25/08/01Sensori CCD me Shumëzim të Elektroneve është një evolucion i sensorit CCD për të lejuar funksionimin në dritë më të ulët. Ato zakonisht janë të destinuara për sinjale prej disa qindra fotoelektronesh, deri në nivelin e numërimit të fotoneve individuale.
Ky artikull shpjegon se çfarë janë sensorët EMCCD, si funksionojnë, avantazhet dhe disavantazhet e tyre, dhe pse konsiderohen si evolucioni i ardhshëm i teknologjisë CCD për imazhe në dritë të ulët.
Çfarë është një sensor EMCCD?
Një sensor i Pajisjes së Çiftëzimit të Ngarkesës me Shumëzim Elektronesh (EMCCD) është një lloj i specializuar i sensorit CCD që amplifikon sinjalet e dobëta përpara se ato të lexohen, duke lejuar ndjeshmëri jashtëzakonisht të lartë në mjedise me dritë të ulët.
Fillimisht të zhvilluara për aplikime të tilla si astronomia dhe mikroskopia e përparuar, EMCCD-të mund të zbulojnë fotone të vetme, një detyrë me të cilën sensorët tradicionalë CCD kanë vështirësi. Kjo aftësi për të zbuluar fotone individuale i bën EMCCD-të thelbësore për fushat që kërkojnë imazhe të sakta në nivele shumë të ulëta drite.
Si funksionojnë sensorët EMCCD?
Deri në pikën e leximit, sensorët EMCCD funksionojnë sipas të njëjtave parime si sensorët CCD. Megjithatë, para matjes me ADC, ngarkesat e zbuluara shumëzohen përmes një procesi të quajtur impaktionizim, në një 'regjistër shumëzimi elektronesh'. Gjatë një serie prej disa qindra hapash, ngarkesat nga një piksel lëvizin përgjatë një serie pikselësh të maskuar në tension të lartë. Çdo elektron në secilin hap ka një shans për të sjellë elektrone shtesë. Prandaj, sinjali shumëzohet në mënyrë eksponenciale.
Rezultati përfundimtar i një EMCCD të kalibruar mirë është aftësia për të zgjedhur një sasi të saktë të shumëzimit mesatar, zakonisht rreth 300 deri në 400 për punë në dritë të ulët. Kjo mundëson që sinjalet e zbuluara të shumëzohen shumë më lart se zhurma e leximit të kamerës, duke zvogëluar në fakt zhurmën e leximit të kamerës. Fatkeqësisht, natyra stokastike e këtij procesi shumëzimi do të thotë që çdo piksel shumëzohet me një sasi të ndryshme, gjë që fut një faktor shtesë zhurme, duke zvogëluar raportin sinjal-zhurmë (SNR) të EMCCD.
Ja një përshkrim i hollësishëm i mënyrës se si funksionojnë sensorët EMCCD. Deri në Hapi 6, procesi është praktikisht i njëjtë me atë për sensorët CCD.
Figura: Procesi i leximit për sensorin EMCCD
Në fund të ekspozimit të tyre, sensorët EMCCD së pari i zhvendosin shpejt ngarkesat e mbledhura në një grup të maskuar pikselësh me të njëjtat dimensione si grupi i ndjeshëm ndaj dritës (transferimi i kornizës). Pastaj, një rresht në të njëjtën kohë, ngarkesat zhvendosen në një regjistër leximi. Një kolonë në të njëjtën kohë, ngarkesat brenda regjistrit të leximit kalohen në një regjistër shumëzimi. Në secilën fazë të këtij regjistri (deri në 1000 faza në kamerat reale EMCCD), çdo elektron ka një shans të vogël për të lëshuar një elektron shtesë, duke e shumëzuar sinjalin në mënyrë eksponenciale. Në fund, sinjali i shumëzuar lexohet.
1. Zbritje pagesashPër të filluar marrjen, ngarkesa fshihet njëkohësisht nga i gjithë sensori (objekt global i shkrehjes).
2. Akumulimi i ngarkesësNgarkesa grumbullohet gjatë ekspozimit.
3. Ruajtja e karikimitPas ekspozimit, ngarkesat e mbledhura zhvendosen në një zonë të maskuar të sensorit, ku mund të presin leximin pa u numëruar fotonet e reja të zbuluara. Ky është procesi i 'Transferimit të Kuadrove'.
4. Ekspozimi i Kuadrit të ArdhshëmMe ngarkesat e zbuluara të ruajtura në pikselët e maskuar, pikselët aktivë mund të fillojnë ekspozimin e kuadrit tjetër (modaliteti i mbivendosjes).
5. Procesi i leximitNjë rresht në të njëjtën kohë, ngarkesat për secilin rresht të kornizës së përfunduar zhvendosen në një 'regjistër leximi'.
6. Një kolonë në të njëjtën kohë, ngarkesat nga secili piksel transportohen në nyjen e leximit.
7. Shumëzimi i elektroneveMë pas, të gjitha ngarkesat e elektroneve nga pikseli hyjnë në regjistrin e shumëzimit të elektroneve dhe lëvizin hap pas hapi, duke u shumëzuar në numër në mënyrë eksponenciale në çdo hap.
8. LeximSinjali i shumëzuar lexohet nga ADC dhe procesi përsëritet derisa të lexohet i gjithë kuadri.
Pro dhe Kundra të Sensorëve EMCCD
Përparësitë e sensorëve EMCCD
| Avantazhi | Përshkrimi |
| Numërimi i fotoneve | Zbulon fotoelektronet individuale me zhurmë leximi ultra të ulët (<0.2e⁻), duke mundësuar ndjeshmëri ndaj një fotoni të vetëm. |
| Ndjeshmëri ndaj dritës ultra të ulët | Dukshëm më i mirë se CCD-të tradicionale, ndonjëherë duke tejkaluar edhe kamerat sCMOS të nivelit të lartë në nivele shumë të ulëta ndriçimi. |
| Rrymë e Ulët e Errët | Ftohja e thellë zvogëlon zhurmën termike, duke mundësuar imazhe më të pastra gjatë ekspozimeve të gjata. |
| Qepen 'Gjysmë Global' | Transferimi i kuadrove lejon ekspozim pothuajse global me zhvendosje shumë të shpejtë të ngarkesës (~1 mikrosekondë). |
● Numërimi i fotoneveMe shumëzim mjaftueshëm të lartë të elektroneve, zhurma e leximit mund të eliminohet praktikisht (<0.2e-). Kjo, së bashku me vlerën e lartë të fitimit dhe efikasitetin kuantik pothuajse të përsosur, do të thotë që dallimi i fotoelektroneve individuale është i mundur.
● Ndjeshmëri ndaj dritës ultra të ulëtKrahasuar me CCD-të, performanca e EMCCD-ve në dritë të ulët është dukshëm më e mirë. Mund të ketë disa aplikime ku EMCCD ofron aftësi dhe kontrast më të mirë zbulimi edhe sesa sCMOS i nivelit të lartë në nivelet më të ulëta të mundshme të dritës.
● Rrymë e Ulët e ErrëtAshtu si me CCD-të, EMCCD-të zakonisht ftohen thellë dhe janë në gjendje të ofrojnë vlera shumë të ulëta të rrymës në errësirë.
● Qepen 'Gjysmë Global'Procesi i transferimit të kuadrove për të filluar dhe për të mbaruar ekspozimin nuk është vërtet i njëkohshëm, por zakonisht zgjat rreth 1 mikrosekondë.
Disavantazhet e sensorëve EMCCD
| Disavantazhi | Përshkrimi |
| Shpejtësi e kufizuar | Shpejtësitë maksimale të kuadrove (~30 kuadro për sekondë në 1 MP) janë shumë më të ngadalta se alternativat moderne të CMOS. |
| Zhurma e Amplifikimit | Natyra e rastësishme e shumëzimit të elektroneve sjell zhurmë të tepërt, duke zvogëluar SNR-në. |
| Ngarkesa e Induktuar nga Ora (CIC) | Lëvizja e shpejtë e karikimit mund të sjellë sinjale të rreme që amplifikohen. |
| Diapazoni Dinamik i Zvogëluar | Fitimi i lartë zvogëlon sinjalin maksimal që sensori mund të trajtojë para ngopjes. |
| Madhësi e madhe pikseli | Madhësitë e zakonshme të pikselëve (13–16 μm) mund të mos përputhen me shumë kërkesa të sistemit optik. |
| Kërkesa për ftohje të fortë | Kërkohet ftohje e qëndrueshme dhe e thellë për të arritur shumëzim të qëndrueshëm dhe zhurmë të ulët. |
| Nevojat e Kalibrimit | Fitimi elektromagnetik (EM) përkeqësohet me kalimin e kohës (prishje e shumëzimit), duke kërkuar kalibrim të rregullt. |
| Paqëndrueshmëria e ekspozimit të shkurtër | Ekspozimet shumë të shkurtra mund të shkaktojnë amplifikim të paparashikueshëm të sinjalit dhe zhurmë. |
| Kosto e lartë | Prodhimi kompleks dhe ftohja e thellë i bëjnë këta sensorë më të shtrenjtë se sCMOS. |
| Jetëgjatësi e kufizuar | Regjistri i shumëzimit të elektroneve konsumohet, zakonisht zgjat 5-10 vjet. |
| Sfidat e Eksportit | I nënshtrohet rregulloreve të rrepta për shkak të aplikimeve të mundshme ushtarake. |
● Shpejtësi e kufizuarEMCCD-të e shpejta ofrojnë rreth 30 kuadro/sek me 1 MP, ngjashëm me CCD-të, shumë më ngadalë se kamerat CMOS.
● Hyrje në Zhurmë'Faktori i tepërt i zhurmës' i shkaktuar nga shumëzimi i rastësishëm i elektroneve, krahasuar me një aparat fotografik sCMOS me zhurmë të ulët me të njëjtën efikasitet kuantik, mund t'u japë EMCCD-ve zhurmë dukshëm më të lartë në varësi të niveleve të sinjalit. SNR për sCMOS të nivelit të lartë është zakonisht më i mirë për sinjale rreth 3e-, madje edhe më shumë për sinjale më të larta.
● Ngarkesë e Induktuar nga Ora (CIC)Nëse nuk kontrollohet me kujdes, lëvizja e ngarkesave nëpër sensor mund të fusë elektrone shtesë në piksel. Kjo zhurmë më pas shumëzohet nga regjistri i shumëzimit të elektroneve. Shpejtësitë më të larta të lëvizjes së ngarkesave (shpejtësia e orës) çojnë në shpejtësi më të larta të kuadrove, por më shumë CIC.
● Diapazon i reduktuar dinamikVlerat shumë të larta të shumëzimit të elektroneve të nevojshme për të kapërcyer zhurmën e leximit të EMCCD çojnë në një diapazon dinamik shumë të reduktuar.
● Madhësi e madhe pikseliMadhësia më e vogël e zakonshme e pikselit për kamerat EMCCD është 10 μm, por më e zakonshmja është 13 ose 16 μm. Kjo është shumë e madhe për t'u përputhur me kërkesat e rezolucionit të shumicës së sistemeve optike.
● Kërkesat e KalibrimitProcesi i shumëzimit të elektroneve e konsumon regjistrin EM me përdorimin, duke zvogëluar aftësinë e tij për t'u shumëzuar në një proces të quajtur 'zbërthim i shumëzimit të elektroneve'. Kjo do të thotë që fitimi i kamerës ndryshon vazhdimisht dhe kamera kërkon kalibrim të rregullt për të kryer çdo imazh sasior.
● Ekspozim i paqëndrueshëm në kohë të shkurtraKur përdoren kohë ekspozimi shumë të shkurtra, kamerat EMCCD mund të japin rezultate të paqëndrueshme sepse sinjali i dobët mbingarkohet nga zhurma dhe procesi i amplifikimit sjell luhatje statistikore.
● Kërkesa për ftohje të lartëProcesi i shumëzimit të elektroneve ndikohet fuqishëm nga temperatura. Ftohja e sensorit rrit shumëzimin e elektroneve të disponueshëm. Prandaj, ftohja e thellë e sensorit, duke ruajtur stabilitetin e temperaturës, është thelbësore për matjet e riprodhueshme të EMCCD.
● Kosto e lartëVështirësia e prodhimit të këtyre sensorëve shumëkomponentë, e kombinuar me ftohjen e thellë, çon në çmime zakonisht më të larta se kamerat me sensorë sCMOS të cilësisë më të lartë.
● Jetëgjatësi e kufizuarZbërthimi i shumëzimit të elektroneve vendos një kufi në jetëgjatësinë e këtyre sensorëve të shtrenjtë, zakonisht 5-10 vjet, varësisht nga niveli i përdorimit.
● Sfidat e EksportitImporti dhe eksporti i sensorëve EMCCD tenton të jetë sfidues nga ana logjistike për shkak të përdorimit të tyre të mundshëm në aplikime ushtarake.
Pse EMCCD është pasardhësi i CCD
| Karakteristikë | CCD | EMCCD |
| Ndjeshmëria | I lartë | Ultra i lartë (sidomos dritë e ulët) |
| Zhurma e Leximit | Moderuar | Jashtëzakonisht i ulët (për shkak të fitimit) |
| Diapazoni Dinamik | I lartë | I moderuar (i kufizuar nga rritja) |
| Kosto | Më poshtë | Më i lartë |
| Ftohje | Opsionale | Zakonisht kërkohet për performancë optimale |
| Rastet e përdorimit | Imazheri e përgjithshme | Zbulimi me një foton të vetëm, në dritë të ulët |
Sensorët EMCCD ndërtohen mbi teknologjinë tradicionale CCD duke përfshirë një hap shumëzimi të elektroneve. Kjo rrit aftësinë për të amplifikuar sinjalet e dobëta dhe për të zvogëluar zhurmën, duke i bërë EMCCD-të zgjedhjen e preferuar për aplikacionet e imazhit në dritë jashtëzakonisht të ulët, ku sensorët CCD nuk janë të mjaftueshëm.
Zbatimet kryesore të sensorëve EMCCD
Sensorët EMCCD përdoren zakonisht në fushat shkencore dhe industriale që kërkojnë ndjeshmëri të lartë dhe aftësinë për të zbuluar sinjale të dobëta:
● Imagjinoni Shkencën e Jetësg: Për aplikime si mikroskopia fluoreshente me një molekulë të vetme dhe mikroskopia e fluoreshencës me reflektim të brendshëm total (TIRF).
● AstronomiPërdoret për kapjen e dritës së zbehtë nga yjet e largëta, galaktikat dhe kërkimin e ekzoplanetëve.
● Optika KuantikePër eksperimente të ngatërresës së fotoneve dhe informacionit kuantik.
● Forenzikë dhe SiguriI punësuar në mbikëqyrje në dritë të ulët dhe analizë të provave të gjurmëve.
● SpektroskopiNë spektroskopinë Raman dhe zbulimin e fluoreshencës me intensitet të ulët.
Kur duhet të zgjidhni një sensor EMCCD?
Me përmirësimet e sensorëve CMOS në vitet e fundit, avantazhi i zhurmës së leximit të sensorëve EMCCD është zvogëluar, pasi tani edhe kamerat sCMOS janë të afta të lexojnë zhurmë nënelektronike, së bashku me një gamë të gjerë përfitimesh të tjera. Nëse një aplikacion ka përdorur më parë EMCCD, ia vlen të rishikohet nëse kjo është zgjidhja më e mirë duke pasur parasysh zhvillimet në sCMOS.
Historikisht, EMCCD-të mund të kryenin ende numërimin e fotoneve me më shumë sukses, së bashku me disa aplikacione të tjera specifike me nivele tipike sinjali më pak se 3-5e- për piksel në kulmin e tyre. Megjithatë, me madhësi më të mëdha pikselësh dhe zhurmë leximi nën-elektronike që bëhet e disponueshme nëkamera shkencoreBazuar në teknologjinë sCMOS, është e mundur që edhe këto aplikacione së shpejti të kryhen me sCMOS të nivelit të lartë.
Pyetje të shpeshta
Cila është koha minimale e ekspozimit për kamerat me transferim kuadrosh?
Për të gjithë sensorët e transferimit të kuadrove, duke përfshirë EMCCD-të, çështja e kohës minimale të mundshme të ekspozimit është e ndërlikuar. Për përvetësimet e një imazhi të vetëm, ekspozimi mund të përfundojë duke zhvendosur ngarkesat e përvetësuara në rajonin e maskuar për lexim shumë shpejt, dhe kohët minimale të ekspozimit të shkurtra (nën mikrosekonda) janë të mundshme.
Megjithatë, sapo kamera fillon të transmetojë me shpejtësi të plotë, d.m.th. duke marrë shumë kuadro / një film me shpejtësi të plotë kuadrosh, sapo imazhi i parë të përfundojë ekspozimin, rajoni i maskuar zihet nga ai kuadro derisa të përfundojë leximi. Prandaj, ekspozimi nuk mund të përfundojë. Kjo do të thotë që, pavarësisht nga koha e ekspozimit të kërkuar në softuer, koha reale e ekspozimit të kuadrove pasuese pas të parit të një blerjeje me shumë kuadro me shpejtësi të plotë jepet nga koha e kuadrove, d.m.th. 1 / Shpejtësia e Kuadrove, e kamerës.
A po i zëvendëson teknologjia sCMOS sensorët EMCCD?
Kamerat EMCCD kishin dy specifikime që ndihmonin në ruajtjen e avantazhit të tyre në skenarë imazhesh me dritë jashtëzakonisht të ulët (me nivele maksimale të sinjalit prej 5 fotoelektronesh ose më pak). Së pari, pikselët e tyre të mëdhenj, deri në 16 μm, dhe së dyti zhurma e tyre <1e-lexim.
Një brez i ri ikamera sCMOSKa dalë në pah një model që ofron të njëjtat karakteristika, pa të metat e shumta të EMCCD-ve, veçanërisht faktorin e zhurmës së tepërt. Kamerat si Aries 16 nga Tucsen ofrojnë pikselë të ndriçuar nga prapa 16 μm me një zhurmë leximi prej 0.8e-. Me zhurmë të ulët dhe pikselë 'natyrshëm' të mëdhenj, këto kamera gjithashtu i tejkalojnë shumicën e kamerave sCMOS të grupuara, për shkak të marrëdhënies midis grupimit dhe zhurmës së leximit.
Nëse doni të mësoni më shumë rreth EMCCD, ju lutemi klikoni:
A mund të zëvendësohet EMCCD dhe a do ta dëshironim ndonjëherë këtë?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Të gjitha të drejtat e rezervuara. Kur citoni, ju lutemi përmendni burimin:www.tucsen.com
