२५/०८/०१इलेक्ट्रॉन-मल्टीप्लायिंग सीसीडी सेन्सर हा कमी प्रकाशाच्या ऑपरेशनला अनुमती देणाऱ्या सीसीडी सेन्सरचा एक विकास आहे. ते सामान्यतः काहीशे फोटोइलेक्ट्रॉनच्या सिग्नलसाठी असतात, वैयक्तिक फोटॉन-मोजणी पातळीपर्यंत.
हा लेख EMCCD सेन्सर काय आहेत, ते कसे कार्य करतात, त्यांचे फायदे आणि तोटे आणि कमी प्रकाशात इमेजिंगसाठी त्यांना CCD तंत्रज्ञानाचा पुढील विकास का मानले जाते हे स्पष्ट करतो.
ईएमसीसीडी सेन्सर म्हणजे काय?
इलेक्ट्रॉन-मल्टीप्लायिंग चार्ज-कपल्ड डिव्हाइस (EMCCD) सेन्सर हा एक विशेष प्रकारचा CCD सेन्सर आहे जो कमकुवत सिग्नल वाचण्यापूर्वी त्यांना वाढवतो, ज्यामुळे कमी प्रकाशाच्या वातावरणात अत्यंत उच्च संवेदनशीलता निर्माण होते.
सुरुवातीला खगोलशास्त्र आणि प्रगत मायक्रोस्कोपीसारख्या अनुप्रयोगांसाठी विकसित केलेले, EMCCDs एकल फोटॉन शोधू शकतात, हे काम पारंपारिक CCD सेन्सर्सना कठीण जाते. वैयक्तिक फोटॉन शोधण्याची ही क्षमता EMCCDs ला अत्यंत कमी प्रकाश पातळीखाली अचूक इमेजिंग आवश्यक असलेल्या क्षेत्रांसाठी महत्त्वपूर्ण बनवते.
ईएमसीसीडी सेन्सर कसे काम करतात?
वाचनाच्या टप्प्यापर्यंत, EMCCD सेन्सर CCD सेन्सर सारख्याच तत्त्वांवर कार्य करतात. तथापि, ADC वापरून मोजमाप करण्यापूर्वी, 'इलेक्ट्रॉन गुणाकार रजिस्टर' मध्ये, इम्पॅक्शनायझेशन नावाच्या प्रक्रियेद्वारे शोधलेले चार्ज गुणाकार केले जातात. अनेक शंभर पायऱ्यांच्या मालिकेत, एका पिक्सेलमधील चार्ज उच्च व्होल्टेजवर मास्क केलेल्या पिक्सेलच्या मालिकेसह हलवले जातात. प्रत्येक पायरीवरील प्रत्येक इलेक्ट्रॉनला अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन आणण्याची शक्यता असते. म्हणून सिग्नलचा घातांकीय गुणाकार केला जातो.
चांगल्या प्रकारे कॅलिब्रेट केलेल्या EMCCD चा अंतिम परिणाम म्हणजे सरासरी गुणाकाराची अचूक रक्कम निवडण्याची क्षमता, सामान्यतः कमी प्रकाशात काम करण्यासाठी सुमारे 300 ते 400. यामुळे आढळलेले सिग्नल कॅमेऱ्याच्या रीड नॉइजपेक्षा खूप जास्त गुणाकार करण्यास सक्षम होतात, ज्यामुळे कॅमेऱ्याचा रीड नॉइज कमी होतो. दुर्दैवाने, या गुणाकार प्रक्रियेच्या स्टोकास्टिक स्वरूपाचा अर्थ असा आहे की प्रत्येक पिक्सेलला वेगळ्या प्रमाणात गुणाकार केला जातो, जो अतिरिक्त नॉइज फॅक्टर सादर करतो, ज्यामुळे EMCCD चा सिग्नल-टू-नॉइज रेशो (SNR) कमी होतो.
ईएमसीसीडी सेन्सर्स कसे कार्य करतात याचे विश्लेषण येथे दिले आहे. चरण 6 पर्यंत, प्रक्रिया प्रभावीपणे सीसीडी सेन्सर्स सारखीच आहे.
आकृती: EMCCD सेन्सरसाठी रीडआउट प्रक्रिया
त्यांच्या प्रदर्शनाच्या शेवटी, EMCCD सेन्सर प्रथम एकत्रित शुल्कांना प्रकाश संवेदनशील अ‍ॅरे (फ्रेम ट्रान्सफर) सारख्याच परिमाणांच्या पिक्सेलच्या मुखवटा असलेल्या अ‍ॅरेमध्ये द्रुतपणे हलवतात. नंतर, एका वेळी एका ओळीत, शुल्क एका रीडआउट रजिस्टरमध्ये हलवले जातात. एका वेळी एक स्तंभ, रीडआउट रजिस्टरमधील शुल्क गुणाकार रजिस्टरमध्ये पाठवले जातात. या रजिस्टरच्या प्रत्येक टप्प्यावर (वास्तविक EMCCD कॅमेऱ्यांमध्ये 1000 टप्प्यांपर्यंत), प्रत्येक इलेक्ट्रॉनला एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन सोडण्याची, सिग्नलला घातांकीय गुणाकार करण्याची एक छोटीशी संधी असते. शेवटी, गुणाकार सिग्नल वाचला जातो.
1. शुल्क क्लिअरिंग: अधिग्रहण सुरू करण्यासाठी, संपूर्ण सेन्सर (ग्लोबल शटर) मधून एकाच वेळी चार्ज साफ केला जातो.
2. शुल्क संचय: एक्सपोजर दरम्यान चार्ज जमा होतो.
3. चार्ज स्टोरेज: एक्सपोजरनंतर, गोळा केलेले चार्जेस सेन्सरच्या एका मास्क केलेल्या भागात हलवले जातात, जिथे ते नवीन शोधलेले फोटॉन मोजल्याशिवाय वाचण्याची वाट पाहू शकतात. ही 'फ्रेम ट्रान्सफर' प्रक्रिया आहे.
4. पुढील फ्रेम एक्सपोजर: मास्क केलेल्या पिक्सेलमध्ये साठवलेल्या शोधलेल्या चार्जेससह, सक्रिय पिक्सेल पुढील फ्रेमचे (ओव्हरलॅप मोड) एक्सपोजर सुरू करू शकतात.
5. वाचन प्रक्रिया: एका वेळी एका ओळीत, तयार केलेल्या फ्रेमच्या प्रत्येक ओळीसाठी शुल्क 'रीडआउट रजिस्टर' मध्ये हलवले जाते.
६. एका वेळी एक कॉलम, प्रत्येक पिक्सेलमधील चार्जेस रीडआउट नोडमध्ये शटल केले जातात.
7. इलेक्ट्रॉन गुणाकार: पुढे, पिक्सेलमधील सर्व इलेक्ट्रॉन चार्ज इलेक्ट्रॉन गुणाकार रजिस्टरमध्ये प्रवेश करतात आणि टप्प्याटप्प्याने पुढे जातात, प्रत्येक पायरीवर घातांकीय संख्येने गुणाकार करतात.
8. वाचन: गुणाकार सिग्नल ADC द्वारे वाचला जातो आणि संपूर्ण फ्रेम वाचले जाईपर्यंत प्रक्रिया पुनरावृत्ती केली जाते.
ईएमसीसीडी सेन्सर्सचे फायदे आणि तोटे
ईएमसीसीडी सेन्सर्सचे फायदे
| फायदा | वर्णन |
| फोटॉन मोजणी | अल्ट्रा-लो रीड नॉइज (<0.2e⁻) असलेले वैयक्तिक फोटोइलेक्ट्रॉन शोधते, ज्यामुळे सिंगल-फोटॉन संवेदनशीलता सक्षम होते. |
| अति-कमी-प्रकाश संवेदनशीलता | पारंपारिक CCD पेक्षा लक्षणीयरीत्या चांगले, कधीकधी अगदी कमी प्रकाश पातळीवर उच्च दर्जाच्या sCMOS कॅमेऱ्यांनाही मागे टाकते. |
| कमी गडद प्रवाह | खोल थंडीमुळे थर्मल नॉइज कमी होतो, ज्यामुळे दीर्घकाळ संपर्कात राहिल्यास अधिक स्वच्छ प्रतिमा येतात. |
| 'हाफ-ग्लोबल' शटर | फ्रेम ट्रान्सफरमुळे चार्ज शिफ्टिंग खूप जलद (~१ मायक्रोसेकंद) सह जवळ-जागतिक एक्सपोजर मिळतो. |
● फोटॉन मोजणी: पुरेशा उच्च इलेक्ट्रॉन गुणाकारासह, वाचन आवाज व्यावहारिकरित्या काढून टाकता येतो (<0.2e-). हे, उच्च लाभ मूल्य आणि जवळजवळ परिपूर्ण क्वांटम कार्यक्षमता सोबत, वैयक्तिक फोटोइलेक्ट्रॉन वेगळे करणे शक्य आहे.
● अति-कमी-प्रकाश संवेदनशीलता: CCD च्या तुलनेत, EMCCD ची कमी प्रकाशात कामगिरी खूपच चांगली आहे. असे काही अनुप्रयोग असू शकतात जिथे EMCCD कमीत कमी प्रकाश पातळीवर उच्च-स्तरीय sCMOS पेक्षाही चांगली शोध क्षमता आणि कॉन्ट्रास्ट प्रदान करते.
● कमी गडद प्रवाह: CCD प्रमाणे, EMCCD सामान्यतः खोल थंड असतात आणि खूप कमी गडद प्रवाह मूल्ये देण्यास सक्षम असतात.
● 'हाफ ग्लोबल' शटर: सुरुवात आणि शेवटच्या एक्सपोजरपर्यंत फ्रेम ट्रान्सफर प्रक्रिया खरोखर एकाच वेळी होत नाही, परंतु सामान्यतः 1 मायक्रोसेकंद इतकी असते.
ईएमसीसीडी सेन्सर्सचे तोटे
| गैरसोय | वर्णन |
| मर्यादित वेग | कमाल फ्रेम दर (१ मेगापिक्सेलवर ~३० फ्रेम्स) आधुनिक CMOS पर्यायांपेक्षा खूपच कमी आहेत. |
| अॅम्प्लिफिकेशन नॉइज | इलेक्ट्रॉन गुणाकाराच्या यादृच्छिक स्वरूपामुळे जास्त आवाज येतो, ज्यामुळे SNR कमी होतो. |
| घड्याळ-प्रेरित शुल्क (CIC) | जलद चार्ज हालचालीमुळे खोटे सिग्नल येऊ शकतात जे वाढतात. |
| कमी केलेली गतिमान श्रेणी | जास्त वाढल्याने सेन्सर सॅच्युरेट होण्यापूर्वी जास्तीत जास्त सिग्नल हाताळू शकतो तो कमी होतो. |
| मोठा पिक्सेल आकार | सामान्य पिक्सेल आकार (१३-१६ μm) अनेक ऑप्टिकल सिस्टम आवश्यकतांनुसार नसू शकतात. |
| जास्त थंडीची आवश्यकता | सातत्यपूर्ण गुणाकार आणि कमी आवाज साध्य करण्यासाठी स्थिर खोल थंडपणा आवश्यक आहे. |
| कॅलिब्रेशन गरजा | कालांतराने EM वाढ कमी होते (गुणाकार क्षय), नियमित कॅलिब्रेशन आवश्यक असते. |
| कमी प्रदर्शनाची अस्थिरता | खूप कमी वेळ संपर्कात राहिल्याने सिग्नलचे अनपेक्षित प्रवर्धन आणि आवाज होऊ शकतो. |
| जास्त खर्च | जटिल उत्पादन आणि खोल थंडपणामुळे हे सेन्सर्स sCMOS पेक्षा महागडे होतात. |
| मर्यादित आयुष्यमान | इलेक्ट्रॉन गुणाकार रजिस्टर झिजतो, सामान्यतः ५-१० वर्षे टिकतो. |
| निर्यात आव्हाने | संभाव्य लष्करी अनुप्रयोगांमुळे कठोर नियमांच्या अधीन. |
● मर्यादित गती: जलद EMCCDs 1 MP वर सुमारे 30 fps देतात, CCDs प्रमाणेच, CMOS कॅमेऱ्यांपेक्षा कमी गतीने.
● आवाज परिचय: कमी आवाज असलेल्या sCMOS कॅमेऱ्याच्या तुलनेत, समान क्वांटम कार्यक्षमतेसह, यादृच्छिक इलेक्ट्रॉन गुणाकारामुळे होणारा 'अतिरिक्त आवाज घटक', सिग्नल पातळीनुसार EMCCD ला खूपच जास्त आवाज देऊ शकतो. उच्च-श्रेणी sCMOS साठी SNR सामान्यतः 3e- च्या सिग्नलसाठी चांगला असतो, उच्च सिग्नलसाठी त्याहूनही अधिक.
● घड्याळ-प्रेरित चार्ज (CIC): काळजीपूर्वक नियंत्रित न केल्यास, सेन्सरवरील चार्जेसची हालचाल पिक्सेलमध्ये अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन आणू शकते. हा आवाज नंतर इलेक्ट्रॉन गुणाकार रजिस्टरने गुणाकार केला जातो. जास्त चार्जेसची हालचाल गती (घड्याळाचे दर) जास्त फ्रेम दर निर्माण करते, परंतु जास्त CIC.
● कमी केलेली गतिमान श्रेणी: EMCCD रीड नॉइजवर मात करण्यासाठी आवश्यक असलेल्या खूप उच्च इलेक्ट्रॉन गुणाकार मूल्यांमुळे गतिमान श्रेणी खूपच कमी होते.
● मोठा पिक्सेल आकार: EMCCD कॅमेऱ्यांसाठी सर्वात लहान सामान्य पिक्सेल आकार 10 μm आहे, परंतु 13 किंवा 16 μm सर्वात सामान्य आहे. बहुतेक ऑप्टिकल सिस्टमच्या रिझोल्यूशन आवश्यकता पूर्ण करण्यासाठी हे खूप मोठे आहे.
● कॅलिब्रेशन आवश्यकता: इलेक्ट्रॉन गुणाकार प्रक्रियेमुळे EM रजिस्टर वापरात असताना खराब होतो, ज्यामुळे 'इलेक्ट्रॉन गुणाकार क्षय' नावाच्या प्रक्रियेत गुणाकार करण्याची त्याची क्षमता कमी होते. याचा अर्थ कॅमेऱ्याचा फायदा सतत बदलत असतो आणि कोणतेही परिमाणात्मक इमेजिंग करण्यासाठी कॅमेऱ्याला नियमित कॅलिब्रेशनची आवश्यकता असते.
● कमी वेळेत विसंगत प्रदर्शन: खूप कमी एक्सपोजर वेळेचा वापर करताना, EMCCD कॅमेरे विसंगत परिणाम देऊ शकतात कारण कमकुवत सिग्नल आवाजाने व्यापला जातो आणि प्रवर्धन प्रक्रियेत सांख्यिकीय चढउतार येतात.
● जास्त थंडीची आवश्यकता: इलेक्ट्रॉन गुणाकार प्रक्रियेवर तापमानाचा मोठा प्रभाव पडतो. सेन्सर थंड केल्याने उपलब्ध इलेक्ट्रॉन गुणाकार वाढतो. म्हणूनच, तापमान स्थिरता राखताना खोल सेन्सर थंड करणे पुनरुत्पादनयोग्य EMCCD मोजमापांसाठी अत्यंत महत्त्वाचे आहे.
● जास्त खर्च: या बहु-घटक सेन्सर्सच्या निर्मितीतील अडचण, डीप कूलिंगसह, उच्च दर्जाच्या sCMOS सेन्सर कॅमेऱ्यांपेक्षा सामान्यतः जास्त किमती निर्माण करते.
● मर्यादित आयुर्मान: इलेक्ट्रॉन गुणाकार क्षय या महागड्या सेन्सर्सच्या आयुष्यावर मर्यादा घालते, जे वापराच्या पातळीनुसार साधारणपणे ५-१० वर्षांचे असते.
● निर्यात आव्हाने: लष्करी अनुप्रयोगांमध्ये त्यांच्या संभाव्य वापरामुळे, EMCCD सेन्सर्सची आयात आणि निर्यात लॉजिस्टिकदृष्ट्या आव्हानात्मक असते.
CCD चा उत्तराधिकारी EMCCD का आहे?
| वैशिष्ट्य | सीसीडी | ईएमसीसीडी |
| संवेदनशीलता | उच्च | अति-उच्च (विशेषतः कमी प्रकाश) |
| वाचन आवाज | मध्यम | अत्यंत कमी (वाढीमुळे) |
| गतिमान श्रेणी | उच्च | मध्यम (वाढीनुसार मर्यादित) |
| खर्च | खालचा | उच्च |
| थंड करणे | पर्यायी | सामान्यतः इष्टतम कामगिरीसाठी आवश्यक असते |
| वापर प्रकरणे | सामान्य इमेजिंग | कमी प्रकाशात, एकल-फोटॉन शोधणे |
EMCCD सेन्सर्स पारंपारिक CCD तंत्रज्ञानावर आधारित असतात, ज्यामध्ये इलेक्ट्रॉन गुणाकार चरण समाविष्ट केले जाते. हे कमकुवत सिग्नल वाढवण्याची आणि आवाज कमी करण्याची क्षमता वाढवते, ज्यामुळे CCD सेन्सर्स कमी पडतात अशा अत्यंत कमी प्रकाशाच्या इमेजिंग अनुप्रयोगांसाठी EMCCDs पसंतीचा पर्याय बनतात.
EMCCD सेन्सर्सचे प्रमुख अनुप्रयोग
EMCCD सेन्सर सामान्यतः वैज्ञानिक आणि औद्योगिक क्षेत्रात वापरले जातात ज्यांना उच्च संवेदनशीलता आणि कमकुवत सिग्नल शोधण्याची क्षमता आवश्यक असते:
● जीवन विज्ञान कल्पनाg: सिंगल-मॉलिक्युल फ्लोरोसेन्स मायक्रोस्कोपी आणि टोटल इंटरनल रिफ्लेक्शन फ्लोरोसेन्स (TIRF) मायक्रोस्कोपी सारख्या अनुप्रयोगांसाठी.
● खगोलशास्त्र: दूरच्या तारे, आकाशगंगा आणि बाह्यग्रहांच्या संशोधनातून येणारा मंद प्रकाश कॅप्चर करण्यासाठी वापरला जातो.
● क्वांटम ऑप्टिक्स: फोटॉन एन्टँगलमेंट आणि क्वांटम माहिती प्रयोगांसाठी.
● फॉरेन्सिक्स आणि सुरक्षा: कमी प्रकाशात पाळत ठेवणे आणि पुराव्याचे विश्लेषण करण्यासाठी कार्यरत.
● स्पेक्ट्रोस्कोपी: रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी आणि कमी-तीव्रतेच्या फ्लोरोसेन्स शोधण्यात.
तुम्ही EMCCD सेन्सर कधी निवडावे?
अलिकडच्या वर्षांत CMOS सेन्सर्समध्ये झालेल्या सुधारणांमुळे, EMCCD सेन्सर्सचा रीड नॉइज फायदा कमी झाला आहे कारण आता sCMOS कॅमेरे देखील सबइलेक्ट्रॉन रीड नॉइज करण्यास सक्षम आहेत, तसेच इतर अनेक फायदे देखील आहेत. जर एखाद्या अनुप्रयोगाने पूर्वी EMCCDs वापरले असतील, तर sCMOS मधील विकास पाहता हा सर्वोत्तम पर्याय आहे का याचा आढावा घेणे योग्य आहे.
ऐतिहासिकदृष्ट्या, EMCCDs अजूनही फोटॉन मोजणी अधिक यशस्वीरित्या करू शकतात, काही इतर विशिष्ट अनुप्रयोगांसह, ज्यामध्ये विशिष्ट सिग्नल पातळी 3-5e- प्रति पिक्सेलपेक्षा कमी असते. तथापि, मोठ्या पिक्सेल आकारांसह आणि सब-इलेक्ट्रॉन रीड नॉइजमध्ये उपलब्ध होत असल्यानेवैज्ञानिक कॅमेरेsCMOS तंत्रज्ञानावर आधारित, हे अनुप्रयोग लवकरच उच्च दर्जाच्या sCMOS सह केले जाऊ शकतात.
वारंवार विचारले जाणारे प्रश्न
फ्रेम ट्रान्सफर कॅमेऱ्यांसाठी किमान एक्सपोजर वेळ किती आहे?
सर्व फ्रेम ट्रान्सफर सेन्सर्ससाठी, EMCCDs सह, किमान संभाव्य एक्सपोजर वेळेचा प्रश्न गुंतागुंतीचा आहे. एकल प्रतिमा अधिग्रहणासाठी, अधिग्रहित शुल्कांना मास्क केलेल्या प्रदेशात जलद वाचनासाठी शफल करून एक्सपोजर समाप्त केले जाऊ शकते आणि कमी (सब-मायक्रोसेकंद) किमान एक्सपोजर वेळ शक्य आहे.
तथापि, कॅमेरा पूर्ण वेगाने प्रवाहित होताच, म्हणजेच पूर्ण फ्रेम दराने अनेक फ्रेम्स / चित्रपट मिळवताना, पहिली प्रतिमा प्रदर्शित होताच, वाचन पूर्ण होईपर्यंत मास्क केलेला प्रदेश त्या फ्रेमने व्यापला जातो. म्हणून एक्सपोजर संपू शकत नाही. याचा अर्थ असा की, सॉफ्टवेअरमध्ये विनंती केलेल्या एक्सपोजर वेळेची पर्वा न करता, पूर्ण-स्पीड मल्टी-फ्रेम अधिग्रहणाच्या पहिल्या नंतरच्या फ्रेम्सचा वास्तविक एक्सपोजर वेळ कॅमेराच्या फ्रेम वेळेद्वारे, म्हणजेच 1 / फ्रेम रेटद्वारे दिला जातो.
sCMOS तंत्रज्ञान EMCCD सेन्सर्सची जागा घेत आहे का?
EMCCD कॅमेऱ्यांमध्ये दोन वैशिष्ट्ये होती ज्यामुळे अत्यंत कमी प्रकाशाच्या इमेजिंग परिस्थितींमध्ये (५ फोटोइलेक्ट्रॉन किंवा त्यापेक्षा कमी कमाल सिग्नल पातळीसह) त्यांचा फायदा टिकवून ठेवण्यास मदत झाली. पहिले, त्यांचे मोठे पिक्सेल, १६ μm पर्यंत, आणि दुसरे म्हणजे त्यांचा <१e- वाचनीय आवाज.
एक नवीन पिढीsCMOS कॅमेराEMCCDs च्या असंख्य कमतरतांशिवाय, विशेषतः जास्त आवाज घटकाशिवाय, हीच वैशिष्ट्ये देणारा एक कॅमेरा उदयास आला आहे. टक्सेनमधील Aries 16 सारखे कॅमेरे 0.8e- च्या रीड नॉइजसह 16 μm बॅक-इल्युमिनेटेड पिक्सेल देतात. कमी आवाज आणि 'नेटिव्हली' मोठ्या पिक्सेलसह, हे कॅमेरे बहुतेक बिन केलेल्या sCMOS कॅमेऱ्यांपेक्षाही चांगले कामगिरी करतात, कारण बिनिंग आणि रीड नॉइजमधील संबंध आहेत.
जर तुम्हाला EMCCD बद्दल अधिक जाणून घ्यायचे असेल, तर कृपया येथे क्लिक करा:
EMCCD बदलता येईल का आणि आपल्याला ते कधी हवे असेल का?
टक्सन फोटोनिक्स कंपनी लिमिटेड. सर्व हक्क राखीव. उद्धृत करताना, कृपया स्त्रोताची कबुली द्या:www.tucsen.com
