25/08/01Penderia Electron-Multiplying CCD ialah evolusi penderia CCD untuk membolehkan operasi cahaya yang lebih rendah. Ia biasanya bertujuan untuk isyarat beberapa ratus fotoelektron, hingga ke tahap pengiraan foton individu.
Artikel ini menerangkan apakah penderia EMCCD, cara ia berfungsi, kelebihan dan kekurangannya, dan sebab ia dianggap sebagai evolusi teknologi CCD seterusnya untuk pengimejan cahaya malap.
Apakah Penderia EMCCD?
Penderia Electron-Multiplying Charge-Coupled Device (EMCCD) ialah jenis penderia CCD khusus yang menguatkan isyarat lemah sebelum ia dibaca, membenarkan kepekaan yang sangat tinggi dalam persekitaran cahaya malap.
Pada mulanya dibangunkan untuk aplikasi seperti astronomi dan mikroskop lanjutan, EMCCD boleh mengesan foton tunggal, satu tugas yang dihadapi oleh penderia CCD tradisional. Keupayaan untuk mengesan foton individu ini menjadikan EMCCD penting untuk medan yang memerlukan pengimejan yang tepat di bawah tahap cahaya yang sangat rendah.
Bagaimana Penderia EMCCD Berfungsi?
Sehingga tahap bacaan, penderia EMCCD beroperasi pada prinsip yang sama seperti penderia CCD. Walau bagaimanapun, sebelum pengukuran dengan ADC, cas yang dikesan didarabkan melalui proses yang dipanggil impakionisasi, dalam 'daftar pendaraban elektron'. Sepanjang beberapa ratus langkah, cas daripada piksel dialihkan sepanjang satu siri piksel bertopeng pada voltan tinggi. Setiap elektron pada setiap langkah mempunyai peluang untuk membawa elektron tambahan. Oleh itu isyarat didarab secara eksponen.
Hasil akhir EMCCD yang ditentukur dengan baik ialah keupayaan untuk memilih jumlah pendaraban purata yang tepat, biasanya sekitar 300 hingga 400 untuk kerja cahaya malap. Ini membolehkan isyarat yang dikesan didarabkan jauh lebih tinggi daripada hingar bacaan kamera, dengan kesannya mengurangkan hingar bacaan kamera. Malangnya, sifat stokastik proses pendaraban ini bermakna setiap piksel didarab dengan jumlah yang berbeza, yang memperkenalkan faktor hingar tambahan, mengurangkan nisbah isyarat kepada hingar (SNR) EMCCD.
Berikut ialah pecahan cara penderia EMCCD beroperasi. Sehingga Langkah 6, prosesnya adalah sama dengan berkesan untuk penderia CCD.
Rajah: Proses bacaan untuk penderia EMCCD
Pada penghujung pendedahannya, penderia EMCCD mula-mula mengalihkan caj yang terkumpul dengan pantas kepada tatasusunan piksel bertopeng dengan dimensi yang sama seperti tatasusunan sensitif cahaya (pemindahan bingkai). Kemudian, satu baris pada satu masa, caj dipindahkan ke dalam daftar bacaan. Satu lajur pada satu masa, caj dalam daftar bacaan dihantar ke daftar pendaraban. Pada setiap peringkat daftar ini (sehingga 1000 peringkat dalam kamera EMCCD sebenar), setiap elektron mempunyai peluang kecil untuk melepaskan elektron tambahan, mendarabkan isyarat secara eksponen. Pada akhir, isyarat berganda dibacakan.
1. Pembersihan Caj: Untuk memulakan pemerolehan, caj dikosongkan secara serentak daripada keseluruhan sensor (pengatup global).
2. Pengumpulan Caj: Caj terkumpul semasa pendedahan.
3. Simpanan Caj: Selepas pendedahan, caj yang terkumpul dialihkan ke kawasan bertopeng penderia, di mana ia boleh menunggu bacaan tanpa foton baharu dikesan foton dikira. Ini ialah proses 'Frame Transfer'.
4. Pendedahan Bingkai Seterusnya: Dengan cas yang dikesan disimpan dalam piksel bertopeng, piksel aktif boleh memulakan pendedahan bingkai seterusnya (mod pertindihan).
5. Proses Bacaan: Satu baris pada satu masa, caj untuk setiap baris bingkai siap dipindahkan ke dalam 'daftar bacaan'.
6. Satu lajur pada satu masa, caj daripada setiap piksel dialihkan ke dalam nod bacaan.
7. Pendaraban Elektron: Seterusnya, semua cas elektron daripada piksel memasuki daftar pendaraban elektron, dan bergerak mengikut langkah demi langkah, mendarab dalam nombor secara eksponen pada setiap langkah.
8. Bacaan: Isyarat darab dibaca oleh ADC, dan proses diulang sehingga keseluruhan bingkai dibaca.
Kebaikan dan Keburukan Penderia EMCCD
Kelebihan Penderia EMCCD
| Kelebihan | Penerangan |
| Pengiraan Foton | Mengesan fotoelektron individu dengan hingar bacaan ultra-rendah (<0.2e⁻), membolehkan kepekaan foton tunggal. |
| Sensitiviti Ultra-Rendah-Cahaya | Jauh lebih baik daripada CCD tradisional, kadangkala mengatasi walaupun kamera sCMOS mewah pada tahap cahaya yang sangat rendah. |
| Arus Gelap Rendah | Penyejukan dalam mengurangkan hingar terma, membolehkan imej yang lebih bersih semasa pendedahan yang lama. |
| Pengatup 'Separuh Global' | Pemindahan bingkai membolehkan pendedahan hampir global dengan peralihan cas yang sangat pantas (~1 mikrosaat). |
● Pengiraan Foton: Dengan pendaraban elektron yang cukup tinggi, hingar baca boleh disingkirkan secara praktikal (<0.2e-). Ini, di samping nilai keuntungan yang tinggi dan kecekapan kuantum yang hampir sempurna, bermakna membezakan fotoelektron individu adalah mungkin.
● Sensitiviti Ultra-Rendah-Cahaya: Berbanding dengan CCD, prestasi cahaya rendah EMCCD adalah lebih baik secara drastik. Mungkin terdapat beberapa aplikasi yang EMCCD menyediakan keupayaan pengesanan dan kontras yang lebih baik walaupun daripada sCMOS mewah pada tahap cahaya yang paling rendah.
● Arus Gelap Rendah: Seperti CCD, EMCCD biasanya disejukkan dalam dan mampu menyampaikan nilai arus gelap yang sangat rendah.
● Pengatup 'Separuh Global': Proses pemindahan bingkai untuk memulakan dan menamatkan pendedahan tidak benar-benar serentak, tetapi biasanya mengambil urutan 1 mikrosaat.
Keburukan Penderia EMCCD
| Keburukan | Penerangan |
| Kelajuan Terhad | Kadar bingkai maksimum (~30 fps pada 1 MP) jauh lebih perlahan daripada alternatif CMOS moden. |
| Bunyi Penguatan | Sifat rawak pendaraban elektron memperkenalkan bunyi berlebihan, mengurangkan SNR. |
| Caj Aruh Jam (CIC) | Pergerakan cas pantas boleh memperkenalkan isyarat palsu yang dikuatkan. |
| Julat Dinamik Dikurangkan | Keuntungan tinggi mengurangkan isyarat maksimum yang boleh dikendalikan oleh sensor sebelum tepu. |
| Saiz Piksel Besar | Saiz piksel biasa (13–16 μm) mungkin tidak sejajar dengan banyak keperluan sistem optik. |
| Keperluan Penyejukan Berat | Penyejukan dalam yang stabil diperlukan untuk mencapai pendaraban yang konsisten dan hingar yang rendah. |
| Keperluan Penentukuran | Keuntungan EM merosot dari semasa ke semasa (pereputan pendaraban), memerlukan penentukuran biasa. |
| Ketidakstabilan Pendedahan Pendek | Pendedahan yang sangat singkat boleh menyebabkan penguatan isyarat dan bunyi yang tidak dapat diramalkan. |
| Kos Tinggi | Pengilangan yang kompleks dan penyejukan mendalam menjadikan penderia ini lebih mahal daripada sCMOS. |
| Jangka Hayat Terhad | Daftar pendaraban elektron haus, biasanya bertahan 5-10 tahun. |
| Cabaran Eksport | Tertakluk kepada peraturan yang ketat kerana kemungkinan permohonan ketenteraan. |
● Kelajuan Terhad: EMCCD pantas menyediakan sekitar 30 fps pada 1 MP, serupa dengan CCD, susunan magnitud lebih perlahan daripada kamera CMOS.
● Pengenalan Bunyi: 'Faktor hingar berlebihan' yang disebabkan oleh pendaraban elektron rawak, berbanding kamera sCMOS hingar rendah dengan kecekapan kuantum yang sama, boleh memberikan EMCCD bunyi yang lebih tinggi secara drastik bergantung pada tahap isyarat. SNR untuk sCMOS mewah biasanya lebih baik untuk isyarat sekitar 3e-, lebih-lebih lagi untuk isyarat yang lebih tinggi.
● Caj Aruh Jam (CIC): Melainkan dikawal dengan teliti, pergerakan cas merentasi penderia boleh memasukkan elektron tambahan ke dalam piksel. Bunyi ini kemudiannya didarab dengan daftar pendaraban elektron. Kelajuan pergerakan cas yang lebih tinggi (kadar jam) membawa kepada kadar bingkai yang lebih tinggi, tetapi lebih CIC.
● Julat Dinamik Dikurangkan: Nilai pendaraban elektron yang sangat tinggi yang diperlukan untuk mengatasi hingar bacaan EMCCD membawa kepada julat dinamik yang jauh berkurangan.
● Saiz Piksel Besar: Saiz piksel biasa terkecil untuk kamera EMCCD ialah 10 μm, tetapi 13 atau 16 μm adalah yang paling biasa. Ini terlalu besar untuk dipadankan dengan kebanyakan keperluan resolusi sistem optik.
● Keperluan Penentukuran: Proses pendaraban elektron memakai daftar EM dengan penggunaan, mengurangkan keupayaannya untuk mendarab dalam proses yang dipanggil 'pereputan pendaraban elektron'. Ini bermakna keuntungan kamera sentiasa berubah, dan kamera memerlukan penentukuran tetap untuk melakukan sebarang pengimejan kuantitatif.
● Pendedahan Tidak Konsisten pada Masa Singkat: Apabila menggunakan masa pendedahan yang sangat singkat, kamera EMCCD mungkin menghasilkan hasil yang tidak konsisten kerana isyarat yang lemah akan ditenggelami oleh hingar, dan proses penguatan memperkenalkan turun naik statistik.
● Keperluan Penyejukan Berat: Proses pendaraban elektron sangat dipengaruhi oleh suhu. Menyejukkan sensor meningkatkan pendaraban elektron yang tersedia. Oleh itu, penyejukan sensor dalam sambil mengekalkan kestabilan suhu adalah penting untuk pengukuran EMCCD yang boleh dihasilkan semula.
● Kos yang tinggi: Kesukaran pembuatan penderia berbilang komponen ini, digabungkan dengan penyejukan dalam, membawa kepada harga yang biasanya lebih tinggi daripada kamera penderia sCMOS kualiti tertinggi.
● Jangka Hayat Terhad: Pereputan pendaraban elektron meletakkan had pada hayat penderia mahal ini biasanya 5-10 tahun, bergantung pada tahap penggunaan.
● Cabaran Eksport: Import dan eksport penderia EMCCD cenderung mencabar dari segi logistik kerana potensi penggunaannya dalam aplikasi ketenteraan.
Mengapa EMCCD Merupakan Pengganti CCD
| Ciri | CCD | EMCCD |
| Sensitiviti | tinggi | Sangat tinggi (terutama cahaya rendah) |
| Bunyi Bacaan | Sederhana | Sangat rendah (kerana keuntungan) |
| Julat Dinamik | tinggi | Sederhana (terhad oleh keuntungan) |
| kos | Lebih rendah | Lebih tinggi |
| Menyejukkan | Pilihan | Biasanya diperlukan untuk prestasi optimum |
| Kes Penggunaan | Pengimejan umum | Cahaya rendah, pengesanan foton tunggal |
Penderia EMCCD membina teknologi CCD tradisional dengan menggabungkan langkah pendaraban elektron. Ini meningkatkan keupayaan untuk menguatkan isyarat yang lemah dan mengurangkan hingar, menjadikan EMCCD sebagai pilihan pilihan untuk aplikasi pengimejan cahaya yang sangat rendah di mana penderia CCD tidak berfungsi.
Aplikasi Utama Penderia EMCCD
Penderia EMCCD biasanya digunakan dalam bidang saintifik dan perindustrian yang memerlukan kepekaan tinggi dan keupayaan untuk mengesan isyarat samar:
● Bayangkan Sains Hayatg: Untuk aplikasi seperti mikroskopi pendarfluor molekul tunggal dan mikroskopi pendarfluor pantulan dalaman total (TIRF).
● Astronomi: Digunakan untuk menangkap cahaya samar dari bintang jauh, galaksi dan penyelidikan exoplanet.
● Optik Kuantum: Untuk eksperimen belitan foton dan maklumat kuantum.
● Forensik dan Keselamatan: Digunakan dalam pengawasan cahaya malap dan analisis bukti surih.
● Spektroskopi: Dalam spektroskopi Raman dan pengesanan pendarfluor intensiti rendah.
Bilakah Anda Harus Memilih Sensor EMCCD?
Dengan penambahbaikan pada penderia CMOS dalam beberapa tahun kebelakangan ini, kelebihan hingar baca bagi penderia EMCCD telah berkurangan kerana kini malah kamera sCMOS mampu menghasilkan hingar bacaan subelektron, bersama-sama pelbagai manfaat lain. Jika aplikasi telah menggunakan EMCCD sebelum ini, adalah wajar dikaji sama ada ini adalah pilihan terbaik berdasarkan perkembangan dalam sCMOS.
Dari segi sejarah, EMCCD masih boleh melakukan pengiraan foton dengan lebih berjaya, di samping beberapa aplikasi khusus lain dengan tahap isyarat biasa kurang daripada 3-5e- setiap piksel pada puncaknya. Walaupun, dengan saiz piksel yang lebih besar dan hingar bacaan sub-elektron tersedia di dalamnyakamera saintifikberdasarkan teknologi sCMOS, kemungkinan aplikasi ini juga akan dilaksanakan dengan sCMOS mewah tidak lama lagi.
Soalan Lazim
Apakah Masa Pendedahan Minimum untuk Kamera Pemindahan Bingkai?
Untuk semua penderia pemindahan bingkai, termasuk EMCCD, persoalan masa pendedahan minimum yang mungkin adalah rumit. Untuk pemerolehan imej tunggal, pendedahan boleh ditamatkan dengan merombak caj yang diperoleh ke dalam kawasan bertopeng untuk bacaan dengan sangat pantas, dan masa pendedahan minimum yang singkat (sub-mikrosaat) adalah mungkin.
Walau bagaimanapun, sebaik sahaja kamera menstrim pada kelajuan penuh, iaitu memperoleh berbilang bingkai / filem pada kadar bingkai penuh, sebaik sahaja imej pertama selesai terdedah, kawasan bertopeng diduduki oleh bingkai tersebut sehingga bacaan selesai. Oleh itu, pendedahan tidak boleh berakhir. Ini bermakna, tanpa mengira masa pendedahan yang diminta dalam perisian, masa pendedahan sebenar bingkai berikutnya selepas pemerolehan berbilang bingkai berkelajuan penuh yang pertama diberikan oleh masa bingkai, iaitu 1 / Kadar Bingkai, kamera.
Adakah Teknologi sCMOS Menggantikan Penderia EMCCD?
Kamera EMCCD mempunyai dua spesifikasi yang membantu mengekalkan kelebihannya dalam senario pengimejan cahaya malap melampau (dengan tahap isyarat puncak 5 fotoelektron atau kurang). Pertama, piksel besar mereka, sehingga 16 μm, dan kedua bunyi <1e-baca mereka.
Generasi barukamera sCMOStelah muncul yang menawarkan ciri-ciri yang sama ini, tanpa banyak kelemahan EMCCD, terutamanya faktor bunyi yang berlebihan. Kamera seperti Aries 16 dari Tucsen menawarkan piksel bercahaya belakang 16 μm dengan bunyi bacaan 0.8e-. Dengan hingar rendah dan piksel besar 'asli', kamera ini juga mengatasi kebanyakan kamera sCMOS binned, disebabkan oleh hubungan antara binning dan hingar baca.
Jika anda ingin mengetahui lebih lanjut tentang EMCCD, sila klik:
Bolehkah EMCCD Digantikan Dan Adakah Kita Mahukan Itu?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Hak cipta terpelihara. Apabila memetik, sila maklumkan sumbernya:www.tucsen.com
