25/08/01Электрондук-көбөйтүүчү CCD сенсор - бул азыраак жарык иштөөсүнө мүмкүндүк берүү үчүн CCD сенсорунун эволюциясы. Алар, адатта, жеке фотонду эсептөө деңгээлине чейин бир нече жүз фотоэлектрондордун сигналдары үчүн арналган.
Бул макалада EMCCD сенсорлору эмне экендигин, алар кандайча иштешин, алардын артыкчылыктары жана кемчиликтери жана эмне үчүн алар аз жарыкта сүрөттөө үчүн CCD технологиясынын кийинки эволюциясы болуп саналаарын түшүндүрөт.
EMCCD сенсор деген эмне?
Электрондук-көбөйтүүчү зарядды бириктирген түзмөк (EMCCD) сенсору начар сигналдарды окуй электе күчөтүп, жарык аз чөйрөдө өтө жогорку сезгичтикти камсыз кылган CCD сенсорунун адистештирилген түрү.
Алгач астрономия жана өркүндөтүлгөн микроскопия сыяктуу тиркемелер үчүн иштелип чыккан EMCCDs салттуу CCD сенсорлору күрөшүп жаткан жалгыз фотондорду аныктай алат. Бул жеке фотондорду аныктоо жөндөмү EMCCDлерди жарыктын өтө төмөн деңгээлдеринде так сүрөт тартууну талап кылган талаалар үчүн маанилүү кылат.
EMCCD сенсорлору кантип иштейт?
Окууга чейин EMCCD сенсорлору CCD сенсорлору сыяктуу эле принциптерде иштешет. Бирок, ADC менен өлчөөдөн мурун, табылган заряддар "электрондук көбөйтүү регистринде" импакционизация деп аталган процесс аркылуу көбөйтүлөт. Бир нече жүз кадамдардын сериясы боюнча, бир пикселден келген заряддар жогорку чыңалууда бир катар маскаланган пикселдер боюнча жылдырылат. Ар бир кадамда ар бир электрон кошумча электрондорду алып келүү мүмкүнчүлүгүнө ээ. Демек, сигнал экспоненциалдуу түрдө көбөйөт.
Жакшы калибрленген EMCCD акыркы натыйжасы аз жарыкта иштөө үчүн адатта 300дөн 400гө чейинки орточо көбөйтүүнүн так санын тандоо мүмкүнчүлүгү болуп саналат. Бул аныкталган сигналдарды камеранын окуу ызы-чуусунан алда канча жогору көбөйтүүгө мүмкүндүк берет, бул камеранын окуу ызы-чуусун азайтат. Тилекке каршы, бул көбөйтүү процессинин стохастикалык табияты ар бир пикселдин башка санга көбөйтүлүшүн билдирет, бул кошумча ызы-чуу факторун киргизип, EMCCD сигналдын ызы-чуу катышын (SNR) азайтат.
Бул жерде EMCCD сенсорлору кандайча иштеши жөнүндө баяндалат. 6-кадамга чейин процесс эффективдүү түрдө CCD сенсорлоруна окшош.
Сүрөт: EMCCD сенсорунун окуу процесси
Экспозициянын аягында EMCCD сенсорлору алгач чогулган заряддарды жарыкка сезгич массив менен бирдей өлчөмдөгү пикселдердин маскаланган массивине тез жылдырат (кадрды өткөрүү). Андан кийин, бир убакта, заряддар окуу реестрине жылдырылат. Окуу регистриндеги заряддар бир эле учурда бир тилкеден, көбөйтүү регистрине өткөрүлөт. Бул реестрдин ар бир этабында (чыныгы EMCCD камераларында 1000 этапка чейин) ар бир электрон сигналды экспоненциалдуу түрдө көбөйтүп, кошумча электронду чыгарууга кичине мүмкүнчүлүгү бар. Аягында көбөйтүлгөн сигнал окулат.
1. Зарядды тазалоо: Сатып алууну баштоо үчүн, заряд бир эле учурда бүт сенсордон тазаланат (глобалдык жапкыч).
2. Заряддын топтолушу: Экспозиция учурунда заряд топтолот.
3. Заряддоо сактагычы: Экспозициядан кийин чогултулган заряддар сенсордун маскаланган аймагына жылдырылат, ал жерде алар жаңы фотондор табылган фотондор эсептелбестен окууну күтө алышат. Бул "Frame Transfer" процесси.
4. Кийинки кадр экспозициясы: Маскаланган пикселдерде сакталган табылган заряддар менен активдүү пикселдер кийинки кадрдын экспозициясын башташы мүмкүн (кабатталуу режими).
5. Окуу процесси: Бир убакта бир катар, даяр кадрдын ар бир сабы үчүн төлөмдөр "окуу реестрине" жылдырылат.
6. Бир убакта бир тилке, ар бир пикселден заряддар окуу түйүнүнө түшөт.
7. Электрондук көбөйтүү: Андан кийин, пикселден келген бардык электрон заряддары электрондорду көбөйтүү регистрине кирип, кадам сайын кадам сайын жылып, ар бир кадамда экспоненциалдуу түрдө көбөйөт.
8. Окуу: Көбөйтүлгөн сигнал ADC тарабынан окулат жана процесс бүт кадр окулганга чейин кайталанат.
EMCCD сенсорлорунун жакшы жана терс жактары
EMCCD сенсорлорунун артыкчылыктары
| Артыкчылык | Description |
| Фотонду эсептөө | Өтө төмөн окуу ызы-чуусу (<0,2e⁻) менен жеке фотоэлектрондорду таап, бир фотондук сезгичтикти иштетет. |
| Ультра аз жарыкка сезгичтик | Салттуу CCD'лерге караганда бир кыйла жакшыраак, кээде жарыктын өтө төмөн деңгээлдериндеги жогорку класстагы sCMOS камераларынан да ашып кетет. |
| Төмөн кара агым | Терең муздатуу термикалык ызы-чууларды азайтып, узак экспозицияларда сүрөттөрдү тазалоого мүмкүндүк берет. |
| "Жарым глобалдык" жапкыч | Кадрларды өткөрүү заряддын өтө тез жылышы (~1 микросекунд) менен дээрлик глобалдык экспозицияга мүмкүндүк берет. |
● Фотонду эсептөө: жетиштүү жогорку электрон көбөйтүү менен, окуу ызы-чуу иш жүзүндө жок болот (<0.2e-). Бул жогорку пайда мааниси жана кемчиликсиз кванттык эффективдүүлүк менен катар жеке фотоэлектрондорду айырмалоо мүмкүн экенин билдирет.
● Ультра аз жарыкка сезгичтик: CCDs менен салыштырганда, EMCCDs аз жарык аткаруу кескин жакшыраак. Кээ бир колдонмолор болушу мүмкүн, анда EMCCD эң төмөнкү жарык деңгээлдеринде жогорку класстагы sCMOSга караганда жакшыраак аныктоо мүмкүнчүлүгүн жана контрастты камсыз кылат.
● Төмөн караңгы агым: CCDs сыяктуу эле, EMCCDs адатта терең муздатылган жана өтө төмөн караңгы токтун маанилерин бере алат.
● "Жарым глобалдык" жапкыч: Экспозицияны баштоо жана аяктоо үчүн кадрды өткөрүү процесси чындап эле бир убакта эмес, бирок адатта 1 микросекунд тартибин алат.
EMCCD сенсорлорунун кемчиликтери
| Кемчилик | Description |
| Чектелген ылдамдык | Кадрлардын максималдуу ылдамдыгы (1 МПда ~30 кадр/сек) заманбап CMOS альтернативаларына караганда бир топ жайыраак. |
| Күчөтүү ызы-чуу | Электрондук көбөйүүнүн кокустук мүнөзү ашыкча ызы-чууну жаратып, SNRди азайтат. |
| Сааттын заряды (CIC) | Тез заряд кыймылы күчөтүлгөн жалган сигналдарды киргизиши мүмкүн. |
| Кыскартылган динамикалык диапазон | Жогорку пайда каныкканга чейин сенсор иштей ала турган максималдуу сигналды азайтат. |
| Чоң пикселдик өлчөм | Жалпы пиксел өлчөмдөрү (13–16 мкм) көптөгөн оптикалык системанын талаптарына туура келбеши мүмкүн. |
| Оор муздатуу талабы | Туруктуу көбөйтүү жана аз ызы-чууга жетишүү үчүн туруктуу терең муздатуу талап кылынат. |
| Калибрлөө муктаждыктары | Убакыттын өтүшү менен EM пайда начарлайт (көбөйтүүнүн бузулушу), үзгүлтүксүз калибрлөө талап кылынат. |
| Кыска экспозициянын туруксуздугу | Өтө кыска экспозициялар күтүүсүз сигналдын күчөшүнө жана ызы-чууга алып келиши мүмкүн. |
| Жогорку Наркы | Татаал өндүрүш жана терең муздатуу бул сенсорлорду sCMOSга караганда кымбатыраак кылат. |
| Чектелген өмүр | Электрондук көбөйтүү регистр эскирип, адатта 5-10 жылга созулат. |
| Экспорттук кыйынчылыктар | Потенциалдуу аскердик колдонмолордон улам катуу эрежелерге ылайык. |
● Чектелген ылдамдык: Ыкчам EMCCDлер CMOS камераларына караганда 1 МП менен 30 кадр/сек ылдамдыгын камсыздайт, бул CCD камераларына окшош.
● Noise Introduction: Кокус электрондордун көбөйүүсүнөн келип чыккан "ашыкча ызы-чуу фактору" бирдей кванттык эффективдүүлүккө ээ ызы-чуу аз sCMOS камерага салыштырмалуу сигналдын деңгээлине жараша EMCCDs кескин жогору ызы-чууну бере алат. Жогорку сапаттагы sCMOS үчүн SNR адатта 3e-ге жакын сигналдар үчүн жакшыраак, андан да жогору сигналдар үчүн.
● Сааттын заряды (CIC): Кылдат көзөмөлдөнбөсө, заряддардын сенсор аркылуу кыймылы кошумча электрондорду пикселдерге киргизиши мүмкүн. Андан кийин бул ызы-чуу электрондук көбөйтүү регистрине көбөйтүлөт. Жогорку заряддын кыймыл ылдамдыгы (сааттын ылдамдыгы) кадр ылдамдыгын жогорулатат, бирок көбүрөөк CIC.
● Динамикалык диапазон кыскартылган: EMCCD окуу ызы-чуусун жеңүү үчүн талап кылынган өтө жогорку электрон көбөйтүү маанилери динамикалык диапазонун бир топ кыскарышына алып келет.
● Чоң пикселдик өлчөм: EMCCD камералары үчүн эң кичине жалпы пиксел өлчөмү 10 мкм, бирок 13 же 16 мкм эң кеңири таралган. Бул көпчүлүк оптикалык системалардын чечүүчү талаптарга жооп берүү үчүн өтө чоң.
● Калибрлөө талаптары: Электрондун көбөйүү процесси ЭМ реестрин колдонуу менен эскирип, анын "электрондук көбөйтүүнүн ажыроосу" деп аталган процессте көбөйүү мүмкүнчүлүгүн азайтат. Бул камеранын кирешеси тынымсыз өзгөрүп турат дегенди билдирет жана камера ар кандай сандык сүрөттү аткаруу үчүн үзгүлтүксүз калибрлөөнү талап кылат.
● Кыска убакытта ыраатсыз экспозиция: Өтө кыска экспозиция убакыттарын колдонгондо, EMCCD камералары ыраатсыз натыйжаларды бериши мүмкүн, анткени алсыз сигнал ызы-чуу менен каптап калат жана күчөтүү процесси статистикалык термелүүлөрдү киргизет.
● Оор муздатуу талабы: Электрондун көбөйүү процессине температура катуу таасир этет. Сенсорду муздатуу жеткиликтүү электрондун көбөйүшүн жогорулатат. Демек, температуранын туруктуулугун сактоо менен терең сенсор муздатуу, ошондуктан кайталануучу EMCCD өлчөөлөрү үчүн абдан маанилүү.
● Жогорку наркы: Бул көп компоненттүү сенсорлорду өндүрүүнүн татаалдыгы, терең муздатуу менен бирге, эң жогорку сапаттагы sCMOS сенсордук камераларынан жогору баага алып келет.
● Чектелген өмүр: Электрондук көбөйүү ажыроо бул кымбат сенсорлордун иштөө мөөнөтүнө чектөө коет, адатта, колдонуу деңгээлине жараша 5-10 жыл.
● Экспорттук кыйынчылыктар: EMCCD сенсорлорун импорттоо жана экспорттоо логистикалык жактан кыйынга турат, анткени алардын аскердик колдонмолордо колдонулушу мүмкүн.
Эмне үчүн EMCCD CCD мураскери болуп саналат
| Өзгөчөлүк | CCD | EMCCD |
| Сезимталдуулук | Жогорку | Ультра жогорку (айрыкча аз жарык) |
| Окуу ызы-чуу | Орто | Өтө төмөн (пайдага байланыштуу) |
| Динамикалык диапазон | Жогорку | Орто (пайда менен чектелген) |
| Наркы | Төмөнкү | Жогорку |
| Муздатуу | Кошумча | Адатта, оптималдуу аткаруу үчүн талап кылынат |
| Use Cases | Жалпы сүрөт | Жарыгы аз, бир фотонду аныктоо |
EMCCD сенсорлору электрондук көбөйтүү кадамын киргизүү менен салттуу CCD технологиясына негизделет. Бул начар сигналдарды күчөтүү жана ызы-чууну азайтуу мүмкүнчүлүгүн жогорулатат, бул EMCCDлерди CCD сенсорлору жетишсиз болгон өтө аз жарыкта сүрөт тартуу колдонмолору үчүн артыкчылыктуу тандоого айлантат.
EMCCD сенсорлорунун негизги колдонмолору
EMCCD сенсорлору көбүнчө жогорку сезгичтикти жана начар сигналдарды аныктоо жөндөмүн талап кылган илимий жана өнөр жай тармактарында колдонулат:
● Life Science Imaging: Бир молекулалуу флуоресценттик микроскопия жана жалпы ички чагылдыруу флуоресценция (TIRF) микроскопиясы сыяктуу колдонмолор үчүн.
● Астрономия: Алыскы жылдыздардан, галактикалардан жана экзопланеталарды изилдөөдөн алсыз жарыкты алуу үчүн колдонулат.
● Кванттык оптика: Фотондук түйшүк жана кванттык маалымат эксперименттери үчүн.
● Соттук экспертиза жана коопсуздук: Жарыгы аз болгон байкоо жана изи далилдерди талдоодо иштейт.
● Спектроскопия: Раман спектроскопиясында жана аз интенсивдүүлүктөгү флуоресценттик аныктоодо.
Качан EMCCD сенсорун тандоо керек?
Акыркы жылдарда CMOS сенсорлорунун өркүндөтүлүшү менен EMCCD сенсорлорунун окуу ызы-чуусу азайды, анткени азыр sCMOS камералары дагы башка көптөгөн артыкчылыктардан тышкары, субэлектрондук окуу ызы-чуусуна жөндөмдүү. Эгерде тиркеме мурда EMCCDлерди колдонгон болсо, анда бул sCMOSдагы иштеп чыгууларды эске алуу менен эң жакшы тандообу же жокпу, карап чыгуу керек.
Тарыхый жактан алганда, EMCCDs фотондорду санап чыгууну дагы эле ийгиликтүү жүргүзө алган, ошондой эле бир нече башка niche тиркемелери менен катар, пикселге 3-5e-ден аз типтүү сигнал деңгээли бар. Бирок, чоңураак пиксел өлчөмдөрү жана субэлектрондук окуу ызы-чуусу жеткиликтүү болуп калдыилимий камераларsCMOS технологиясына негизделген, бул тиркемелер да жакында жогорку сапаттагы sCMOS менен аткарылышы мүмкүн.
Көп берилүүчү суроолор
Кадрларды которуу камералары үчүн минималдуу экспозиция убактысы канча?
Бардык кадр өткөрүү сенсорлору, анын ичинде EMCCD үчүн, минималдуу мүмкүн болгон экспозиция убактысы маселеси татаал маселе. Бир эле сүрөттү алуу үчүн экспозицияны кабыл алынган заряддарды өтө тез окуу үчүн маскаланган аймакка аралаштыруу менен аяктаса болот жана кыска (суб-микросекунд) минималдуу экспозиция убакыттары мүмкүн.
Бирок, камера толук ылдамдыкта агылып жатканда, башкача айтканда, бир нече кадрды/фильмди толук кадр ылдамдыгында алуу менен, биринчи сүрөт ачылып бүтөөрү менен, окуу аяктаганга чейин маскаланган аймак ошол кадр тарабынан ээленет. Ошондуктан экспозиция бүтө албайт. Бул программалык камсыздоодо талап кылынган экспозиция убактысына карабастан, толук ылдамдыктагы көп кадрлуу алуудан кийинки кийинки кадрлардын реалдуу экспозиция убактысы камеранын кадр убактысы, б.а. 1 / Кадр ылдамдыгы менен берилет дегенди билдирет.
sCMOS технологиясы EMCCD сенсорлорун алмаштырабы?
EMCCD камераларынын эки спецификациясы бар, алар өтө аз жарыкта сүрөт тартуу сценарийлеринде артыкчылыктарын сактоого жардам берген (сигналдын эң жогорку деңгээли 5 фотоэлектрон же андан аз). Биринчиден, алардын чоң пикселдери, 16 мкм чейин, экинчиден, алардын <1е- окуу ызы-чуусу.
жаңы муунsCMOS камераУшул эле мүнөздөмөлөрдү сунуш кылган EMCCDs көптөгөн кемчиликтери, өзгөчө ашыкча ызы-чуу фактору жок пайда болду. Туксенден келген Aries 16 сыяктуу камералар 0.8e- окуу ызы-чуусу менен 16 мкм арткы жарыктанган пикселдерди сунуштайт. Төмөн ызы-чуу жана "өздүк" чоң пикселдери менен, бул камералар ызы-чуу менен окуу ызы-чуунун ортосундагы байланыштан улам, көпчүлүк sCMOS камераларынан да ашып кетет.
Эгер сиз EMCCD жөнүндө көбүрөөк билгиңиз келсе, анда басыңыз:
EMCCD алмаштырылышы мүмкүнбү жана биз муну каалайбызбы?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Бардык укуктар корголгон. Шилтеме бергенде булакты ырастаңыз:www.tucsen.com
