2001-08-25Elektronų dauginimo CCD jutiklis yra CCD jutiklio evoliucija, leidžianti veikti esant silpnesniam apšvietimui. Paprastai jie skirti kelių šimtų fotoelektronų signalams, iki individualaus fotonų skaičiavimo lygio.
Šiame straipsnyje paaiškinama, kas yra EMCCD jutikliai, kaip jie veikia, jų privalumai ir trūkumai, ir kodėl jie laikomi kita CCD technologijos evoliucija, skirta vaizdavimui esant silpnam apšvietimui.
Kas yra EMCCD jutiklis?
Elektronų dauginimo krūviu susieto įrenginio (EMCCD) jutiklis yra specializuotas CCD jutiklio tipas, kuris sustiprina silpnus signalus prieš juos nuskaitant, todėl užtikrinamas itin didelis jautrumas esant silpnam apšvietimui.
Iš pradžių sukurti tokioms reikmėms kaip astronomija ir pažangioji mikroskopija, EMCCD gali aptikti pavienius fotonus – užduotį, su kuria tradiciniai CCD jutikliai susiduria sunkiai. Šis gebėjimas aptikti pavienius fotonus daro EMCCD labai svarbius laukuose, kuriuose reikalingas tikslus vaizdavimas esant labai silpnam apšvietimui.
Kaip veikia EMCCD jutikliai?
Iki nuskaitymo taško EMCCD jutikliai veikia tais pačiais principais kaip ir CCD jutikliai. Tačiau prieš matuojant ADC, aptikti krūviai dauginami „elektronų daugybos registre“ vykstančiu procesu, vadinamu impaktionizacija. Per kelių šimtų žingsnių seriją pikselio krūviai perkeliami išilgai užmaskuotų pikselių serijos esant aukštai įtampai. Kiekvienas elektronas kiekviename žingsnyje turi galimybę atnešti papildomų elektronų. Todėl signalas dauginamas eksponentiškai.
Tinkamai sukalibruoto EMCCD galutinis rezultatas yra galimybė pasirinkti tikslų vidutinio daugybos dydį, paprastai apie 300–400 dirbant prasto apšvietimo sąlygomis. Tai leidžia aptiktus signalus padauginti daug labiau nei kameros skaitymo triukšmas, taip sumažinant kameros skaitymo triukšmą. Deja, dėl šio daugybos proceso stochastinio pobūdžio kiekvienas pikselis dauginamas skirtingu dydžiu, o tai sukuria papildomą triukšmo koeficientą ir sumažina EMCCD signalo ir triukšmo santykį (SNR).
Štai kaip veikia EMCCD jutikliai. Iki 6 veiksmo procesas iš esmės yra toks pat kaip ir CCD jutiklių atveju.
Pasibaigus ekspozicijai, EMCCD jutikliai pirmiausia greitai perkelia surinktus krūvius į užmaskuotą pikselių matricą, kurios matmenys yra tokie patys kaip šviesai jautrios matricos (kadrų perkėlimas). Tada, po vieną eilutę, krūviai perkeliami į nuskaitymo registrą. Po vieną stulpelį, nuskaitymo registro krūviai perduodami į daugybos registrą. Kiekviename šio registro etape (iki 1000 etapų tikrose EMCCD kamerose) kiekvienas elektronas turi nedidelę galimybę išleisti papildomą elektroną, eksponentiškai padaugindamas signalą. Galiausiai nuskaitomas padaugintas signalas.
1. Mokesčių išvalymasNorint pradėti duomenų rinkimą, vienu metu iš viso jutiklio išvalomas krūvis (bendras užraktas).
2. Įkrovos kaupimasEkspozicijos metu kaupiasi krūvis.
3. Įkrovimo saugyklaPo ekspozicijos surinkti krūviai perkeliami į užmaskuotą jutiklio sritį, kur jie gali laukti nuskaitymo neskaičiuojant naujų aptiktų fotonų. Tai yra „kadrų perkėlimo“ procesas.
4. Kito kadro ekspozicija: Kai aptikti krūviai išsaugomi užmaskuotuose pikseliuose, aktyvūs pikseliai gali pradėti kito kadro ekspoziciją (persidengiamasis režimas).
5. Nuskaitymo procesasPo vieną eilutę, kiekvienos baigto kadro eilutės krūviai perkeliami į „nuskaitymo registrą“.
6. Po vieną stulpelį, kiekvieno pikselio krūviai perkeliami į nuskaitymo mazgą.
7. Elektronų daugybaToliau visi pikselio elektronų krūviai patenka į elektronų daugybos registrą ir juda žingsnis po žingsnio, kiekviename žingsnyje daugindamiesi eksponentiškai.
8. RodmuoPadaugintą signalą nuskaito ADC, ir procesas kartojamas tol, kol nuskaitomas visas kadras.
EMCCD jutiklių privalumai ir trūkumai
EMCCD jutiklių privalumai
| Privalumas | Aprašymas |
| Fotonų skaičiavimas | Aptinka atskirus fotoelektronus su itin mažu skaitymo triukšmu (<0,2e⁻), taip užtikrindamas jautrumą pavieniams fotonams. |
| Itin silpno apšvietimo jautrumas | Žymiai geresni nei tradiciniai CCD, kartais pranokstantys net aukščiausios klasės sCMOS kameras esant labai prastam apšvietimui. |
| Silpna tamsi srovė | Gilus aušinimas sumažina šiluminį triukšmą, todėl ilgo išlaikymo metu vaizdai tampa švaresni. |
| „Pusiau pasaulinis“ užraktas | Kadrų perdavimas leidžia pasiekti beveik visuotinę ekspoziciją su labai greitu krūvio pasikeitimu (~1 mikrosekundė). |
● Fotonų skaičiavimasEsant pakankamai didelei elektronų dauginimosi vertei, skaitymo triukšmą galima praktiškai pašalinti (<0,2e-). Tai, kartu su didele stiprinimo verte ir beveik tobulu kvantiniu efektyvumu, reiškia, kad įmanoma atskirti atskirus fotoelektronus.
● Jautrumas itin silpnam apšvietimuiPalyginti su CCD, EMCCD našumas esant prastam apšvietimui yra žymiai geresnis. Gali būti sričių, kuriose EMCCD užtikrina geresnes aptikimo galimybes ir kontrastą net nei aukščiausios klasės sCMOS esant žemiausiam įmanomam apšvietimo lygiui.
● Silpna tamsioji srovėKaip ir CCD, EMCCD paprastai yra giliai aušinami ir gali užtikrinti labai mažas tamsiosios srovės vertes.
● „Pusiau pasaulinis“ užraktasKadrų perkėlimo procesas, skirtas ekspozicijos pradžiai ir pabaigai, nėra iš tikrųjų vienalaikis, bet paprastai trunka apie 1 mikrosekundę.
EMCCD jutiklių trūkumai
| Trūkumas | Aprašymas |
| Ribotas greitis | Maksimalus kadrų dažnis (~30 kadrų per sekundę esant 1 MP raiškai) yra daug lėtesnis nei šiuolaikinių CMOS alternatyvų. |
| Stiprinimo triukšmas | Atsitiktinis elektronų dauginimosi pobūdis sukelia perteklinį triukšmą, sumažindamas signalo ir triukšmo santykį. |
| Laikrodžio sukeltas krūvis (CIC) | Greitas įkrovimas gali sukelti klaidingus signalus, kurie sustiprėja. |
| Sumažintas dinaminis diapazonas | Didelis stiprinimas sumažina maksimalų signalą, kurį jutiklis gali apdoroti prieš prisotinimą. |
| Didelis pikselių dydis | Įprasti pikselių dydžiai (13–16 μm) gali neatitikti daugelio optinių sistemų reikalavimų. |
| Didelis aušinimo poreikis | Norint pasiekti nuoseklų dauginimą ir mažą triukšmą, reikalingas stabilus gilus aušinimas. |
| Kalibravimo poreikiai | EM stiprinimas laikui bėgant mažėja (dauginimosi slopinimas), todėl reikia reguliariai kalibruoti. |
| Trumpalaikio poveikio nestabilumas | Labai trumpi išlaikymo momentai gali sukelti nenuspėjamą signalo sustiprėjimą ir triukšmą. |
| Didelė kaina | Dėl sudėtingos gamybos ir gilaus aušinimo šie jutikliai yra brangesni nei sCMOS. |
| Ribotas tarnavimo laikas | Elektronų daugybos registras susidėvi, paprastai jis veikia 5–10 metų. |
| Eksporto iššūkiai | Taikomi griežti reglamentai dėl galimo karinio pritaikymo. |
● Ribotas greitisGreiti EMCCD jutikliai užtikrina apie 30 kadrų per sekundę greitį esant 1 MP raiškai, panašiai kaip CCD jutikliai, tačiau yra daug lėtesni nei CMOS fotoaparatai.
● Triukšmo įvadasDėl atsitiktinio elektronų dauginimosi atsirandantis „perteklinio triukšmo faktorius“, palyginti su mažo triukšmo skleidžiančia sCMOS kamera, kurios kvantinis efektyvumas yra toks pat, EMCCD gali sukelti žymiai didesnį triukšmą, priklausomai nuo signalo lygio. Aukštos klasės sCMOS signalo ir triukšmo santykis (SNR) paprastai yra geresnis, kai signalo koeficientas yra apie 3e, o dar labiau – kai signalo koeficientas yra didesnis.
● Laikrodžio sukeltas krūvis (CIC)Jei krūvių judėjimas jutiklyje nėra kruopščiai kontroliuojamas, į pikselius gali patekti papildomų elektronų. Šį triukšmą vėliau padaugina elektronų daugybos registras. Didesnis krūvių judėjimo greitis (taktinis dažnis) lemia didesnį kadrų dažnį, bet ir didesnį CIC.
● Sumažintas dinaminis diapazonasLabai didelės elektronų daugybos vertės, reikalingos EMCCD skaitymo triukšmui įveikti, labai sumažina dinaminį diapazoną.
● Didelis pikselių dydisMažiausias įprastas EMCCD kamerų pikselių dydis yra 10 μm, tačiau dažniausiai pasitaiko 13 arba 16 μm. Tai per didelis dydis, kad atitiktų daugumos optinių sistemų skiriamosios gebos reikalavimus.
● Kalibravimo reikalavimaiElektronų dauginimo procesas naudojimo metu susidėvi EM registrą, sumažindamas jo gebėjimą daugintis procese, vadinamame „elektronų dauginimosi slopinimu“. Tai reiškia, kad kameros stiprinimo koeficientas nuolat kinta, todėl norint atlikti kiekybinį vaizdavimą, kamerą reikia reguliariai kalibruoti.
● Nepastovus trumpas ekspozicijos laikasNaudojant labai trumpą ekspozicijos laiką, EMCCD kameros gali gauti nepastovius rezultatus, nes silpną signalą užgožia triukšmas, o stiprinimo procesas sukelia statistinius svyravimus.
● Didelis aušinimo poreikisElektronų dauginimosi procesui didelę įtaką daro temperatūra. Jutiklio aušinimas padidina galimą elektronų dauginimąsi. Todėl gilus jutiklio aušinimas, išlaikant temperatūros stabilumą, yra labai svarbus atkartojamų EMCCD matavimų atveju.
● Didelė kainaDėl šių daugiakomponenčių jutiklių gamybos sudėtingumo ir gilaus aušinimo kainos paprastai yra didesnės nei aukščiausios kokybės sCMOS jutiklių kamerų.
● Ribotas tarnavimo laikasElektronų dauginimosi irimo procesas apriboja šių brangių jutiklių tarnavimo laiką iki 5–10 metų, priklausomai nuo naudojimo intensyvumo.
● Eksporto iššūkiaiElektromagnetinio suderinamumo (EMCCD) jutiklių importas ir eksportas logistiniu požiūriu yra sudėtingas dėl jų potencialaus naudojimo kariniuose taikymuose.
Kodėl EMCCD yra CCD įpėdinis
| Funkcija | CCD | Elektromagnetinio rezonanso toleravimas |
| Jautrumas | Aukštas | Itin ryškus (ypač esant silpnam apšvietimui) |
| Rodmenų triukšmas | Vidutinis | Labai žemas (dėl padidėjimo) |
| Dinaminis diapazonas | Aukštas | Vidutinis (ribojamas pelno) |
| Kaina | Žemutinis | Aukštesnis |
| Aušinimas | Pasirinktinai | Paprastai reikalingas optimaliam našumui |
| Naudojimo atvejai | Bendras vaizdavimas | Silpno apšvietimo, vieno fotono aptikimas |
EMCCD jutikliai paremti tradicine CCD technologija, įtraukiant elektronų dauginimo žingsnį. Tai pagerina silpnų signalų stiprinimo ir triukšmo mažinimo galimybes, todėl EMCCD yra geriausias pasirinkimas itin prasto apšvietimo vaizdavimo taikymams, kur CCD jutikliai yra nepakankamai geri.
Pagrindiniai EMCCD jutiklių taikymai
EMCCD jutikliai dažniausiai naudojami mokslo ir pramonės srityse, kurioms reikalingas didelis jautrumas ir gebėjimas aptikti silpnus signalus:
● Gyvybės mokslų įsivaizdavimasg: Taikomoms reikmėms, tokioms kaip vienos molekulės fluorescencinė mikroskopija ir visiško vidinio atspindžio fluorescencinė (TIRF) mikroskopija.
● Astronomija: Naudojamas silpnai šviesai iš tolimų žvaigždžių, galaktikų ir egzoplanetų tyrimams fiksuoti.
● Kvantinė optikaFotonų susietumo ir kvantinės informacijos eksperimentams.
● Teismo ekspertizė ir saugumasNaudojamas stebėjimui esant prastam apšvietimui ir pėdsakų analizei.
● SpektroskopijaRamano spektroskopijoje ir mažo intensyvumo fluorescencijos detekcijoje.
Kada reikėtų rinktis EMCCD jutiklį?
Pastaraisiais metais patobulinus CMOS jutiklius, EMCCD jutiklių pranašumas dėl skaitymo triukšmo sumažėjo, nes dabar net sCMOS kameros gali nuskaityti subeelektroninį skaitymo triukšmą, be daugybės kitų privalumų. Jei anksčiau tam tikroje srityje buvo naudojami EMCCD, verta peržiūrėti, ar tai yra geriausias pasirinkimas, atsižvelgiant į sCMOS raidą.
Istoriškai EMCCD vis dar galėjo sėkmingiau skaičiuoti fotonus, kaip ir keliose kitose nišinėse srityse, kai tipiniai signalo lygiai piko metu buvo mažesni nei 3–5 e- pikseliui. Tačiau, atsirandant didesniems pikselių dydžiams ir subelektronų skaitymo triukšmui,mokslinės kamerosRemiantis sCMOS technologija, gali būti, kad netrukus šios programos taip pat bus atliekamos su aukščiausios klasės sCMOS.
DUK
Koks yra minimalus kadrų perkėlimo kamerų ekspozicijos laikas?
Visiems kadrų perdavimo jutikliams, įskaitant elektromagnetinius jutiklius (EMCCD), minimalaus įmanomo ekspozicijos laiko klausimas yra sudėtingas. Vieno vaizdo nuskaitymo metu ekspoziciją galima baigti labai greitai perkeliant gautus krūvius į užmaskuotą sritį nuskaitymui, o tai leidžia pasiekti trumpą (mikrosekundės trumpesnį) minimalų ekspozicijos laiką.
Tačiau kai tik kamera pradeda transliuoti visu greičiu, t. y. įgyja kelis kadrus / filmą visu kadrų dažniu, kai tik baigiamas pirmojo vaizdo eksponavimas, užmaskuota sritis užimama tuo kadru, kol baigiamas nuskaitymas. Todėl ekspozicija negali būti baigta. Tai reiškia, kad, nepriklausomai nuo programinėje įrangoje prašomo ekspozicijos laiko, realus vėlesnių kadrų po pirmojo kadro, kai nuskaitomas visas greitis, ekspozicijos laikas nurodomas kameros kadro trukme, t. y. 1 / kadrų dažnis.
Ar sCMOS technologija pakeičia EMCCD jutiklius?
EMCCD kameros turėjo dvi specifikacijas, kurios padėjo išlaikyti jų pranašumą fotografuojant itin prasto apšvietimo sąlygomis (kai didžiausias signalo lygis buvo 5 fotoelektronai ar mažiau). Pirma, jų dideli pikseliai, iki 16 μm, ir antra, jų <1e skaitymo triukšmas.
Nauja kartasCMOS kameraatsirado tokia kamera, kuri pasižymi tomis pačiomis savybėmis, bet be daugybės EMCCD trūkumų, ypač per didelio triukšmo faktoriaus. Tokios kameros kaip „Tucsen“ „Aries 16“ siūlo 16 μm iš galo apšviestus pikselius, kurių skaitymo triukšmas yra 0,8e⁻. Dėl mažo triukšmo ir „natūraliai“ didelių pikselių šios kameros taip pat pranoksta daugumą sugrupuotų sCMOS kamerų dėl ryšio tarp sugrupavimo ir skaitymo triukšmo.
Jei norite sužinoti daugiau apie EMCCD, spustelėkite:
Ar EMCCD gali būti pakeistas ir ar mes kada nors to norėtume?
