२५/०८/०१इलेक्ट्रोन-गुणन सीसीडी सेन्सर कम प्रकाश सञ्चालनलाई अनुमति दिन सीसीडी सेन्सरको विकास हो। तिनीहरू सामान्यतया केही सय फोटोइलेक्ट्रोनहरूको संकेतहरूको लागि लक्षित हुन्छन्, व्यक्तिगत फोटोन-गणना स्तरसम्म।
यस लेखले EMCCD सेन्सरहरू के हुन्, तिनीहरूले कसरी काम गर्छन्, तिनीहरूका फाइदा र बेफाइदाहरू, र तिनीहरूलाई कम प्रकाशमा इमेजिङको लागि CCD प्रविधिको अर्को विकास किन मानिन्छ भनेर व्याख्या गर्दछ।
EMCCD सेन्सर भनेको के हो?
इलेक्ट्रोन-मल्टीप्लाइङ चार्ज-कपल्ड डिभाइस (EMCCD) सेन्सर एक विशेष प्रकारको CCD सेन्सर हो जसले कमजोर सिग्नलहरूलाई पढ्नु अघि नै प्रवर्द्धन गर्छ, जसले गर्दा कम प्रकाश भएको वातावरणमा अत्यधिक उच्च संवेदनशीलता प्राप्त हुन्छ।
खगोल विज्ञान र उन्नत माइक्रोस्कोपी जस्ता अनुप्रयोगहरूको लागि सुरुमा विकसित गरिएको, EMCCD हरूले एकल फोटोनहरू पत्ता लगाउन सक्छन्, जुन कार्य परम्परागत CCD सेन्सरहरूसँग संघर्ष गर्दछ। व्यक्तिगत फोटोनहरू पत्ता लगाउने यो क्षमताले EMCCD हरूलाई धेरै कम प्रकाश स्तरहरूमा सटीक इमेजिङ आवश्यक पर्ने क्षेत्रहरूको लागि महत्त्वपूर्ण बनाउँछ।
EMCCD सेन्सरहरूले कसरी काम गर्छन्?
पढ्ने बिन्दुसम्म, EMCCD सेन्सरहरू CCD सेन्सरहरू जस्तै सिद्धान्तहरूमा काम गर्छन्। यद्यपि, ADC सँग मापन गर्नु अघि, पत्ता लगाइएका चार्जहरूलाई 'इलेक्ट्रोन गुणन दर्ता' मा इम्प्याक्शनाइजेसन भनिने प्रक्रिया मार्फत गुणन गरिन्छ। धेरै सय चरणहरूको श्रृंखलामा, पिक्सेलबाट चार्जहरू उच्च भोल्टेजमा मास्क गरिएको पिक्सेलहरूको श्रृंखलामा सारिन्छन्। प्रत्येक चरणमा प्रत्येक इलेक्ट्रोनले थप इलेक्ट्रोनहरू ल्याउने सम्भावना हुन्छ। त्यसैले संकेतलाई घातीय रूपमा गुणन गरिन्छ।
राम्रोसँग क्यालिब्रेट गरिएको EMCCD को अन्तिम परिणाम भनेको औसत गुणनको सटीक मात्रा छनौट गर्ने क्षमता हो, सामान्यतया कम प्रकाशमा कामको लागि लगभग 300 देखि 400। यसले पत्ता लगाइएका संकेतहरूलाई क्यामेराको पढ्ने आवाज भन्दा धेरै गुणा गर्न सक्षम बनाउँछ, जसले गर्दा क्यामेराको पढ्ने आवाज कम हुन्छ। दुर्भाग्यवश, यस गुणन प्रक्रियाको स्टोकास्टिक प्रकृतिको अर्थ प्रत्येक पिक्सेललाई फरक मात्राले गुणा गरिन्छ, जसले अतिरिक्त आवाज कारक परिचय गराउँछ, जसले EMCCD को सिग्नल-टु-शोर अनुपात (SNR) घटाउँछ।
यहाँ EMCCD सेन्सरहरूले कसरी काम गर्छन् भन्ने कुराको विवरण दिइएको छ। चरण ६ सम्म, प्रक्रिया प्रभावकारी रूपमा CCD सेन्सरहरूको लागि जस्तै छ।
चित्र: EMCCD सेन्सरको लागि रिडआउट प्रक्रिया
आफ्नो एक्सपोजरको अन्त्यमा, EMCCD सेन्सरहरूले पहिले द्रुत रूपमा संकलित चार्जहरूलाई प्रकाश संवेदनशील एरे (फ्रेम ट्रान्सफर) जस्तै आयामहरू पिक्सेलहरूको मास्क गरिएको एरेमा सार्छन्। त्यसपछि, एक पटकमा एक पङ्क्तिमा, चार्जहरूलाई रिडआउट दर्तामा सारिन्छ। एक पटकमा एक स्तम्भमा, रिडआउट दर्ता भित्रका चार्जहरूलाई गुणन दर्तामा पास गरिन्छ। यस दर्ताको प्रत्येक चरणमा (वास्तविक EMCCD क्यामेराहरूमा १००० चरणहरू सम्म), प्रत्येक इलेक्ट्रोनसँग सिग्नललाई घातीय रूपमा गुणन गर्दै, अतिरिक्त इलेक्ट्रोन रिलिज गर्ने सानो मौका हुन्छ। अन्त्यमा, गुणन गरिएको सिग्नल पढिन्छ।
1. शुल्क क्लियरिङ्ग: अधिग्रहण सुरु गर्न, सम्पूर्ण सेन्सर (ग्लोबल शटर) बाट चार्ज एकैसाथ खाली गरिन्छ।
2. शुल्क संचय: एक्सपोजरको समयमा चार्ज जम्मा हुन्छ।
3. चार्ज भण्डारण: एक्सपोजर पछि, संकलित चार्जहरू सेन्सरको मास्क गरिएको क्षेत्रमा सारिन्छन्, जहाँ तिनीहरू नयाँ पत्ता लागेका फोटोनहरू गणना नगरीकन पढ्न पर्खन सक्छन्। यो 'फ्रेम स्थानान्तरण' प्रक्रिया हो।
4. अर्को फ्रेम एक्सपोजर: मास्क गरिएका पिक्सेलहरूमा भण्डारण गरिएका पत्ता लगाइएका चार्जहरूसँग, सक्रिय पिक्सेलहरूले अर्को फ्रेम (ओभरल्याप मोड) को एक्सपोजर सुरु गर्न सक्छन्।
5. पढ्ने प्रक्रिया: एक पटकमा एक पङ्क्ति, समाप्त फ्रेमको प्रत्येक पङ्क्तिको शुल्क 'रिडआउट रजिस्टर' मा सारिन्छ।
६. एक पटकमा एक स्तम्भ, प्रत्येक पिक्सेलबाट चार्जहरू रिडआउट नोडमा शटल गरिन्छन्।
7. इलेक्ट्रोन गुणन: त्यसपछि, पिक्सेलबाट सबै इलेक्ट्रोन चार्जहरू इलेक्ट्रोन गुणन दर्तामा प्रवेश गर्छन्, र प्रत्येक चरणमा घातांकीय रूपमा संख्यामा गुणन गर्दै चरणबद्ध रूपमा अगाडि बढ्छन्।
8. पढ्नुहोस्: गुणित संकेत ADC द्वारा पढिन्छ, र सम्पूर्ण फ्रेम नपढेसम्म प्रक्रिया दोहोरिन्छ।
EMCCD सेन्सरका फाइदा र बेफाइदाहरू
EMCCD सेन्सरका फाइदाहरू
| फाइदा | विवरण |
| फोटोन गणना | अल्ट्रा-लो रिड नाइज (<0.2e⁻) भएका व्यक्तिगत फोटोइलेक्ट्रोनहरू पत्ता लगाउँछ, जसले एकल-फोटोन संवेदनशीलता सक्षम बनाउँछ। |
| अति-कम-प्रकाश संवेदनशीलता | परम्परागत CCD हरू भन्दा उल्लेखनीय रूपमा राम्रो, कहिलेकाहीँ धेरै कम प्रकाश स्तरमा उच्च-अन्त sCMOS क्यामेराहरूलाई पनि उछिनेर। |
| कम अँध्यारो धारा | गहिरो चिसोपनले थर्मल आवाज कम गर्छ, जसले गर्दा लामो समयसम्म एक्सपोजर गर्दा सफा तस्बिरहरू प्राप्त गर्न सकिन्छ। |
| 'हाफ-ग्लोबल' शटर | फ्रेम स्थानान्तरणले धेरै छिटो चार्ज स्थानान्तरण (~१ माइक्रोसेकेन्ड) को साथ नजिकको विश्वव्यापी एक्सपोजरलाई अनुमति दिन्छ। |
● फोटोन गणना: पर्याप्त उच्च इलेक्ट्रोन गुणनको साथ, पढ्ने आवाज व्यावहारिक रूपमा हटाउन सकिन्छ (<0.2e-)। यसको अर्थ, उच्च लाभ मान र लगभग-पूर्ण क्वान्टम दक्षताको साथ, व्यक्तिगत फोटोइलेक्ट्रोनहरू छुट्याउन सम्भव छ।
● अति-कम-प्रकाश संवेदनशीलता: CCD हरूको तुलनामा, EMCCD हरूको कम प्रकाश प्रदर्शन अत्यन्तै राम्रो छ। केही अनुप्रयोगहरू हुन सक्छन् जहाँ EMCCD ले उच्च-अन्त sCMOS भन्दा पनि कम सम्भावित प्रकाश स्तरहरूमा राम्रो पत्ता लगाउने क्षमता र कन्ट्रास्ट प्रदान गर्दछ।
● कम अँध्यारो धारा: CCD हरू जस्तै, EMCCD हरू सामान्यतया गहिरो चिसो हुन्छन् र धेरै कम गाढा वर्तमान मानहरू प्रदान गर्न सक्षम हुन्छन्।
● 'हाफ ग्लोबल' शटर: सुरु र अन्त्य एक्सपोजरमा फ्रेम स्थानान्तरण प्रक्रिया साँच्चै एकैसाथ हुँदैन, तर सामान्यतया १ माइक्रोसेकेन्डको क्रम लिन्छ।
EMCCD सेन्सरहरूको बेफाइदा
| बेफाइदा | विवरण |
| सीमित गति | अधिकतम फ्रेम दरहरू (१ MP मा ~३० fps) आधुनिक CMOS विकल्पहरू भन्दा धेरै ढिलो छन्। |
| प्रवर्धन आवाज | इलेक्ट्रोन गुणनको अनियमित प्रकृतिले अतिरिक्त आवाजको परिचय दिन्छ, जसले SNR घटाउँछ। |
| घडी-प्रेरित चार्ज (CIC) | द्रुत चार्ज चालले झूटा संकेतहरू प्रस्तुत गर्न सक्छ जुन प्रवर्धित हुन्छन्। |
| घटाइएको गतिशील दायरा | उच्च लाभले संतृप्त हुनु अघि सेन्सरले ह्यान्डल गर्न सक्ने अधिकतम सिग्नललाई घटाउँछ। |
| ठूलो पिक्सेल आकार | सामान्य पिक्सेल आकारहरू (१३–१६ μm) धेरै अप्टिकल प्रणाली आवश्यकताहरूसँग मेल नखान सक्छन्। |
| अत्यधिक चिसोपनको आवश्यकता | स्थिर गुणन र कम आवाज प्राप्त गर्न स्थिर गहिरो शीतलन आवश्यक छ। |
| क्यालिब्रेसन आवश्यकताहरू | समयसँगै EM लाभ घट्दै जान्छ (गुणन क्षय), नियमित क्यालिब्रेसन आवश्यक पर्दछ। |
| छोटो एक्सपोजर अस्थिरता | धेरै छोटो एक्सपोजरले अप्रत्याशित सिग्नल प्रवर्धन र आवाज निम्त्याउन सक्छ। |
| उच्च लागत | जटिल निर्माण र गहिरो शीतलनले यी सेन्सरहरूलाई sCMOS भन्दा महँगो बनाउँछ। |
| सीमित आयु | इलेक्ट्रोन गुणन रजिस्टर बिग्रन्छ, सामान्यतया ५-१० वर्षसम्म टिक्छ। |
| निर्यात चुनौतीहरू | सम्भावित सैन्य अनुप्रयोगहरूको कारणले कडा नियमहरूको अधीनमा। |
● सीमित गति: द्रुत EMCCD हरूले १ MP मा लगभग ३० fps प्रदान गर्छन्, CCD हरू जस्तै, CMOS क्यामेराहरू भन्दा ढिलो परिमाणको अर्डर।
● शोर परिचय: समान क्वान्टम दक्षता भएको कम-आवाज sCMOS क्यामेराको तुलनामा, अनियमित इलेक्ट्रोन गुणनबाट हुने 'अतिरिक्त आवाज कारक' ले सिग्नल स्तरको आधारमा EMCCD हरूलाई एकदमै उच्च आवाज दिन सक्छ। उच्च-अन्त sCMOS को लागि SNR सामान्यतया 3e- को आसपासको संकेतहरूको लागि राम्रो हुन्छ, उच्च संकेतहरूको लागि अझ बढी।
● घडी-प्रेरित चार्ज (CIC): सावधानीपूर्वक नियन्त्रण नगरिएसम्म, सेन्सरमा चार्जहरूको चालले पिक्सेलमा थप इलेक्ट्रोनहरू परिचय गराउन सक्छ। यो आवाजलाई त्यसपछि इलेक्ट्रोन गुणन दर्ताद्वारा गुणन गरिन्छ। उच्च चार्ज चाल गति (घडी दर) ले उच्च फ्रेम दरहरू निम्त्याउँछ, तर बढी CIC।
● घटाइएको गतिशील दायरा: EMCCD पढ्ने आवाजलाई पार गर्न आवश्यक पर्ने धेरै उच्च इलेक्ट्रोन गुणन मानहरूले धेरै कम गतिशील दायरा निम्त्याउँछ।
● ठूलो पिक्सेल आकार: EMCCD क्यामेराहरूको लागि सबैभन्दा सानो सामान्य पिक्सेल आकार १० μm हो, तर १३ वा १६ μm सबैभन्दा सामान्य हुन्छ। यो धेरैजसो अप्टिकल प्रणालीहरूको रिजोल्युसन आवश्यकताहरू मेल खाने धेरै ठूलो छ।
● क्यालिब्रेसन आवश्यकताहरू: इलेक्ट्रोन गुणन प्रक्रियाले प्रयोगसँगै EM दर्तालाई बिगार्छ, जसले गर्दा 'इलेक्ट्रोन गुणन क्षय' भनिने प्रक्रियामा यसको गुणन गर्ने क्षमता घट्छ। यसको अर्थ क्यामेराको लाभ निरन्तर परिवर्तन भइरहेको छ, र कुनै पनि मात्रात्मक इमेजिङ गर्न क्यामेरालाई नियमित क्यालिब्रेसन आवश्यक पर्दछ।
● छोटो समयमा असंगत एक्सपोजर: धेरै छोटो एक्सपोजर समय प्रयोग गर्दा, EMCCD क्यामेराहरूले असंगत परिणामहरू उत्पादन गर्न सक्छन् किनभने कमजोर सिग्नल आवाजले भरिएको हुन्छ, र प्रवर्धन प्रक्रियाले तथ्याङ्कीय उतारचढावहरू प्रस्तुत गर्दछ।
● भारी शीतलन आवश्यकता: इलेक्ट्रोन गुणन प्रक्रिया तापक्रमबाट धेरै प्रभावित हुन्छ। सेन्सरलाई चिसो पार्नाले उपलब्ध इलेक्ट्रोन गुणन बढ्छ। त्यसैले तापक्रम स्थिरता कायम राख्दै गहिरो सेन्सर चिसो पुनरुत्पादन योग्य EMCCD मापनको लागि महत्त्वपूर्ण छ।
● उच्च लागत: यी बहु-घटक सेन्सरहरूको निर्माणको कठिनाई, गहिरो शीतलनको साथमा, मूल्यहरू सामान्यतया उच्चतम गुणस्तरको sCMOS सेन्सर क्यामेराहरू भन्दा बढी हुन्छन्।
● सीमित आयु: इलेक्ट्रोन गुणन क्षयले यी महँगा सेन्सरहरूको प्रयोगको स्तरमा निर्भर गर्दै सामान्यतया ५-१० वर्षको आयु सीमा राख्छ।
● निर्यात चुनौतीहरू: सैन्य अनुप्रयोगहरूमा सम्भावित प्रयोगको कारणले गर्दा EMCCD सेन्सरहरूको आयात र निर्यात तार्किक रूपमा चुनौतीपूर्ण हुन्छ।
किन EMCCD CCD को उत्तराधिकारी हो?
| सुविधा | सीसीडी | EMCCD |
| संवेदनशीलता | उच्च | अति उच्च (विशेष गरी कम प्रकाश) |
| रिडआउट शोर | मध्यम | अत्यन्तै कम (लाभको कारणले) |
| गतिशील दायरा | उच्च | मध्यम (लाभ द्वारा सीमित) |
| लागत | तल्लो | उच्च |
| चिसो पार्ने | वैकल्पिक | सामान्यतया इष्टतम कार्यसम्पादनको लागि आवश्यक पर्दछ |
| प्रयोगका केसहरू | सामान्य इमेजिङ | कम प्रकाश, एकल-फोटोन पत्ता लगाउने |
EMCCD सेन्सरहरूले इलेक्ट्रोन गुणन चरण समावेश गरेर परम्परागत CCD प्रविधिमा निर्माण गर्छन्। यसले कमजोर संकेतहरूलाई प्रवर्द्धन गर्ने र आवाज कम गर्ने क्षमता बढाउँछ, जसले गर्दा CCD सेन्सरहरू कम हुने ठाउँहरूमा अत्यन्त कम प्रकाशमा इमेजिङ अनुप्रयोगहरूको लागि EMCCD हरूलाई मनपर्ने विकल्प बनाउँछ।
EMCCD सेन्सरहरूको प्रमुख अनुप्रयोगहरू
EMCCD सेन्सरहरू सामान्यतया वैज्ञानिक र औद्योगिक क्षेत्रहरूमा प्रयोग गरिन्छ जसलाई उच्च संवेदनशीलता र कमजोर संकेतहरू पत्ता लगाउने क्षमता चाहिन्छ:
● जीवन विज्ञान कल्पनाg: एकल-अणु प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी र कुल आन्तरिक परावर्तन प्रतिदीप्ति (TIRF) माइक्रोस्कोपी जस्ता अनुप्रयोगहरूको लागि।
● खगोल विज्ञान: टाढाका ताराहरू, आकाशगंगाहरू, र बाह्य ग्रह अनुसन्धानबाट हल्का प्रकाश कैद गर्न प्रयोग गरिन्छ।
● क्वान्टम अप्टिक्स: फोटोन इन्ट्याङ्गलमेन्ट र क्वान्टम जानकारी प्रयोगहरूको लागि।
● फोरेन्सिक र सुरक्षा: कम प्रकाशमा निगरानी र ट्रेस प्रमाण विश्लेषणमा कार्यरत।
● स्पेक्ट्रोस्कोपी: रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी र कम-तीव्रता प्रतिदीप्ति पत्ता लगाउने।
तपाईंले EMCCD सेन्सर कहिले छनौट गर्नुपर्छ?
हालैका वर्षहरूमा CMOS सेन्सरहरूमा भएका सुधारहरूसँगै, EMCCD सेन्सरहरूको पढ्ने आवाजको फाइदा घटेको छ किनकि अब sCMOS क्यामेराहरू पनि अन्य धेरै फाइदाहरूको साथसाथै सबइलेक्ट्रोन पढ्ने आवाजको लागि सक्षम छन्। यदि कुनै अनुप्रयोगले पहिले EMCCD हरू प्रयोग गरिसकेको छ भने, sCMOS मा भएका विकासहरूलाई ध्यानमा राख्दै यो उत्तम विकल्प हो कि होइन भनेर समीक्षा गर्न लायक छ।
ऐतिहासिक रूपमा, EMCCD हरूले अझै पनि फोटोन गणना अझ सफलतापूर्वक गर्न सक्थे, केही अन्य विशिष्ट अनुप्रयोगहरूसँगै, जसमा विशिष्ट सिग्नल स्तरहरू प्रति पिक्सेल 3-5e- भन्दा कम छन्। यद्यपि, ठूला पिक्सेल आकारहरू र उप-इलेक्ट्रोन पढ्ने आवाज उपलब्ध हुँदै जाँदावैज्ञानिक क्यामेराहरूsCMOS प्रविधिमा आधारित, यो सम्भव छ कि यी अनुप्रयोगहरू पनि चाँडै उच्च-अन्त sCMOS मार्फत प्रदर्शन गर्न सकिन्छ।
सोधिने प्रश्नहरू
फ्रेम ट्रान्सफर क्यामेराहरूको लागि न्यूनतम एक्सपोजर समय कति हो?
EMCCD हरू सहित सबै फ्रेम ट्रान्सफर सेन्सरहरूको लागि, न्यूनतम सम्भावित एक्सपोजर समयको प्रश्न जटिल छ। एकल छवि अधिग्रहणको लागि, प्राप्त शुल्कहरूलाई मास्क गरिएको क्षेत्रमा धेरै छिटो पढ्नको लागि शफल गरेर एक्सपोजर समाप्त गर्न सकिन्छ, र छोटो (सब-माइक्रोसेकेन्ड) न्यूनतम एक्सपोजर समय सम्भव छ।
यद्यपि, क्यामेरा पूर्ण गतिमा स्ट्रिम हुने बित्तिकै, अर्थात् पूर्ण फ्रेम दरमा धेरै फ्रेमहरू / चलचित्र प्राप्त गर्ने बित्तिकै, पहिलो छवि एक्सपोज गर्ने बित्तिकै, रिडआउट पूरा नभएसम्म मास्क गरिएको क्षेत्र त्यो फ्रेमले ओगटेको हुन्छ। त्यसैले एक्सपोजर समाप्त हुन सक्दैन। यसको अर्थ, सफ्टवेयरमा अनुरोध गरिएको एक्सपोजर समयलाई ध्यान नदिई, पूर्ण-गति बहु-फ्रेम अधिग्रहणको पहिलो पछिका फ्रेमहरूको वास्तविक एक्सपोजर समय क्यामेराको फ्रेम समय, अर्थात् १ / फ्रेम दरले दिन्छ।
के sCMOS प्रविधिले EMCCD सेन्सरहरूलाई प्रतिस्थापन गर्दैछ?
EMCCD क्यामेराहरूमा दुई विशिष्टताहरू थिए जसले चरम-कम प्रकाश इमेजिङ परिदृश्यहरूमा (५ फोटोइलेक्ट्रोन वा कमको शिखर सिग्नल स्तरको साथ) आफ्नो फाइदा कायम राख्न मद्दत गर्यो। पहिलो, तिनीहरूको ठूला पिक्सेलहरू, १६ μm सम्म, र दोस्रो तिनीहरूको <१e- पढ्ने आवाज।
नयाँ पुस्ताकोsCMOS क्यामेराEMCCDs का धेरै कमजोरीहरू, विशेष गरी अतिरिक्त आवाज कारक बिना, यी समान विशेषताहरू प्रदान गर्ने देखा परेको छ। Tucsen को Aries 16 जस्ता क्यामेराहरूले 0.8e- को पढ्ने आवाजको साथ 16 μm ब्याक-इलुमिनेटेड पिक्सेल प्रदान गर्दछ। कम आवाज र 'नेटिभली' ठूला पिक्सेलहरूको साथ, यी क्यामेराहरूले बिनिङ र पढ्ने आवाज बीचको सम्बन्धको कारणले गर्दा, धेरैजसो बिन गरिएका sCMOS क्यामेराहरूलाई पनि पछाडि पार्छन्।
यदि तपाईं EMCCD बारे थप जान्न चाहनुहुन्छ भने, कृपया क्लिक गर्नुहोस्:
के EMCCD लाई प्रतिस्थापन गर्न सकिन्छ र के हामी कहिल्यै त्यो चाहन्छौं?
टक्सेन फोटोनिक्स कं, लिमिटेड। सबै अधिकार सुरक्षित। उद्धृत गर्दा, कृपया स्रोत स्वीकार गर्नुहोस्:www.tucsen.com
