25/08/01Электрон үржүүлэх CCD мэдрэгч нь бага гэрэлтэй ажиллах боломжийг олгодог CCD мэдрэгчийн хувьсал юм. Эдгээр нь ихэвчлэн бие даасан фотон тоолох түвшин хүртэл хэдэн зуун фотоэлектронуудын дохионд зориулагдсан байдаг.
Энэ нийтлэлд EMCCD мэдрэгч гэж юу болох, тэдгээр нь хэрхэн ажилладаг, давуу болон сул талууд, яагаад тэдгээрийг бага гэрлийн дүрслэлд зориулсан CCD технологийн дараагийн хувьсал гэж үздэг талаар тайлбарласан болно.
EMCCD мэдрэгч гэж юу вэ?
Электрон-Үржүүлэгч цэнэглэгч төхөөрөмж (EMCCD) мэдрэгч нь сул дохиог уншихаас өмнө өсгөж, гэрэл багатай орчинд маш өндөр мэдрэмжтэй байх боломжийг олгодог тусгай төрлийн CCD мэдрэгч юм.
Анх одон орон судлал, дэвшилтэт микроскоп зэрэг хэрэглээнд зориулан бүтээгдсэн EMCCD нь уламжлалт CCD мэдрэгчүүдийн тулгардаг ганц фотоныг илрүүлж чаддаг. Тус тусдаа фотоныг илрүүлэх энэхүү чадвар нь EMCCD-ийг маш бага гэрлийн түвшинд нарийн дүрслэл шаарддаг талбаруудад чухал ач холбогдолтой болгодог.
EMCCD мэдрэгч хэрхэн ажилладаг вэ?
Унших хүртэл EMCCD мэдрэгч нь CCD мэдрэгчтэй ижил зарчмаар ажилладаг. Гэсэн хэдий ч ADC-ээр хэмжихийн өмнө илэрсэн цэнэгийг "электрон үржүүлэх бүртгэл"-д импульсжилт гэж нэрлэгддэг процессоор үржүүлдэг. Хэдэн зуун алхамын дараагаар пикселийн цэнэгүүд өндөр хүчдэлд хэд хэдэн далдлагдсан пикселийн дагуу хөдөлдөг. Алхам бүрт электрон бүр нэмэлт электрон авчрах боломжтой байдаг. Тиймээс дохио нь экспоненциалаар үрждэг.
Сайн тохируулсан EMCCD-ийн эцсийн үр дүн нь гэрэл багатай ажилд 300-400 орчим дундаж үржүүлгийн нарийн хэмжээг сонгох чадвар юм. Энэ нь илрүүлсэн дохиог камерын унших чимээ шуугианаас хамаагүй өндөр үржүүлж, камерын унших чимээг бууруулдаг. Харамсалтай нь энэхүү үржүүлэх үйл явцын стохастик шинж чанар нь пиксел бүрийг өөр хэмжээгээр үржүүлдэг бөгөөд энэ нь дуу чимээний нэмэлт хүчин зүйлийг нэвтрүүлж, EMCCD-ийн дохио-дуу чимээний харьцааг (SNR) бууруулдаг.
EMCCD мэдрэгчүүд хэрхэн ажилладаг талаар эндээс үзнэ үү. 6-р алхам хүртэл процесс нь CCD мэдрэгчийнхтэй адил байна.
Зураг: EMCCD мэдрэгчийг унших үйл явц
EMCCD мэдрэгчүүд өртөлтийн төгсгөлд эхлээд цуглуулсан цэнэгээ гэрэл мэдрэмтгий массив (хүрээ дамжуулах) хэмжээтэй ижил хэмжээтэй далдлагдсан пикселийн массив руу хурдан шилжүүлдэг. Дараа нь төлбөрийг нэг нэг эгнээгээр унших бүртгэлд шилжүүлнэ. Унших бүртгэлийн хураамжийг нэг баганаар үржүүлэх бүртгэл рүү шилжүүлнэ. Энэ бүртгэлийн үе шат бүрт (бодит EMCCD камерт 1000 хүртэлх үе шат) электрон бүр нэмэлт электрон гаргах багахан боломжтой бөгөөд дохиог экспоненциалаар үржүүлдэг. Төгсгөлд нь үржүүлсэн дохиог уншина.
1. Цэнэг цэвэрлэх: Худалдан авалтыг эхлүүлэхийн тулд цэнэгийг бүхэлд нь мэдрэгчээс (дэлхийн хаалт) нэгэн зэрэг цэвэрлэнэ.
2. Цэнэг хуримтлуулах: Өртөх үед цэнэг хуримтлагдана.
3. Цэнэглэх сан: Нөлөөлөлд өртсөний дараа цуглуулсан цэнэгийг мэдрэгчийн далдлагдсан хэсэг рүү шилжүүлж, шинэ фотон илрүүлсэн фотоныг тоолохгүйгээр уншихыг хүлээх боломжтой. Энэ бол 'Frame Transfer' процесс юм.
4. Дараагийн Frame Exposure: Илрүүлсэн цэнэгүүдийг далдалсан пикселүүдэд хадгалснаар идэвхтэй пикселүүд дараагийн фреймийг (давхцах горим) эхлүүлж болно.
5. Унших үйл явц: Дууссан фрэймийн мөр бүрийн хураамжийг нэг нэг эгнээнд "унших бүртгэл" рүү шилжүүлнэ.
6. Нэг удаад нэг багана, пиксел бүрийн цэнэгийг унших цэг рүү шилжүүлдэг.
7. Электрон үржүүлэх: Дараа нь пикселээс бүх электрон цэнэгүүд электрон үржүүлгийн бүртгэлд орж, алхам тутамдаа тоогоор экспоненциалаар үрждэг.
8. Унших: Үржүүлсэн дохиог ADC уншиж, бүхэл бүтэн фрейм уншиж дуустал процесс давтагдана.
EMCCD мэдрэгчийн давуу болон сул талууд
EMCCD мэдрэгчийн давуу тал
| Давуу тал | Тодорхойлолт |
| Фотон тоолох | Хэт бага уншигдах чимээ (<0.2e⁻) бүхий бие даасан фотоэлектронуудыг илрүүлж, нэг фотоны мэдрэмжийг идэвхжүүлдэг. |
| Хэт бага гэрлийн мэдрэмж | Уламжлалт CCD-ээс хамаагүй дээр, заримдаа маш бага гэрлийн түвшинд өндөр чанартай sCMOS камеруудаас ч давж гардаг. |
| Бага харанхуй урсгал | Гүн хөргөлт нь дулааны чимээ шуугианыг бууруулж, удаан хугацааны туршид илүү цэвэрхэн зураг авах боломжийг олгодог. |
| "Хагас дэлхийн" хаалт | Фрейм дамжуулалт нь маш хурдан цэнэгийн шилжилттэй (~1 микросекунд) бараг дэлхийн хэмжээнд өртөх боломжийг олгодог. |
● Фотон тоолох: Хангалттай өндөр электрон үржүүлснээр унших чимээг бараг арилгах боломжтой (<0.2e-). Энэ нь өндөр өсөлтийн үнэ цэнэ, бараг төгс квант үр ашгийн зэрэгцээ тус тусдаа фотоэлектронуудыг ялгах боломжтой гэсэн үг юм.
● Хэт бага гэрэлд мэдрэг чанар: CCD-тэй харьцуулахад EMCCD-ийн бага гэрлийн гүйцэтгэл нь эрс дээр юм. EMCCD нь хамгийн бага гэрлийн түвшинд өндөр чанартай sCMOS-аас ч илүү сайн илрүүлэх чадвар, тодосгогчийг өгдөг зарим програмууд байж болно.
● Бага харанхуй гүйдэл: CCD-ийн нэгэн адил EMCCD нь ихэвчлэн гүн хөргөлттэй бөгөөд маш бага харанхуй гүйдлийн утгыг дамжуулах чадвартай.
● 'Haf Global' Shutter: Фрейм шилжүүлэх үйл явц нь өртөлтийг эхлүүлэх, дуусгах нь үнэхээр нэгэн зэрэг биш боловч ихэвчлэн 1 микросекундын дарааллаар явагддаг.
EMCCD мэдрэгчийн сул талууд
| Сул тал | Тодорхойлолт |
| Хязгаарлагдмал хурд | Хамгийн их фрэймийн хурд (1 МП-д ~30 fps) орчин үеийн CMOS хувилбаруудаас хамаагүй удаан байдаг. |
| Олшруулах чимээ | Электрон үржүүлгийн санамсаргүй шинж чанар нь хэт их дуу чимээг бий болгож, SNR-ийг бууруулдаг. |
| Цагнаас үүдэлтэй цэнэг (CIC) | Хурдан цэнэглэх хөдөлгөөн нь хуурамч дохиог үүсгэж, улам бүр нэмэгддэг. |
| Динамик хүрээг багасгасан | Өндөр өсөлт нь мэдрэгчийг ханахаас өмнө зохицуулж чадах хамгийн их дохиог бууруулдаг. |
| Том пикселийн хэмжээ | Нийтлэг пикселийн хэмжээ (13-16 мкм) нь олон оптик системийн шаардлагад нийцэхгүй байж болно. |
| Хүчтэй хөргөлтийн шаардлага | Тогтвортой үржүүлж, дуу чимээ багатай байхын тулд тогтвортой гүн хөргөлт шаардлагатай. |
| Шалгалт тохируулгын хэрэгцээ | EM олз нь цаг хугацааны явцад доройтож (үржүүлэх задрал) тогтмол тохируулга хийх шаардлагатай болдог. |
| Богино хугацаанд өртөх тогтворгүй байдал | Маш богино хугацаанд өртөх нь урьдчилан таамаглах аргагүй дохио олшрох, дуу чимээ үүсгэдэг. |
| Өндөр зардал | Нарийн төвөгтэй үйлдвэрлэл, гүн хөргөлт нь эдгээр мэдрэгчийг sCMOS-ээс илүү үнэтэй болгодог. |
| Хязгаарлагдмал ашиглалтын хугацаа | Электрон үржүүлгийн бүртгэл нь ихэвчлэн 5-10 жил үргэлжилдэг элэгддэг. |
| Экспортын сорилтууд | Цэргийн зориулалтаар ашиглах боломжтой тул хатуу дүрэм журамтай. |
● Хязгаарлагдмал хурд: Хурдан EMCCD нь CCD камертай адил CMOS камертай харьцуулахад 1 МП-д ойролцоогоор 30 fps хурдыг өгдөг.
● Дуу чимээний танилцуулга: Санамсаргүй электрон үржүүлснээс үүссэн 'илүүдэл дуу чимээний хүчин зүйл' нь ижил квантын үр ашигтай дуу чимээ багатай sCMOS камертай харьцуулахад дохионы түвшингээс хамааран EMCCD-д эрс өндөр дуу чимээг өгч чадна. Дээд зэрэглэлийн sCMOS-д зориулсан SNR нь ихэвчлэн 3e- орчим дохионы хувьд илүү сайн байдаг ба түүнээс ч илүү өндөр дохионы хувьд.
● Цагнаас үүдэлтэй цэнэг (CIC): Анхааралтай хяналтгүй бол мэдрэгч дээрх цэнэгийн хөдөлгөөн нь нэмэлт электронуудыг пиксел болгон оруулж болно. Дараа нь энэ дуу чимээг электрон үржүүлэх регистрээр үржүүлнэ. Цэнэглэх хөдөлгөөний өндөр хурд (цагийн хурд) нь илүү өндөр фрэймийн хурдыг бий болгодог, гэхдээ илүү их CIC.
● Динамик хүрээг багасгасан: EMCCD унших чимээг даван туулахад шаардагдах маш өндөр электрон үржүүлгийн утгууд нь динамик хүрээг ихээхэн багасгахад хүргэдэг.
● Том пикселийн хэмжээ: EMCCD камерын хамгийн жижиг нийтлэг пикселийн хэмжээ нь 10 μм боловч 13 эсвэл 16 μм нь хамгийн түгээмэл байдаг. Энэ нь ихэнх оптик системийн нарийвчлалын шаардлагыг хангахад хэтэрхий том байна.
● Шалгалт тохируулгын шаардлага: Электрон үржүүлэх үйл явц нь EM регистрийг ашигласнаар элэгдэж, "электрон үржүүлэх задрал" гэж нэрлэгддэг процесст үржих чадварыг нь бууруулдаг. Энэ нь камерын ашиг байнга өөрчлөгддөг гэсэн үг бөгөөд камер нь аливаа тоон дүрслэлийг хийхийн тулд тогтмол шалгалт тохируулга шаарддаг.
● Богино хугацаанд тогтмол бус өртөх: Маш богино хугацаанд өртөх хугацааг ашиглах үед EMCCD камер нь сул дохио нь дуу чимээнд дарагдаж, олшруулах үйл явц нь статистик хэлбэлзэл үүсгэдэг тул зөрүүтэй үр дүн гаргаж болзошгүй.
● Хүчтэй хөргөлтийн шаардлага: Электрон үржих процесст температур хүчтэй нөлөөлдөг. Мэдрэгчийг хөргөх нь боломжтой электрон үржүүлэлтийг нэмэгдүүлдэг. Тиймээс температурын тогтвортой байдлыг хадгалахын зэрэгцээ гүн мэдрэгчийг хөргөх нь дахин давтагдах EMCCD хэмжилтэд маш чухал юм.
● Өндөр өртөгтэй: Эдгээр олон бүрэлдэхүүн хэсэгтэй мэдрэгчийг үйлдвэрлэхэд хүндрэлтэй байгаа нь гүн хөргөлттэй хослуулан үнэ нь хамгийн өндөр чанартай sCMOS мэдрэгчтэй камеруудаас өндөр байдаг.
● Хязгаарлагдмал ашиглалтын хугацаа: Электрон үржүүлгийн задрал нь ашиглалтын түвшнээс хамааран эдгээр үнэтэй мэдрэгчүүдийн ашиглалтын хугацааг ихэвчлэн 5-10 жилээр хязгаарладаг.
● Экспортын сорилтууд: EMCCD мэдрэгчийг цэргийн хэрэглээнд ашиглах боломжтой тул импорт, экспортлох нь логистикийн хувьд хүндрэлтэй байх хандлагатай байдаг.
Яагаад EMCCD нь CCD-ийн залгамжлагч вэ?
| Онцлог | CCD | EMCCD |
| Мэдрэмж | Өндөр | Хэт өндөр (ялангуяа бага гэрэл) |
| Унших чимээ | Дунд зэрэг | Маш бага (ололттой холбоотой) |
| Динамик хүрээ | Өндөр | Дунд зэрэг (олзоор хязгаарлагдсан) |
| Зардал | Доод | Илүү өндөр |
| Хөргөх | Нэмэлт | Хамгийн оновчтой гүйцэтгэлийн хувьд ихэвчлэн шаардлагатай байдаг |
| Хэрэглэх тохиолдлууд | Ерөнхий дүрслэл | Гэрэл багатай, нэг фотоны илрүүлэлт |
EMCCD мэдрэгч нь электрон үржүүлэх алхамыг агуулсан уламжлалт CCD технологи дээр суурилдаг. Энэ нь сул дохиог өсгөх, дуу чимээг багасгах чадварыг сайжруулж, CCD мэдрэгч хангалтгүй үед EMCCD-ийг хэт бага гэрлийн дүрслэлийн программуудад илүүд үздэг.
EMCCD мэдрэгчийн гол хэрэглээ
EMCCD мэдрэгчийг өндөр мэдрэмжтэй, бүдэг дохиог илрүүлэх чадвартай шинжлэх ухаан, үйлдвэрлэлийн салбарт ихэвчлэн ашигладаг.
● Амьдралын шинжлэх ухааны төсөөлөлg: Нэг молекулт флюресценцийн микроскоп ба дотоод тусгалын флюресценц (TIRF) микроскоп зэрэг хэрэглээнд зориулагдсан.
● Одон орон судлал: Алс холын одод, галактикийн бүдэг гэрлийг авах, гадаад гаригийн судалгаанд ашигладаг.
● Квантын оптик: Фотоны орооцолдол ба квант мэдээллийн туршилтанд зориулагдсан.
● Шүүхийн шинжилгээ ба аюулгүй байдал: Гэрэл багатай тандалт болон ул мөр нотлох баримтын шинжилгээнд ажилд орсон.
● Спектроскопи: Раман спектроскопи болон бага эрчимтэй флюресцент илрүүлэх.
EMCCD мэдрэгчийг хэзээ сонгох вэ?
Сүүлийн жилүүдэд CMOS мэдрэгчийг сайжруулснаар EMCCD мэдрэгчүүдийн унших чимээ шуугианы давуу тал багассан тул одоо sCMOS камерууд ч гэсэн электроникийн унших чимээ шуугианаас гадна бусад олон давуу талуудтай. Хэрэв програм өмнө нь EMCCD ашиглаж байсан бол sCMOS-ийн хөгжүүлэлтийн дагуу энэ нь хамгийн сайн сонголт мөн эсэхийг шалгах нь зүйтэй.
Түүхээс харахад EMCCD-үүд нь дээд цэгтээ пиксел тутамд 3-5e-ээс бага ердийн дохионы түвшинтэй бусад цөөн тооны програмын зэрэгцээ фотон тоолох ажлыг илүү амжилттай гүйцэтгэсэн хэвээр байна. Гэсэн хэдий ч илүү том пикселийн хэмжээ болон дэд электрон унших чимээ гарах боломжтой болсоншинжлэх ухааны камеруудsCMOS технологид суурилсан эдгээр программуудыг удахгүй өндөр чанартай sCMOS ашиглан гүйцэтгэх боломжтой.
Түгээмэл асуултууд
Хүрээ дамжуулах камерын хамгийн бага өртөх хугацаа хэд вэ?
Бүх хүрээ дамжуулах мэдрэгч, түүний дотор EMCCD-ийн хувьд өртөх хамгийн бага хугацаа нь төвөгтэй асуудал юм. Нэг зураг авахын тулд олж авсан цэнэгээ маш хурдан уншихын тулд далдлагдсан хэсэгт холих замаар өртөлтийг дуусгаж болох бөгөөд хамгийн бага өртөх хугацаа богино (дэд микросекунд) байж болно.
Гэсэн хэдий ч, камер бүрэн хурдтайгаар цацагдаж, өөрөөр хэлбэл олон фрэйм / киног бүтэн фрэймийн хурдаар авах үед, эхний зураг гарч дуусмагц далдлагдсан хэсэг нь уншиж дуустал тэр кадрт байрлана. Тиймээс өртөлт дуусах боломжгүй юм. Энэ нь програм хангамжид хүссэн өртөх хугацаанаас үл хамааран бүрэн хурдтай олон фрэймийн зураг авалтын дараа дараагийн фрэймийн бодит өртөх хугацааг камерын фрэймийн хугацаа, өөрөөр хэлбэл 1 / Frame Rate-ээр өгдөг гэсэн үг юм.
sCMOS технологи нь EMCCD мэдрэгчийг сольж байна уу?
EMCCD камерууд нь хэт бага гэрэлд (5 фотоэлектрон ба түүнээс бага дохионы дээд түвшин) зураг авалтын хувилбаруудад давуу талаа хадгалахад тусалсан хоёр үзүүлэлттэй байсан. Нэгдүгээрт, тэдгээрийн 16 μм хүртэлх том пикселүүд, хоёрдугаарт, тэдгээрийн <1e- унших чимээ.
Шинэ үеsCMOS камерEMCCD-ийн олон тооны сул тал, ялангуяа хэт их дуу чимээний хүчин зүйлгүйгээр эдгээр шинж чанаруудыг санал болгодог нь бий болсон. Tucsen-ийн Aries 16 зэрэг камерууд нь 0.8e- унших чимээтэй, 16 μм-ийн арын гэрэлтүүлэгтэй пикселүүдийг санал болгодог. Дуу чимээ багатай, "уугуул" том пикселийн хувьд эдгээр камерууд нь биннинг болон унших чимээ хоёрын хоорондын хамаарлаас шалтгаалан ихэнх sCMOS камеруудаас илүү сайн ажилладаг.
Хэрэв та EMCCD-ийн талаар илүү ихийг мэдэхийг хүсвэл:
EMCCD-г сольж болох уу, бид үүнийг хэзээ ч хүсэх болов уу?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Бүх эрх хуулиар хамгаалагдсан. Иш татахдаа эх сурвалжийг хүлээн зөвшөөрнө үү:www.tucsen.com
