 микросекунд) ғаламдық экспозицияға мүмкіндік береді. |
● Фотонды санау: жеткілікті жоғары электрондарды көбейту кезінде оқылатын шуды іс жүзінде жоюға болады (<0,2e-). Бұл жоғары күшейту мәнімен және мінсіз кванттық тиімділікпен қатар жеке фотоэлектрондарды ажыратуға болатындығын білдіреді.
● Өте төмен жарық сезімталдығы: CCD-мен салыстырғанда, EMCCD-лердің төмен жарықтағы өнімділігі айтарлықтай жақсырақ. EMCCD ең төменгі жарық деңгейлерінде жоғары сапалы sCMOS-қа қарағанда жақсырақ анықтау мүмкіндігі мен контрастты қамтамасыз ететін кейбір қолданбалар болуы мүмкін.
● Төмен қараңғы ток: CCD құрылғыларындағы сияқты, EMCCD әдетте терең салқындатылған және өте төмен қараңғы ток мәндерін бере алады.
● "Жарты ғаламдық" ысырма: Экспозицияны бастау және аяқтау үшін кадрды тасымалдау процесі шын мәнінде бір уақытта емес, әдетте 1 микросекунд ретін алады.
EMCCD сенсорларының кемшіліктері
| Кемшілігі | Сипаттама |
| Шектеулі жылдамдық | Максималды кадр жиілігі (1 МП кезінде ~30 кадр/с) қазіргі CMOS баламаларына қарағанда әлдеқайда баяу. |
| Күшейткіш шу | Электронды көбейтудің кездейсоқ табиғаты SNR төмендететін артық шуды тудырады. |
| Сағаттан туындаған заряд (CIC) | Жылдам заряд қозғалысы күшейтілетін жалған сигналдарды тудыруы мүмкін. |
| Азайтылған динамикалық диапазон | Жоғары күшейту қанықтыру алдында сенсор өңдей алатын максималды сигналды азайтады. |
| Үлкен пиксель өлшемі | Жалпы пиксел өлшемдері (13–16 мкм) көптеген оптикалық жүйе талаптарына сәйкес келмеуі мүмкін. |
| Ауыр салқындату талаптары | Тұрақты көбейту және төмен шуылға қол жеткізу үшін тұрақты терең салқындату қажет. |
| Калибрлеу қажеттіліктері | EM күшейту уақыт өте келе нашарлайды (көбейтудің ыдырауы), тұрақты калибрлеуді қажет етеді. |
| Қысқа экспозицияның тұрақсыздығы | Өте қысқа экспозициялар болжанбайтын сигналдың күшеюіне және шуды тудыруы мүмкін. |
| Жоғары құны | Күрделі өндіріс және терең салқындату бұл сенсорларды sCMOS-қа қарағанда қымбатырақ етеді. |
| Шектеулі өмір сүру ұзақтығы | Электронды көбейту регистрі әдетте 5-10 жылға созылатын тозады. |
| Экспорттық қиындықтар | Әлеуетті әскери қолданбаларға байланысты қатаң ережелерге сәйкес. |
● Шектеулі жылдамдық: Жылдам EMCCD CMOS камераларына қарағанда баяуырақ, CCD-ге ұқсас 1 МП-те шамамен 30 кадр/с қамтамасыз етеді.
● Шуға кіріспе: Кездейсоқ электронды көбейту нәтижесінде туындайтын «артық шу коэффициенті» бірдей кванттық тиімділігі бар шуы төмен sCMOS камерасымен салыстырғанда, сигнал деңгейлеріне байланысты EMCCD-ге айтарлықтай жоғары шуыл бере алады. Жоғары деңгейлі sCMOS үшін SNR әдетте 3e- шамасындағы сигналдар үшін жақсырақ, одан да жоғары сигналдар үшін.
● Сағатпен индукцияланған заряд (CIC): Мұқият бақыланбаса, зарядтардың сенсор арқылы қозғалысы пикселдерге қосымша электрондарды енгізуі мүмкін. Содан кейін бұл шу электрондарды көбейту регистріне көбейтіледі. Жоғары заряд қозғалыс жылдамдығы (сағат жиілігі) кадр жиілігінің жоғарылауына әкеледі, бірақ одан да көп CIC.
● Азайтылған динамикалық диапазон: EMCCD оқу шуын жеңу үшін қажетті өте жоғары электрондарды көбейту мәндері динамикалық диапазонның айтарлықтай төмендеуіне әкеледі.
● Үлкен пиксель өлшемі: EMCCD камералары үшін ең кіші жалпы пиксел өлшемі 10 мкм, бірақ 13 немесе 16 мкм жиі кездеседі. Бұл көптеген оптикалық жүйелердің ажыратымдылық талаптарын қанағаттандыру үшін тым үлкен.
● Калибрлеу талаптары: Электрондарды көбейту процесі EM регистрін пайдалану арқылы тоздырады, бұл оның «электрондардың көбейту ыдырауы» деп аталатын процесінде көбейту қабілетін төмендетеді. Бұл камераның кірісі үнемі өзгеретінін білдіреді және кез келген сандық кескінді орындау үшін камера тұрақты калибрлеуді қажет етеді.
● Қысқа уақыттарда тұрақты емес әсер ету: Өте қысқа экспозиция уақытын пайдаланған кезде, EMCCD камералары сәйкес келмейтін нәтижелер беруі мүмкін, себебі әлсіз сигнал шуылдан асып кетеді және күшейту процесі статистикалық ауытқуларды тудырады.
● Ауыр салқындату талабы: Электрондарды көбейту процесіне температура қатты әсер етеді. Сенсорды салқындату қол жетімді электронды көбейтуді арттырады. Сондықтан температура тұрақтылығын сақтай отырып, терең сенсорды салқындату қайталанатын EMCCD өлшемдері үшін өте маңызды.
● Жоғары құны: Бұл көп компонентті сенсорларды өндірудің қиындығы терең салқындатумен бірге, әдетте ең жоғары сапалы sCMOS сенсорлық камераларынан жоғары бағаға әкеледі.
● Шектеулі қызмет мерзімі: Электронды көбейту ыдырауы осы қымбат сенсорлардың қызмет ету мерзіміне пайдалану деңгейіне байланысты әдетте 5-10 жыл шектеу қояды.
● Экспорттық қиындықтар: EMCCD сенсорларының импорты мен экспорты олардың әскери қолданбаларда әлеуетті қолданылуына байланысты логистикалық тұрғыдан қиынға соғады.
Неліктен EMCCD CCD мұрагері болып табылады?
| Ерекшелік | CCD | EMCCD |
| Сезімталдық | Жоғары | Ультра жоғары (әсіресе жарық аз) |
| Оқу шу | Орташа | Өте төмен (пайдаға байланысты) |
| Динамикалық диапазон | Жоғары | Орташа (пайдамен шектелген) |
| Құны | Төмен | Жоғарырақ |
| Салқындату | Қосымша | Әдетте оңтайлы өнімділік үшін қажет |
| Пайдалану жағдайлары | Жалпы бейнелеу | Жарық аз, бір фотонды анықтау |
EMCCD сенсорлары электронды көбейту қадамын қосу арқылы дәстүрлі CCD технологиясына негізделген. Бұл әлсіз сигналдарды күшейту және шуды азайту мүмкіндігін жақсартады, бұл EMCCD-ді CCD сенсорлары жетпейтін өте төмен жарықты бейнелеу қолданбалары үшін таңдаулы таңдау етеді.
EMCCD сенсорларының негізгі қолданбалары
EMCCD сенсорлары әдетте жоғары сезімталдықты және әлсіз сигналдарды анықтау мүмкіндігін қажет ететін ғылыми және өндірістік салаларда қолданылады:
● Life Science Imaging: Бір молекулалы флуоресцентті микроскопия және жалпы ішкі шағылысу флуоресценция (TIRF) микроскопиясы сияқты қолданбаларға арналған.
● Астрономия: Алыстағы жұлдыздардан, галактикалардан және экзопланеталық зерттеулерден әлсіз жарық түсіру үшін қолданылады.
● Кванттық оптика: Фотондық түйісу және кванттық ақпарат эксперименттері үшін.
● Сот сараптамасы және қауіпсіздік: Төмен жарықты бақылауда және ізді дәлелдемелер талдауында жұмыс істейді.
● Спектроскопия: Раман спектроскопиясында және интенсивтілігі төмен флуоресценцияны анықтау.
EMCCD сенсорын қашан таңдау керек?
Соңғы жылдардағы CMOS сенсорларының жетілдірілуімен EMCCD сенсорларының оқу шуының артықшылығы азайды, өйткені қазір тіпті sCMOS камералары басқа да көптеген артықшылықтармен қатар, субэлектронды оқу шуына қабілетті. Қолданба бұрын EMCCD қолданса, бұл sCMOS әзірлемелерін ескере отырып, ең жақсы таңдау екенін қарап шығу керек.
Тарихи тұрғыдан алғанда, EMCCD фотонды санауды әлі де сәтті орындай алады, сонымен қатар әдеттегі сигнал деңгейлері шыңында пиксельге 3-5e-ден төмен бірнеше басқа тауашалар қолданбаларымен қатар. Дегенмен, үлкенірек пиксель өлшемдері және субэлектрондық оқу шуы қолжетімді бола бастайдығылыми камераларsCMOS технологиясына негізделген бұл қолданбалар да жақын арада жоғары деңгейлі sCMOS көмегімен орындалуы мүмкін.
Жиі қойылатын сұрақтар
Жақтауды тасымалдау камералары үшін ең аз экспозиция уақыты қандай?
Барлық кадрды тасымалдау сенсорлары, соның ішінде EMCCD үшін, ең аз ықтимал экспозиция уақыты мәселесі күрделі мәселе болып табылады. Бір кескінді алу үшін экспозицияны өте жылдам оқу үшін алынған зарядтарды маскаланған аймаққа араластыру арқылы аяқтауға болады және қысқа (суб-микросекунд) ең аз экспозиция уақыттары мүмкін.
Дегенмен, камера толық жылдамдықпен ағынмен ағып жатқанда, яғни толық кадр жиілігінде бірнеше кадрларды/фильмді ала бастағанда, бірінші кескін экспозицияны аяқтай салысымен, оқу аяқталғанша маскаланған аймақ сол кадрда тұрады. Сондықтан экспозиция аяқталмайды. Бұл бағдарламалық құралда сұралған экспозиция уақытына қарамастан, толық жылдамдықты көп кадрды түсірудің біріншіден кейінгі кейінгі кадрлардың нақты экспозиция уақыты камераның кадр уақытымен, яғни 1 / Frame Rate арқылы берілетінін білдіреді.
sCMOS технологиясы EMCCD сенсорларын ауыстыра ма?
EMCCD камераларының экстремалды жарықта бейнелеу сценарийлерінде (5 фотоэлектрон немесе одан төмен сигналдың ең жоғары деңгейлері) артықшылықтарын сақтауға көмектесетін екі спецификациясы болды. Біріншіден, олардың 16 мкм-ге дейінгі үлкен пикселдері, екіншіден олардың <1e- оқу шуы.
Жаңа буынsCMOS камерасыEMCCD-нің көптеген кемшіліктерінсіз, әсіресе артық шу факторынсыз, дәл осындай сипаттарды ұсынатын пайда болды. Tucsen компаниясының Aries 16 сияқты камералары 0,8e- оқу шуы бар 16 мкм артқы жарықтандырылған пикселдерді ұсынады. Төмен шу және «өз» үлкен пиксельдері бар бұл камералар, сонымен қатар, қоқыс пен оқу шуының арасындағы қатынасқа байланысты, sCMOS камераларының көпшілігінен асып түседі.
EMCCD туралы көбірек білгіңіз келсе, басыңыз:
EMCCD ауыстыруға бола ма және біз мұны қалаймыз ба?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Барлық құқықтар қорғалған. Сілтеме жасаған кезде дереккөзді растаңыз:www.tucsen.com
