25.08.01.Elektronu pavairošanas CCD sensors ir CCD sensora evolūcija, kas ļauj darboties vājākā apgaismojumā. Tie parasti ir paredzēti dažu simtu fotoelektronu signāliem līdz pat individuālā fotonu skaitīšanas līmenim.
Šajā rakstā ir paskaidrots, kas ir EMCCD sensori, kā tie darbojas, to priekšrocības un trūkumi, kā arī kāpēc tie tiek uzskatīti par nākamo CCD tehnoloģijas attīstības posmu attēlveidošanai vājā apgaismojumā.
Kas ir EMCCD sensors?
Elektronu pavairošanas lādiņsaistes ierīces (EMCCD) sensors ir specializēts CCD sensora veids, kas pastiprina vājus signālus pirms to nolasīšanas, nodrošinot ārkārtīgi augstu jutību vāja apgaismojuma apstākļos.
Sākotnēji izstrādāti tādiem lietojumiem kā astronomija un progresīvā mikroskopija, EMCCD spēj noteikt atsevišķus fotonus, kas ir uzdevums, ar kuru tradicionālajiem CCD sensoriem ir grūti tikt galā. Šī spēja noteikt atsevišķus fotonus padara EMCCD par ļoti svarīgiem laukos, kuros nepieciešama precīza attēlveidošana ļoti vājā apgaismojumā.
Kā darbojas EMCCD sensori?
Līdz nolasīšanas brīdim EMCCD sensori darbojas pēc tādiem pašiem principiem kā CCD sensori. Tomēr pirms mērīšanas ar ADC detektētie lādiņi tiek reizināti procesā, ko sauc par impakcionizāciju, "elektronu reizināšanas reģistrā". Vairāku simtu soļu sērijā pikseļa lādiņi tiek pārvietoti pa maskētu pikseļu virkni ar augstu spriegumu. Katram elektronam katrā solī ir iespēja piesaistīt papildu elektronus. Tādējādi signāls tiek reizināts eksponenciāli.
Labi kalibrēta EMCCD gala rezultāts ir spēja izvēlēties precīzu vidējā reizinājuma lielumu, kas parasti ir aptuveni 300 līdz 400 darbam vājā apgaismojumā. Tas ļauj noteiktajiem signāliem reizināt daudz vairāk nekā kameras nolasīšanas troksnis, faktiski samazinot kameras nolasīšanas troksni. Diemžēl šī reizināšanas procesa stohastiskā daba nozīmē, ka katrs pikselis tiek reizināts ar atšķirīgu lielumu, kas rada papildu trokšņa faktoru, samazinot EMCCD signāla un trokšņa attiecību (SNR).
Šeit ir sniegts EMCCD sensoru darbības apraksts. Līdz 6. darbībai process faktiski ir tāds pats kā CCD sensoriem.
Attēls: EMCCD sensora nolasīšanas process
Ekspozīcijas beigās EMCCD sensori vispirms ātri pārvieto savāktos lādiņus uz maskētu pikseļu masīvu, kura izmēri ir tādi paši kā gaismjutīgajam masīvam (kadru pārsūtīšana). Pēc tam, pa vienai rindai, lādiņi tiek pārvietoti uz nolasīšanas reģistru. Pa vienai kolonnai nolasīšanas reģistra lādiņi tiek nodoti reizināšanas reģistram. Katrā šī reģistra posmā (līdz 1000 posmiem reālās EMCCD kamerās) katram elektronam ir neliela iespēja atbrīvot papildu elektronu, eksponenciāli reizinot signālu. Beigās reizinātais signāls tiek nolasīts.
1. Maksājumu klīringsLai sāktu datu iegūšanu, vienlaikus no visa sensora tiek izlādēts lādiņš (globālais slēdzis).
2. Uzlādes uzkrāšanāsEkspozīcijas laikā uzkrājas lādiņš.
3. Uzlādes uzglabāšanaPēc ekspozīcijas savāktie lādiņi tiek pārvietoti uz sensora maskēto zonu, kur tie var gaidīt nolasīšanu, neskaitot jaunus fotonus (kadru pārsūtīšanas). Šis ir “kadru pārsūtīšanas” process.
4. Nākamā kadra ekspozīcijaKad detektētie lādiņi ir saglabāti maskētajos pikseļos, aktīvie pikseļi var sākt nākamā kadra ekspozīciju (pārklāšanās režīms).
5. Nolasīšanas processPa vienai rindai vienlaikus lādiņi par katru pabeigtā kadra rindu tiek pārvietoti uz “nolasīšanas reģistru”.
6. Pa vienai kolonnai vienlaikus lādiņi no katra pikseļa tiek pārvietoti uz nolasīšanas mezglu.
7. Elektronu reizināšanaPēc tam visi elektronu lādiņi no pikseļa nonāk elektronu reizināšanas reģistrā un pārvietojas soli pa solim, katrā solī eksponenciāli reizinoties skaitlī.
8. NolasījumsReizināto signālu nolasa ADC, un process tiek atkārtots, līdz viss kadrs ir nolasīts.
EMCCD sensoru plusi un mīnusi
EMCCD sensoru priekšrocības
| Priekšrocība | Apraksts |
| Fotonu skaitīšana | Nosaka atsevišķus fotoelektronus ar īpaši zemu nolasīšanas troksni (<0,2e⁻), nodrošinot atsevišķu fotonu jutību. |
| Īpaši vājas gaismas jutība | Ievērojami labāk nekā tradicionālie CCD, dažkārt pārspējot pat augstas klases sCMOS kameras ļoti vājā apgaismojumā. |
| Zema tumšā strāva | Dziļā dzesēšana samazina termisko troksni, nodrošinot tīrākus attēlus ilgstošas ekspozīcijas laikā. |
| "Pusglobāls" slēģis | Kadru pārsūtīšana nodrošina gandrīz globālu ekspozīciju ar ļoti ātru lādiņa nobīdi (~1 mikrosekunde). |
● Fotonu skaitīšanaAr pietiekami augstu elektronu pavairošanu nolasīšanas troksni var praktiski novērst (<0,2e-). Tas kopā ar augsto pastiprinājuma vērtību un gandrīz perfektu kvantu efektivitāti nozīmē, ka ir iespējams atšķirt atsevišķus fotoelektronus.
● Īpaši vājas gaismas jutībaSalīdzinot ar CCD, EMCCD veiktspēja vājā apgaismojumā ir ievērojami labāka. Var būt pielietojumi, kuros EMCCD nodrošina labāku noteikšanas spēju un kontrastu pat nekā augstas klases sCMOS pie viszemākajiem iespējamiem apgaismojuma līmeņiem.
● Zema tumšā strāvaTāpat kā CCD, arī EMCCD parasti tiek dziļi dzesēti un spēj nodrošināt ļoti zemas tumšās strāvas vērtības.
● "Pusglobāls" slēģisKadra pārsūtīšanas process ekspozīcijas sākumam un beigām nav patiesi vienlaicīgs, bet parasti ilgst aptuveni 1 mikrosekundi.
EMCCD sensoru mīnusi
| Trūkums | Apraksts |
| Ierobežots ātrums | Maksimālais kadru ātrums (~30 kadri/s pie 1 MP) ir daudz lēnāks nekā mūsdienu CMOS alternatīvām. |
| Pastiprināšanas troksnis | Elektronu pavairošanas nejaušais raksturs rada pārmērīgu troksni, samazinot signāla un trokšņa attiecību (SNR). |
| Pulksteņa inducēta uzlāde (CIC) | Ātra lādiņa kustība var radīt viltus signālus, kas tiek pastiprināti. |
| Samazināts dinamiskais diapazons | Augsts pastiprinājums samazina maksimālo signālu, ko sensors var apstrādāt pirms piesātinājuma. |
| Liels pikseļu izmērs | Bieži sastopamie pikseļu izmēri (13–16 μm) var neatbilst daudzu optisko sistēmu prasībām. |
| Liela dzesēšanas prasība | Lai panāktu vienmērīgu reizināšanu un zemu trokšņa līmeni, ir nepieciešama stabila dziļa dzesēšana. |
| Kalibrēšanas vajadzības | EM pastiprinājums laika gaitā samazinās (reizināšanas sabrukšana), tāpēc ir nepieciešama regulāra kalibrēšana. |
| Īsas ekspozīcijas nestabilitāte | Ļoti īsa ekspozīcija var izraisīt neparedzamu signāla pastiprināšanos un troksni. |
| Augstas izmaksas | Sarežģīta ražošana un dziļa dzesēšana padara šos sensorus dārgākus nekā sCMOS. |
| Ierobežots kalpošanas laiks | Elektronu pavairošanas reģistrs nolietojas, parasti tas ilgst 5–10 gadus. |
| Eksporta izaicinājumi | Pakļauts stingriem noteikumiem iespējamo militāro pielietojumu dēļ. |
● Ierobežots ātrumsĀtrās EMCCD matricas nodrošina aptuveni 30 kadrus sekundē ar 1 MP izšķirtspēju, kas ir līdzīgi CCD matricām un ir par lieluma pakāpēm lēnāk nekā CMOS kameras.
● Trokšņa ievadsSalīdzinot ar zema trokšņa līmeņa sCMOS kameru ar tādu pašu kvantu efektivitāti, nejaušas elektronu pavairošanas radītais “pārmērīgais trokšņa faktors” var radīt EMCCD ievērojami lielāku troksni atkarībā no signāla līmeņiem. Augstas klases sCMOS signāla un trokšņa attiecība (SNR) parasti ir labāka aptuveni 3e signāliem, vēl jo vairāk spēcīgākiem signāliem.
● Pulksteņa inducēta uzlāde (CIC)Ja vien lādiņu kustība pāri sensoram netiek rūpīgi kontrolēta, tā pikseļos var ievadīt papildu elektronus. Šo troksni pēc tam reizina elektronu reizināšanas reģistrs. Lielāks lādiņu kustības ātrums (pulksteņa frekvence) nodrošina lielāku kadru ātrumu, bet lielāku CIC.
● Samazināts dinamiskais diapazonsĻoti augstās elektronu pavairošanas vērtības, kas nepieciešamas, lai pārvarētu EMCCD lasīšanas troksni, ievērojami samazina dinamisko diapazonu.
● Liels pikseļu izmērsMazākais izplatītākais pikseļu izmērs EMCCD kamerām ir 10 μm, bet visizplatītākais ir 13 vai 16 μm. Tas ir pārāk liels, lai atbilstu vairuma optisko sistēmu izšķirtspējas prasībām.
● Kalibrēšanas prasībasElektronu pavairošanas process lietošanas laikā nolieto EM reģistru, samazinot tā spēju pavairot procesu, ko sauc par "elektronu pavairošanas sabrukšanu". Tas nozīmē, ka kameras pastiprinājums pastāvīgi mainās, un kamerai ir nepieciešama regulāra kalibrēšana, lai veiktu jebkādu kvantitatīvu attēlveidošanu.
● Nevienmērīga ekspozīcija īsā laikāIzmantojot ļoti īsus ekspozīcijas laikus, EMCCD kameras var radīt nekonsekventus rezultātus, jo vājo signālu pārņem troksnis un pastiprināšanas process rada statistiskas svārstības.
● Nepieciešama liela dzesēšanaElektronu pavairošanas procesu spēcīgi ietekmē temperatūra. Sensora dzesēšana palielina pieejamo elektronu pavairošanu. Tāpēc dziļa sensora dzesēšana, vienlaikus saglabājot temperatūras stabilitāti, ir kritiski svarīga reproducējamiem EMCCD mērījumiem.
● Augstas izmaksasŠo daudzkomponentu sensoru ražošanas grūtības apvienojumā ar dziļu dzesēšanu noved pie cenām, kas parasti ir augstākas nekā augstākās kvalitātes sCMOS sensoru kamerām.
● Ierobežots kalpošanas laiksElektronu pavairošanas sabrukšana ierobežo šo dārgo sensoru kalpošanas laiku, kas parasti ir 5–10 gadi atkarībā no lietošanas līmeņa.
● Eksporta izaicinājumiEMCCD sensoru imports un eksports parasti ir loģistiski sarežģīts to potenciālā pielietojuma dēļ militāriem nolūkiem.
Kāpēc EMCCD ir CCD pēctecis
| Funkcija | CCD | EMCCD |
| Jūtība | Augsts | Īpaši augsts (īpaši vājā apgaismojumā) |
| Nolasījuma troksnis | Vidējs | Ārkārtīgi zems (pastiprinājuma dēļ) |
| Dinamiskais diapazons | Augsts | Mērens (ierobežots ar pastiprinājumu) |
| Izmaksas | Zemāks | Augstāks |
| Dzesēšana | Pēc izvēles | Parasti nepieciešams optimālai veiktspējai |
| Lietošanas gadījumi | Vispārīga attēlveidošana | Vāja apgaismojuma, viena fotona noteikšana |
EMCCD sensori balstās uz tradicionālo CCD tehnoloģiju, iekļaujot elektronu pavairošanas soli. Tas uzlabo spēju pastiprināt vājus signālus un samazināt troksni, padarot EMCCD par vēlamo izvēli ārkārtīgi vāja apgaismojuma attēlveidošanas lietojumprogrammām, kur CCD sensori nav pietiekami.
EMCCD sensoru galvenie pielietojumi
EMCCD sensorus parasti izmanto zinātnes un rūpniecības jomās, kurām nepieciešama augsta jutība un spēja noteikt vājus signālus:
● Dzīvības zinātnes iztēleg: Tādiem lietojumiem kā vienas molekulas fluorescences mikroskopija un pilnīgas iekšējās atstarošanas fluorescences (TIRF) mikroskopija.
● AstronomijaIzmanto, lai uztvertu vāju gaismu no tālām zvaigznēm, galaktikām un eksoplanētu pētījumiem.
● Kvantu optikaFotonu sapīšanās un kvantu informācijas eksperimentiem.
● Kriminālistika un drošībaIzmanto vāja apgaismojuma novērošanā un pēdu pierādījumu analīzē.
● SpektroskopijaRamana spektroskopijā un zemas intensitātes fluorescences noteikšanā.
Kad jums vajadzētu izvēlēties EMCCD sensoru?
Pēdējos gados, uzlabojot CMOS sensorus, EMCCD sensoru priekšrocība lasīšanas trokšņa ziņā ir mazinājusies, jo tagad pat sCMOS kameras spēj nodrošināt subelektronu lasīšanas troksni, kā arī virkni citu priekšrocību. Ja lietojumprogrammā iepriekš ir izmantoti EMCCD, ir vērts pārskatīt, vai šī ir labākā izvēle, ņemot vērā sCMOS attīstību.
Vēsturiski EMCCD joprojām varēja veiksmīgāk veikt fotonu skaitīšanu, kā arī dažās citās nišas lietojumprogrammās ar tipiskiem signāla līmeņiem, kas maksimuma brīdī bija mazāki par 3–5e- uz pikseli. Tomēr, palielinoties pikseļu izmēriem un subelektronu lasīšanas trokšņiem, kļūstot pieejamiemzinātniskās kamerasPamatojoties uz sCMOS tehnoloģiju, ir iespējams, ka arī šīs lietojumprogrammas drīzumā tiks veiktas ar augstas klases sCMOS.
Bieži uzdotie jautājumi
Kāds ir minimālais ekspozīcijas laiks kadru pārsūtīšanas kamerām?
Visiem kadru pārneses sensoriem, tostarp EMCCD, minimālā iespējamā ekspozīcijas laika jautājums ir sarežģīts. Viena attēla iegūšanai ekspozīciju var pārtraukt, ļoti ātri pārvietojot iegūtos lādiņus maskētajā apgabalā nolasīšanai, un ir iespējams īss (submikrosekundes) minimālais ekspozīcijas laiks.
Tomēr, tiklīdz kamera sāk straumēt pilnā ātrumā, t. i., iegūst vairākus kadrus/filmu ar pilnu kadru ātrumu, tiklīdz pirmā attēla ekspozīcija ir pabeigta, maskēto apgabalu aizņem šis kadrs, līdz tiek pabeigta nolasīšana. Tāpēc ekspozīcija nevar beigties. Tas nozīmē, ka neatkarīgi no programmatūrā pieprasītā ekspozīcijas laika, nākamo kadru reālais ekspozīcijas laiks pēc pirmā pilna ātruma vairāku kadru iegūšanas kadra tiek noteikts pēc kameras kadra laika, t. i., 1/kadru ātrums.
Vai sCMOS tehnoloģija aizstāj EMCCD sensorus?
EMCCD kamerām bija divas specifikācijas, kas palīdzēja saglabāt to priekšrocības ārkārtīgi vāja apgaismojuma attēlveidošanas scenārijos (ar maksimālo signāla līmeni 5 fotoelektroni vai mazāk). Pirmkārt, to lielie pikseļi, līdz pat 16 μm, un, otrkārt, to <1e nolasīšanas troksnis.
Jauna paaudzesCMOS kamerair parādījusies kamera, kas piedāvā tādas pašas īpašības, bet bez daudzajiem EMCCD trūkumiem, īpaši pārmērīga trokšņa faktora. Tādas kameras kā Tucsen ražotā Aries 16 piedāvā 16 μm no aizmugures apgaismotus pikseļus ar nolasīšanas troksni 0,8e-. Ar zemu trokšņa līmeni un "dabiski" lieliem pikseļiem šīs kameras arī pārspēj lielāko daļu grupēto sCMOS kameru, pateicoties saistībai starp grupēšanu un nolasīšanas troksni.
Ja vēlaties uzzināt vairāk par EMCCD, lūdzu, noklikšķiniet uz:
Vai EMCCD var aizstāt, un vai mēs to kādreiz vēlētos?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Visas tiesības aizsargātas. Citējot, lūdzu, norādiet avotu:www.tucsen.com
