25/08/01Is-sensorju CCD li Jimmultiplika l-Elettroni huwa evoluzzjoni tas-sensorju CCD biex jippermetti tħaddim b'dawl aktar baxx. Tipikament huma maħsuba għal sinjali ta' ftit mijiet ta' fotoelettroni, sal-livell individwali tal-għadd tal-fotoni.
Dan l-artiklu jispjega x'inhuma s-sensuri EMCCD, kif jiffunzjonaw, il-vantaġġi u l-iżvantaġġi tagħhom, u għaliex huma kkunsidrati l-evoluzzjoni li jmiss tat-teknoloġija CCD għall-immaġini f'dawl baxx.
X'inhu Sensor EMCCD?
Sensor ta' Apparat Akkoppjat biċ-Ċarġ li Jimmultiplika l-Elettroni (EMCCD) huwa tip speċjalizzat ta' sensor CCD li jamplifika sinjali dgħajfa qabel ma jinqraw, u b'hekk jippermetti sensittività għolja ħafna f'ambjenti b'dawl baxx.
Inizjalment żviluppati għal applikazzjonijiet bħall-astronomija u l-mikroskopija avvanzata, l-EMCCDs jistgħu jiskopru fotoni singoli, kompitu li s-sensuri CCD tradizzjonali jsibuha diffiċli għalih. Din il-kapaċità li jiskopru fotoni individwali tagħmel l-EMCCDs kruċjali għal oqsma li jeħtieġu immaġini preċiżi taħt livelli ta' dawl baxxi ħafna.
Kif Jaħdmu s-Sensuri EMCCD?
Sal-punt tal-qari, is-sensuri EMCCD joperaw fuq l-istess prinċipji bħas-sensuri CCD. Madankollu, qabel il-kejl bl-ADC, il-kargi skoperti jiġu mmultiplikati permezz ta' proċess imsejjaħ impattizzazzjoni, f''reġistru tal-multiplikazzjoni tal-elettroni'. Fuq serje ta' diversi mijiet ta' passi, il-kargi minn pixel jiġu mċaqalqa tul serje ta' pixels mgħottija b'vultaġġ għoli. Kull elettron f'kull pass għandu ċ-ċans li jġib miegħu elettroni addizzjonali. Għalhekk, is-sinjal jiġi mmultiplikat b'mod esponenzjali.
Ir-riżultat aħħari ta' EMCCD ikkalibrat tajjeb huwa l-abbiltà li tagħżel ammont preċiż ta' multiplikazzjoni medja, tipikament madwar 300 sa 400 għal xogħol f'dawl baxx. Dan jippermetti li s-sinjali skoperti jiġu mmultiplikati ħafna ogħla mill-istorbju tal-qari tal-kamera, u fil-fatt inaqqas l-istorbju tal-qari tal-kamera. Sfortunatament, in-natura stokastika ta' dan il-proċess ta' multiplikazzjoni tfisser li kull pixel jiġi mmultiplikat b'ammont differenti, li jintroduċi fattur ta' storbju addizzjonali, u b'hekk inaqqas il-proporzjon sinjal-storbju (SNR) tal-EMCCD.
Hawnhekk hawn tqassim ta' kif joperaw is-sensuri EMCCD. Sal-Pass 6, il-proċess huwa effettivament l-istess bħal dak għas-sensuri CCD.
Figura: Proċess tal-qari għas-sensor EMCCD
Fi tmiem l-espożizzjoni tagħhom, is-sensuri EMCCD l-ewwel iċaqalqu malajr il-kargi miġbura lejn firxa mgħottija ta' pixels bl-istess dimensjonijiet bħall-firxa sensittiva għad-dawl (trasferiment ta' frame). Imbagħad, ringiela waħda kull darba, il-kargi jiġu mċaqalqa f'reġistru tal-qari. Kolonna waħda kull darba, il-kargi fir-reġistru tal-qari jiġu mgħoddija f'reġistru ta' multiplikazzjoni. F'kull stadju ta' dan ir-reġistru (sa 1000 stadju f'kameras EMCCD reali), kull elettron għandu ċans żgħir li jirrilaxxa elettron addizzjonali, u b'hekk jimmultiplika s-sinjal b'mod esponenzjali. Fl-aħħar, is-sinjal immultiplikat jinqara.
1. Tneħħija ta' ĦlasijietBiex tibda l-akkwist, iċ-ċarġ jitneħħa simultanjament mis-sensor kollu (global shutter).
2. Akkumulazzjoni ta' ĊarġIċ-ċarġ jakkumula waqt l-espożizzjoni.
3. Ħażna ta' ĊarġWara l-espożizzjoni, il-kargi miġbura jiġu mċaqalqa lejn żona mgħottija tas-sensor, fejn jistgħu jistennew il-qari mingħajr ma jingħaddu fotoni ġodda skoperti. Dan huwa l-proċess ta' 'Trasferiment ta' Qafas'.
4. Espożizzjoni tal-Qafas li JmissBil-kargi skoperti maħżuna fil-pixels mgħottija, il-pixels attivi jistgħu jibdew l-espożizzjoni tal-frejm li jmiss (modalità ta' sovrappożizzjoni).
5. Proċess tal-QariRingiela waħda kull darba, l-imposti għal kull ringiela tal-qafas lest jiġu mċaqalqa f''reġistru tal-qari'.
6. Kolonna waħda kull darba, iċ-ċarġijiet minn kull pixel jintbagħtu fin-nodu tal-qari.
7. Multiplikazzjoni tal-ElettroniImbagħad, il-kargi kollha tal-elettroni mill-pixel jidħlu fir-reġistru tal-multiplikazzjoni tal-elettroni, u jimxu 'l quddiem pass pass, u jimmultiplikaw fin-numru b'mod esponenzjali f'kull pass.
8. QariIs-sinjal immultiplikat jinqara mill-ADC, u l-proċess jiġi ripetut sakemm jinqara l-frejm kollu.
Vantaġġi u Żvantaġġi tas-Sensuri EMCCD
Vantaġġi tas-Sensuri EMCCD
| Vantaġġ | Deskrizzjoni |
| Għadd tal-Fotoni | Jidentifika fotoelettroni individwali b'ħoss ta' qari ultra-baxx (<0.2e⁻), li jippermetti sensittività għal foton wieħed. |
| Sensittività għal Dawl Ultra-Baxx | Aħjar b'mod sinifikanti mis-CCDs tradizzjonali, xi kultant jaqbeż anke l-kameras sCMOS ta' kwalità għolja f'livelli ta' dawl baxxi ħafna. |
| Kurrent Baxx tad-Dlam | It-tkessiħ fil-fond inaqqas l-istorbju termali, u jippermetti immaġni aktar nodfa waqt espożizzjonijiet twal. |
| Xater 'Nofs Globali' | It-trasferiment tal-frejm jippermetti espożizzjoni kważi globali b'ċaqliq ta' ċarġ veloċi ħafna (~1 mikrosekonda). |
● Għadd tal-FotoniB'multiplikazzjoni tal-elettroni għolja biżżejjed, l-istorbju tal-qari jista' jiġi prattikament eliminat (<0.2e-). Dan, flimkien mal-valur għoli tal-qligħ u l-effiċjenza kwantistika kważi perfetta, ifisser li d-distinzjoni bejn fotoelettroni individwali hija possibbli.
● Sensittività għal Dawl Ultra-BaxxMeta mqabbla mas-CCDs, il-prestazzjoni f'dawl baxx tal-EMCCDs hija drastikament aħjar. Jista' jkun hemm xi applikazzjonijiet fejn l-EMCCD jipprovdi kapaċità ta' skoperta u kuntrast aħjar anke minn sCMOS ta' kwalità għolja fl-aktar livelli baxxi ta' dawl possibbli.
● Kurrent Baxx tad-DlamBħas-CCDs, l-EMCCDs tipikament ikunu mkessħin fil-fond u kapaċi jagħtu valuri ta' kurrent tad-dlam baxxi ħafna.
● Xater 'Nofs Globali'Il-proċess tat-trasferiment tal-frejms biex tibda u tintemm l-espożizzjoni mhux tassew simultanju, iżda tipikament jieħu madwar mikrosekonda waħda.
Żvantaġġi tas-Sensuri EMCCD
| Żvantaġġ | Deskrizzjoni |
| Veloċità Limitata | Ir-rati massimi tal-frejms (~30 fps f'1 MP) huma ħafna aktar bil-mod mill-alternattivi moderni tas-CMOS. |
| Storbju ta' Amplifikazzjoni | In-natura każwali tal-multiplikazzjoni tal-elettroni tintroduċi storbju żejjed, u b'hekk tnaqqas l-SNR. |
| Ċarġ Indott mill-Arloġġ (CIC) | Il-moviment ta' ċċarġjar veloċi jista' jintroduċi sinjali foloz li jiġu amplifikati. |
| Firxa Dinamika Mnaqqsa | Qligħ għoli jnaqqas is-sinjal massimu li s-sensor jista' jimmaniġġja qabel ma jissatura. |
| Daqs Kbir tal-Pixel | Id-daqsijiet komuni tal-pixel (13–16 μm) jistgħu ma jkunux allinjati ma' ħafna mir-rekwiżiti tas-sistema ottika. |
| Rekwiżit ta' Tkessiħ Qawwi | Tkessiħ fil-fond stabbli huwa meħtieġ biex tinkiseb multiplikazzjoni konsistenti u storbju baxx. |
| Ħtiġijiet ta' Kalibrazzjoni | Il-qligħ EM jiddegrada maż-żmien (tħassir tal-multiplikazzjoni), u jeħtieġ kalibrazzjoni regolari. |
| Instabbiltà ta' Espożizzjoni Qasira | Espożizzjonijiet qosra ħafna jistgħu jikkawżaw amplifikazzjoni tas-sinjal u storbju imprevedibbli. |
| Spiża Għolja | Il-manifattura kumplessa u t-tkessiħ fil-fond jagħmlu dawn is-sensuri aktar għaljin mill-sCMOS. |
| Ħajja Limitata | Ir-reġistru tal-multiplikazzjoni tal-elettroni jintlibes, tipikament idum 5–10 snin. |
| Sfidi tal-Esportazzjoni | Suġġett għal regolamenti stretti minħabba applikazzjonijiet militari potenzjali. |
● Veloċità LimitataL-EMCCDs veloċi jipprovdu madwar 30 fps f'1 MP, simili għas-CCDs, ordnijiet ta' kobor aktar bil-mod mill-kameras CMOS.
● Introduzzjoni tal-IstorbjuIl-'fattur ta' storbju żejjed' ikkawżat mill-multiplikazzjoni każwali tal-elettroni, meta mqabbel ma' kamera sCMOS b'ħoss baxx bl-istess effiċjenza kwantistika, jista' jagħti lill-EMCCDs storbju drastikament ogħla skont il-livelli tas-sinjal. L-SNR għal sCMOS ta' kwalità għolja huwa tipikament aħjar għal sinjali ta' madwar 3e-, saħansitra aktar għal sinjali ogħla.
● Ċarġ Indott mill-Arloġġ (CIC)Sakemm ma jiġix ikkontrollat bir-reqqa, il-moviment taċ-ċarġijiet fis-sensorju jista' jintroduċi elettroni addizzjonali fil-pixels. Dan l-istorbju mbagħad jiġi mmultiplikat bir-reġistru tal-multiplikazzjoni tal-elettroni. Veloċitajiet ogħla tal-moviment taċ-ċarġijiet (rati tal-arloġġ) iwasslu għal rati ta' frejms ogħla, iżda aktar CIC.
● Firxa Dinamika MnaqqsaIl-valuri għoljin ħafna tal-multiplikazzjoni tal-elettroni meħtieġa biex jingħeleb l-istorbju tal-qari tal-EMCCD iwasslu għal firxa dinamika ħafna mnaqqsa.
● Daqs Kbir tal-PixelL-iżgħar daqs komuni ta' pixel għall-kameras EMCCD huwa 10 μm, iżda 13 jew 16 μm huwa l-aktar komuni. Dan huwa kbir wisq biex jaqbel mar-rekwiżiti tar-riżoluzzjoni tal-biċċa l-kbira tas-sistemi ottiċi.
● Rekwiżiti ta' KalibrazzjoniIl-proċess ta' multiplikazzjoni tal-elettroni jħassar ir-reġistru EM bl-użu, u b'hekk inaqqas il-kapaċità tiegħu li jimmultiplika fi proċess imsejjaħ 'tħassir tal-multiplikazzjoni tal-elettroni'. Dan ifisser li l-qligħ tal-kamera jinbidel kontinwament, u l-kamera teħtieġ kalibrazzjoni regolari biex twettaq kwalunkwe immaġini kwantitattiva.
● Espożizzjoni Inkonsistenti fi Żminijiet QosraMeta jintużaw ħinijiet ta' espożizzjoni qosra ħafna, il-kameras EMCCD jistgħu jipproduċu riżultati inkonsistenti għaliex is-sinjal dgħajjef jiġi megħlub mill-istorbju, u l-proċess ta' amplifikazzjoni jintroduċi varjazzjonijiet statistiċi.
● Rekwiżit Qawwi ta' TkessiħIl-proċess ta' multiplikazzjoni tal-elettroni huwa influwenzat ħafna mit-temperatura. It-tkessiħ tas-sensor iżid il-multiplikazzjoni tal-elettroni disponibbli. Għalhekk, it-tkessiħ fil-fond tas-sensor filwaqt li tinżamm l-istabbiltà tat-temperatura huwa għalhekk kritiku għal kejl EMCCD riproduċibbli.
● Spiża għoljaId-diffikultà tal-manifattura ta' dawn is-sensuri b'ħafna komponenti, flimkien mat-tkessiħ fil-fond, twassal għal prezzijiet tipikament ogħla mill-kameras tas-sensuri sCMOS tal-ogħla kwalità.
● Ħajja LimitataIt-tħassir tal-multiplikazzjoni tal-elettroni jpoġġi limitu fuq il-ħajja ta' dawn is-sensuri għaljin ta' ġeneralment 5-10 snin, skont il-livell ta' użu.
● Sfidi tal-EsportazzjoniL-importazzjoni u l-esportazzjoni ta' sensuri EMCCD għandhom it-tendenza li jkunu ta' sfida loġistika minħabba l-użu potenzjali tagħhom f'applikazzjonijiet militari.
Għaliex l-EMCCD hija s-Suċċessur tas-CCD
| Karatteristika | CCD | EMCCD |
| Sensittività | Għoli | Ultra-għoli (speċjalment dawl baxx) |
| Storbju tal-Qari | Moderat | Estremament baxx (minħabba l-qligħ) |
| Firxa Dinamika | Għoli | Moderat (limitat mill-qligħ) |
| Spiża | T'isfel | Ogħla |
| Tkessiħ | Mhux obbligatorju | Tipikament meħtieġ għal prestazzjoni ottimali |
| Każijiet ta' Użu | Immaġini ġenerali | Sejbien ta' foton wieħed f'dawl baxx |
Is-sensuri EMCCD jibnu fuq it-teknoloġija CCD tradizzjonali billi jinkorporaw pass ta' multiplikazzjoni tal-elettroni. Dan itejjeb il-kapaċità li jiġu amplifikati sinjali dgħajfa u jitnaqqas l-istorbju, u b'hekk l-EMCCDs huma l-għażla preferuta għal applikazzjonijiet ta' immaġini b'dawl estremament baxx fejn is-sensuri CCD ma jirnexxilhomx.
Applikazzjonijiet Ewlenin tas-Sensuri EMCCD
Is-sensuri EMCCD huma komunement użati f'oqsma xjentifiċi u industrijali li jeħtieġu sensittività għolja u l-abbiltà li jinstabu sinjali dgħajfa:
● Immaġini tax-Xjenza tal-Ħajjag: Għal applikazzjonijiet bħal mikroskopija ta' fluworexxenza ta' molekula waħda u mikroskopija ta' fluworexxenza b'riflessjoni interna totali (TIRF).
● AstronomijaUżat biex jaqbad dawl dgħajjef minn stilel imbiegħda, galassji, u riċerka dwar eżopjaneti.
● Ottika KwantistikaGħal esperimenti ta' tħabbil tal-fotoni u informazzjoni kwantistika.
● Forensika u SigurtàImpjegat fis-sorveljanza f'dawl baxx u fl-analiżi ta' evidenza ta' traċċi.
● SpettroskopijaFl-ispettroskopija Raman u fid-detezzjoni tal-fluworexxenza b'intensità baxxa.
Meta Għandek Tagħżel Sensor EMCCD?
Bit-titjib fis-sensuri CMOS f'dawn l-aħħar snin, il-vantaġġ tal-ħoss tal-qari tas-sensuri EMCCD naqas hekk kif issa anke l-kameras sCMOS huma kapaċi jagħmlu ħoss tal-qari tas-subelettroni, flimkien ma' firxa kbira ta' benefiċċji oħra. Jekk applikazzjoni qabel użat EMCCDs, ta' min jirrevedi jekk din hijiex l-aħjar għażla minħabba l-iżviluppi fl-sCMOS.
Storikament, l-EMCCDs xorta setgħu jwettqu l-għadd tal-fotoni b'aktar suċċess, flimkien ma' ftit applikazzjonijiet niċċa oħra b'livelli tipiċi ta' sinjal inqas minn 3-5e- kull pixel fil-quċċata. Madankollu, b'daqsijiet akbar ta' pixel u storbju tal-qari tas-subelettroni li qed isir disponibbli fikameras xjentifiċiAbbażi tat-teknoloġija sCMOS, huwa possibbli li dawn l-applikazzjonijiet ukoll dalwaqt jistgħu jitwettqu b'sCMOS ta' kwalità għolja.
Mistoqsijiet Frekwenti
X'inhu l-Ħin Minimu ta' Espożizzjoni għall-Kameras tat-Trasferiment tal-Qafas?
Għas-sensuri kollha tat-trasferiment tal-frejms, inklużi l-EMCCDs, il-kwistjoni tal-ħin minimu possibbli ta' espożizzjoni hija waħda kkumplikata. Għal akkwisti ta' immaġni waħda, l-espożizzjoni tista' tintemm billi l-kargi akkwistati jitħalltu fir-reġjun mgħotti għall-qari malajr ħafna, u huma possibbli ħinijiet minimi qosra (sub-mikrosekonda) ta' espożizzjoni.
Madankollu, hekk kif il-kamera tkun qed tixxandar b'veloċità sħiħa, jiġifieri takkwista diversi frejms / film b'rata sħiħa tal-frejms, hekk kif l-ewwel immaġni tispiċċa tesponi, ir-reġjun mgħotti jiġi okkupat minn dak il-frejm sakemm jitlesta l-qari. Għalhekk, l-espożizzjoni ma tistax tintemm. Dan ifisser li, irrispettivament mill-ħin tal-espożizzjoni mitlub fis-softwer, il-ħin reali tal-espożizzjoni tal-frejms sussegwenti wara l-ewwel wieħed minn akkwist ta' diversi frejms b'veloċità sħiħa jingħata mill-ħin tal-frejm, jiġifieri 1 / Rata tal-Frejms, tal-kamera.
It-Teknoloġija sCMOS Qed Tissostitwixxi s-Sensuri EMCCD?
Il-kameras EMCCD kellhom żewġ speċifikazzjonijiet li għenuhom iżommu l-vantaġġ tagħhom f'xenarji ta' immaġini b'dawl estremament baxx (b'livelli massimi ta' sinjali ta' 5 fotoelettroni jew inqas). L-ewwelnett, il-pixels kbar tagħhom, sa 16 μm, u t-tieni nett l-istorbju tal-qari <1e tagħhom.
Ġenerazzjoni ġdida ta'Kamera sCMOSĦareġ teknoloġija ġdida li toffri dawn l-istess karatteristiċi, mingħajr il-bosta żvantaġġi tal-EMCCDs, speċjalment il-fattur tal-ħoss żejjed. Kameras bħall-Aries 16 minn Tucsen joffru pixels illuminati minn wara ta' 16 μm b'ħoss ta' qari ta' 0.8e-. B'ħoss baxx u pixels kbar 'nattivi', dawn il-kameras jegħlbu wkoll il-biċċa l-kbira tal-kameras sCMOS binned, minħabba r-relazzjoni bejn il-binning u l-ħoss tal-qari.
Jekk tixtieq titgħallem aktar dwar l-EMCCD, jekk jogħġbok ikklikkja:
Jista' l-EMCCD jiġi Sostitut u Qatt Nixtiequ Dan?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Id-drittijiet kollha riżervati. Meta tikkwota, jekk jogħġbok agħraf is-sors:www.tucsen.com
