XXV/VIII/ISensorium CCD Electron-Multiplying est evolutio sensorii CCD ad operationem in luce minore permittendam. Typice destinantur signis paucorum centenorum photoelectronum, usque ad gradum singularum photonum numerantium.
Hic articulus explicat quid sint sensoria EMCCD, quomodo fungantur, commoda et incommoda eorum, et cur proxima evolutione technologiae CCD ad imagines in luce deminuta capiendas habeantur.
Quid est sensor EMCCD?
Sensorium EMCCD (Electron-Multiplying Charge-Coupled Device) est genus speciale sensorii CCD quod signa debilia amplificat antequam legantur, ita ut sensibilitatem altissimam in ambitu lucis deminutae permittat.
Initio ad usus tales ut astronomia et microscopia provecta elaborata, EMCCDs singulos photones detegere possunt, munus quo sensoria CCD traditionalia difficultatem habent. Haec facultas detegendi singulos photones EMCCDs magni momenti reddit in campis qui accuratam imaginem sub lucis gradibus demissis requirunt.
Quomodo sensoria EMCCD operantur?
Usque ad punctum lectionis, sensoria EMCCD iisdem principiis ac sensoria CCD operantur. Attamen, ante mensurationem cum ADC, onera detecta per processum qui impactionisatio appellatur multiplicantur, in 'registro multiplicationis electronicae'. Per seriem aliquot centum graduum, onera ex pixello per seriem pixellorum tectorum sub alta tensione moventur. Quisque electron in quolibet gradu facultatem habet secum trahendi electrones additionales. Signum igitur exponentialiter multiplicatur.
Ex EMCCD bene calibrato, eventus est facultas eligendi accuratam quantitatem multiplicationis mediae, typice circa 300 ad 400 pro operibus in luce deminuta. Hoc permittit ut signa detecta multo plus quam strepitus lectionis camerae multiplicentur, re vera strepitum lectionis camerae minuens. Infeliciter, natura stochastica huius processus multiplicationis significat unumquemque pixelum per quantitatem diversam multiplicari, quod factorem strepitus additum inducit, rationem signi ad strepitum (SNR) EMCCD minuens.
Ecce explicatio quomodo sensoria EMCCD operantur. Usque ad Gradum 6, processus fere idem est ac sensoriis CCD.
Figura: Processus lectionis sensoris EMCCD
Fine expositionis suae, sensoria EMCCD primum celeriter onera collecta ad seriem tectam pixelorum easdem dimensiones ac series lucis sensibilis movent (translatio imaginum). Deinde, una serie tempore, onera in registrum lectionis moventur. Una columna tempore, onera intra registrum lectionis ad registrum multiplicationis traduntur. In unoquoque gradu huius registri (usque ad 1000 gradus in veris cameris EMCCD), quisque electron parvam occasionem habet electron additum liberandi, signum exponentialiter multiplicans. Fine, signum multiplicatum legitur.
1. Purgatio ImputationisAd acquisitionem incipiendam, simul omnis sensoris carica (obturator globalis) removetur.
2. Accumulatio OnerisCarica electrica per expositionem accumulatur.
3. Depositorium OnerisPost expositionem, onera collecta ad aream sensoris tectam moventur, ubi lectionem exspectare possunt sine novis photonis detectis numerandis. Hic est processus 'Translationis Imaginum'.
4. Expositio Imaginis SequentisCum oneribus detectis in pixelis tectis repositis, pixeli activi expositionem proximi imaginis (modus imbricatus) incipere possunt.
5. Processus LectionisSingulae ordines tempore, impensae pro singulis ordinibus structurae perfectae in 'registrum lectionis' transferuntur.
6. Singulae columnae tempore, caricae ex quolibet pixello in nodum legendi transmittuntur.
7. Multiplicatio ElectronumDeinde, omnes caricae electronicae e pixello registrum multiplicationis electronicae ingrediuntur, et gradatim moventur, exponentialiter numero multiplicantes in quoque gradu.
8. LectioSignum multiplicatum a ADC legitur, et processus repetitur donec totus quadrus legitur.
Commoda et Incommoda Sensorum EMCCD
Commoda Sensorum EMCCD
| Commodum | Descriptio |
| Numeratio Photonum | Photoelectrona singula cum strepitu lectionis infimo (<0.2e⁻) detegit, sensibilitatem singularum photonum efficiens. |
| Sensibilitate ad Lucem Ultra-Humiliorem | Multo melior quam CCD tradita, interdum etiam cameras sCMOS summae qualitatis in gradibus lucis deminutis superans. |
| Currens Obscurus Humilis | Refrigeratio profunda strepitum thermalem minuit, imagines nitidiores per longas expositiones efficiens. |
| Obturaculum 'Semi-Globale' | Translatio imaginum expositionem fere globalem cum mutatione caricae celerrima (~1 microsecundum) permittit. |
● Numeratio PhotonumMultiplicatione electronica satis alta, strepitus lectionis paene omnino eliminari potest (<0.2e-). Hoc, una cum valore amplificationis alto et efficientia quantica prope perfecta, significat singula photoelectrona distinguere posse.
● Sensibilitate ad Lucem Ultra-HumilioremComparatae cum CCD, perfunctio EMCCD in luce deminuta multo melior est. Fortasse sunt applicationes ubi EMCCD meliorem facultatem detectionis et contrastum praebet, etiam quam sCMOS summae qualitatis in minimis gradibus lucis.
● Currens Obscurus HumilisSicut CCD, EMCCD typice alte refrigerantur et valores currentiae obscurae valde humiles praebere possunt.
● Obturaculum 'Dimidium Globale'Processus translationis imaginum ad initium et finem expositionis non vere simultaneus est, sed plerumque circiter unius microsecundi tempus durat.
Incommoda Sensorum EMCCD
| Incommodum | Descriptio |
| Velocitas Limitata | Maximae frequentiae imaginum per secundum (~30 fps ad 1 MP) multo tardiores sunt quam modernae alternativae CMOS. |
| Amplificationis Strepitus | Natura fortuita multiplicationis electronicarum strepitum superfluum inducit, relationem signalis ad nullum (SNR) minuens. |
| Onus Horologii Inductum (CIC) | Motus celeris oneris signa falsa, quae amplificantur, inducere potest. |
| Ambitus Dynamicus Reductus | Magnum amplificatio signum maximum quod sensorium tractare potest ante saturationem minuit. |
| Magna Magnitudo Pixel | Magnitudines pixelorum communes (13–16 μm) fortasse non congruunt cum multis requisitis systematum opticorum. |
| Requisitum Refrigerationis Grave | Refrigeratio profunda stabilis requiritur ad multiplicationem constantem et strepitum humilem consequendum. |
| Calibrationis Necessitates | Lucrum EM tempore decrescit (decrementum multiplicationis), calibrationem regularem requirens. |
| Instabilitas Brevis Expositionis | Expositiones brevissimae amplificationem signorum et strepitum impraevisibilem efficere possunt. |
| Sumptus Altus | Fabricatio complexa et refrigeratio profunda hos sensores cariores quam sCMOS faciunt. |
| Vita Limitata | Registrum multiplicationis electronicae deteritur, plerumque quinque ad decem annos durans. |
| Exportationis Difficultates | Regulis strictis obnoxium propter potentiales usus militares. |
● Celeritas LimitataCamerae EMCCD celeres circiter 30 imagines per secundum ad 1 MP praebent, similes CCD, sed ordine magnitudinis tardiores quam camerae CMOS.
● Introductio Sonitus'Superfluus factor strepitus' a multiplicatione fortuita electronica causatus, comparatus cum camera sCMOS humilis strepitus cum eadem efficacia quantica, potest dare EMCCDs strepitum drastice maiorem, pro gradibus signorum. SNR (Special Relationship and Rate Noise) pro sCMOS summae qualitatis typice melior est pro signis circa 3e-, adhuc magis pro signis altioribus.
● Onus Horologii Inductum (CIC)Nisi diligenter regulatur, motus electricitatum per sensorem potest electrones additionales in pixels inducere. Hic strepitus deinde multiplicatur per registrum multiplicationis electronicae. Celeriores celeritates motus electricitatum (frequentiae horologii) ad maiores frequentias imaginum ducunt, sed maiorem CIC.
● Ambitus Dynamicus ReductusValores multiplicationis electronicae altissimi, qui ad strepitum lectionis EMCCD superandum requiruntur, ad ambitum dynamicum multo reductum ducunt.
● Magna Magnitudo PixelMinima communis magnitudo pixelorum pro cameris EMCCD est 10 μm, sed 13 vel 16 μm frequentissima est. Haec magnitudo longe nimis magna est ad requisita resolutionis plerorumque systematum opticorum implenda.
● Requisita CalibrationisProcessus multiplicationis electronicae registrum electromagneticum (EM) usu deteritur, facultatem eius multiplicandi minuens in processu qui 'decaditio multiplicationis electronicae' appellatur. Hoc significat lucrum camerae perpetuo mutari, et cameram calibrationem regularem requirere ad quamlibet imaginem quantitativam perficiendam.
● Expositio Inconstans Brevibus TemporibusCum tempora expositionis brevissima adhibentur, camerae EMCCD eventus incongruentes producere possunt, quia signum debile strepitu obruitur et processus amplificationis fluctuationes statisticas inducit.
● Requisitum Refrigerationis GraveProcessus multiplicationis electronicae temperatura vehementer afficitur. Refrigeratio sensoris multiplicationem electronicam praesto auget. Ergo refrigeratio profunda sensoris, stabilitate temperaturae servata, ad mensuras EMCCD reproducibiles necessaria est.
● Sumptus altusDifficultas fabricationis horum sensorum multi-componentium, una cum refrigeratione profunda, ad pretia typice altiora quam camerarum sensoriarum sCMOS summae qualitatis ducit.
● Vita LimitataMultiplicatio electronica propter decrementum vitae horum sensorum pretiosorum finem imponit, plerumque quinque ad decem annorum, pro gradu usus.
● Provocationes ExportationisImportatio et exportatio sensorum EMCCD propter usum potentialem in applicationibus militaribus logistice difficiles esse solet.
Cur EMCCD Successor CCD Sit
| Characteristica | CCD | EMCCD |
| Sensibilitatem | Altus | Ultra-alta (praesertim luce tenui) |
| Strepitus Lectionis | Moderatus | Humilissima (ob amplificationem) |
| Spatium Dynamicum | Altus | Moderatus (a lucro limitatus) |
| Sumptus | Inferior | Superior |
| Refrigeratio | Facultativum | Typice ad optimam efficaciam requiritur |
| Casus Usus | Imago generalis | Detectio unius photonis in luce humili |
Sensoria EMCCD, quae technologiam CCD traditam adhibent, gradum multiplicationis electronicae incorporando auget. Hoc facultatem amplificandi signa debilia et strepitum minuendi auget, ita ut EMCCD electio praeferata sit ad applicationes imaginum in luce debili, ubi sensoria CCD deficiunt.
Usus Claves Sensorum EMCCD
Sensoria EMCCD vulgo in campis scientificis et industrialibus adhibentur, ubi magna sensibilitas et facultas detegendi signa tenuia requiritur:
● Imago Scientiae Vitaeg: Ad usus sicut microscopia fluorescentiae unius moleculae et microscopia fluorescentiae reflexionis internae totalis (TIRF).
● AstronomiaAd lucem tenuem e stellis distantibus, galaxiis, et investigatione exoplanetarum capiendam adhibitum.
● Optica QuanticaAd experimentum implicationis photonicae et informationis quanticae.
● Forensis et SecuritasIn vigilantia in luce deminuta et analysi vestigiorum adhibitus.
● SpectroscopiaIn spectroscopia Raman et detectione fluorescentiae parvae intensitatis.
Quando sensorem EMCCD eligere debes?
Cum meliorationibus sensoriis CMOS annis proximis factis, commodum strepitus legendi sensoriis EMCCD imminutum est, cum nunc etiam camerae sCMOS strepitum legendi subelectronicum capere possint, una cum amplissima alia commoda. Si applicatio antea EMCCDs usus est, bene operae pretium est considerare utrum haec sit optima electio, datis progressibus in sCMOS.
Historice, EMCCDs adhuc numerationem photonum felicius perficere poterant, una cum paucis aliis applicationibus specialibus cum gradibus signorum typicis minus quam 3-5e- per pixel ad culmen. Attamen, cum magnitudinibus pixelorum maioribus et strepitu lectionis subelectronicae praesto fiunt in...camerae scientificaeInnixi technologia sCMOS, fieri potest ut hae applicationes quoque mox cum sCMOS summae qualitatis perfici possint.
Quaestiones Frequentes
Quod est minimum tempus expositionis pro cameris translationis imaginis?
Omnibus sensoribus translationis imaginum, inter quos EMCCD, quaestio temporis expositionis minimi possibilis intricata est. Acquisitionibus singularum imaginum, expositio finiri potest per immissionem caricarum acquisitarum in regionem tectam ad lectionem celerrime, et tempora expositionis minima brevia (sub microsecunda) possibilia sunt.
Attamen, simulac camera plena celeritate transmittit, id est, plures imagines / pelliculam plena frequentia imaginum acquirens, simulac prima imago expositionem finit, regio obtecta ab illa imagine occupatur donec lectio completa est. Expositio igitur finiri non potest. Hoc significat, non obstante tempore expositionis in programmate requisito, tempus expositionis reale imaginum subsequentium post primam acquisitionis multi-imagorum plenae celeritatis dari a tempore imaginum, id est 1 / Frequentia Imaginum, camerae.
Num technologia sCMOS sensores EMCCD substituit?
Duas specificationes camerarum EMCCD habebant quae eis commodum in condicionibus imaginum in luce extrema (cum gradibus signi maximi 5 photoelectronum vel minus) retinere adiuvabant. Primo, magna elementa elementaria (pixels) usque ad 16 μm, et secundo, sonitum lectionis <1e.
Nova generatioCamera sCMOSemersit quod easdem proprietates offert, sine multis incommodis EMCCD, praesertim facto strepitus superflui. Camerae sicut Aries 16 a Tucsen offerunt pixeles 16 μm retroilluminatos cum strepitu lectionis 0.8e-. Cum strepitu humili et pixelis 'nativis' magnis, hae camerae etiam plerasque cameras sCMOS cum "binn" superant, propter relationem inter "binning" et strepitum lectionis.
Si plura de EMCCD discere vis, preme quaeso:
Num EMCCD substitui potest et num umquam id vellemus?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Omnia iura reservantur. Cum citas, fontem agnosce quaeso:www.tucsen.com
