25/08/01Sénsor CCD Éléktron-Multiplying mangrupa évolusi sénsor CCD pikeun ngidinan operasi cahaya handap. Biasana ditujukeun pikeun sinyal sababaraha ratus fotoéléktron, dugi ka tingkat cacah foton individu.
Artikel ieu ngécéskeun naon sensor EMCCD, kumaha fungsina, kaunggulan jeung kalemahan maranéhanana, jeung naha maranéhna dianggap évolusi salajengna tina téhnologi CCD pikeun low-lampu Imaging.
Naon Dupi hiji Sénsor EMCCD?
Sénsor Electron-Multiplying Charge-Coupled Device (EMCCD) mangrupikeun jinis sénsor CCD khusus anu ngagedékeun sinyal lemah sateuacan dibaca, ngamungkinkeun sensitipitas anu luhur pisan dina lingkungan anu cahayana rendah.
Mimitina dikembangkeun pikeun aplikasi sapertos astronomi sareng mikroskop canggih, EMCCD tiasa ngadeteksi foton tunggal, tugas anu diperjuangkeun ku sensor CCD tradisional. Kamampuhan pikeun ngadeteksi foton individu ngajadikeun EMCCD penting pikeun widang anu meryogikeun pencitraan anu tepat dina tingkat cahaya anu rendah pisan.
Kumaha Sénsor EMCCD Gawé?
Nepi ka titik maca, sénsor EMCCD beroperasi dina prinsip anu sami sareng sénsor CCD. Tapi, samemeh ngukur ku ADC, muatan nu dideteksi dikalikeun ngaliwatan prosés nu disebut impactionization, dina 'register multiplikasi éléktron'. Ngaliwatan runtuyan sababaraha ratus léngkah, muatan tina piksel dipindahkeun sapanjang runtuyan piksel masked dina tegangan tinggi. Unggal éléktron dina unggal léngkah boga kasempetan pikeun mawa éléktron tambahan. Sinyal ku kituna dikalikeun éksponénsial.
Hasil ahir tina EMCCD anu dikalibrasi saé nyaéta kamampuan pikeun milih jumlah rata-rata multiplikasi rata-rata, biasana sakitar 300 dugi ka 400 pikeun padamelan anu cahayana rendah. Ieu ngamungkinkeun sinyal nu dideteksi bisa dikalikeun jauh leuwih luhur batan noise maca kaméra urang, dina pangaruh ngurangan sora maca kaméra. Hanjakalna, sipat stokastik tina prosés multiplikasi ieu hartina unggal piksel dikalikeun ku jumlah anu béda, anu ngawanohkeun faktor noise tambahan, ngurangan rasio signal-to-noise (SNR) EMCCD.
Ieu ngarecahna kumaha sensor EMCCD beroperasi. Dugi ka Lengkah 6, prosésna sacara efektif sami sareng sénsor CCD.
Gambar: Prosés Readout pikeun sensor EMCCD
Dina ahir paparanana, sénsor EMCCD mimiti gancang ngalihkeun muatan anu dikumpulkeun ka sakumpulan piksel anu dimasker dina dimensi anu sami sareng susunan sénsitip cahaya (transper pigura). Lajeng, hiji baris dina hiji waktu, biaya dipindahkeun kana register readout. Hiji kolom dina hiji waktu, biaya dina register readout dibikeun ka register multiplication. Dina unggal tahapan register ieu (nepi ka 1000 tahap dina kaméra EMCCD nyata), unggal éléktron boga kasempetan leutik pikeun ngaleupaskeun hiji éléktron tambahan, ngalikeun sinyal éksponénsial. Dina tungtungna, sinyal dikalikeun dibaca kaluar.
1. Ngabersihan Biaya: Pikeun ngawitan akuisisi, muatan sakaligus diberesihan tina sakabeh sensor (jepret global).
2. Akumulasi muatan: Muatan accumulates salila paparan.
3. Panyimpenan muatan: Saatos paparan, muatan dikumpulkeun dipindahkeun ka wewengkon masked tina sensor, dimana aranjeunna tiasa ngantosan readout tanpa foton anyar kauninga foton keur diitung. Ieu mangrupikeun prosés 'Transfer Bingkai'.
4. Paparan pigura salajengna: Kalayan muatan nu dideteksi disimpen dina piksel masked, piksel aktip bisa ngamimitian paparan pigura salajengna (mode tumpang tindihna).
5. Prosés Readout: Hiji baris dina hiji waktu, biaya pikeun tiap baris pigura rengse dipindahkeun kana 'readout register'.
6. Hiji kolom dina hiji waktu, muatan ti unggal piksel anu shuttled kana titik readout.
7. Multiplikasi éléktron: Salajengna, sadaya muatan éléktron ti piksel asup kana register multiplication éléktron, sarta mindahkeun sapanjang step by step, ngalikeun jumlah éksponénsial dina unggal hambalan.
8. Bacakeun sing tarik: Sinyal dikalikeun dibaca ku ADC, sarta prosés diulang nepi ka sakabéh pigura dibaca kaluar.
Pro jeung kontra ngeunaan EMCCD Sénsor
Kaunggulan tina EMCCD Sénsor
| Kauntungannana | Katerangan |
| Poton cacah | Ndeteksi potoéléktron individu kalawan sora dibaca ultra-rendah (<0.2e⁻), sangkan sensitipitas foton tunggal. |
| Sensitipitas Ultra-Low-Cahaya | Nyata leuwih hade tinimbang CCDs tradisional, sakapeung ngaleuwihan malah kaméra sCMOS high-end dina tingkat cahaya pisan low. |
| Low Dark Ayeuna | Cooling jero ngurangan bising termal, sangkan gambar cleaner salila paparan panjang. |
| Rana 'Satengah-Global' | Mindahkeun pigura ngamungkinkeun paparan deukeut-global kalayan mindahkeun muatan gancang pisan (~1 mikrodetik). |
● cacah foton: Kalawan multiplication éléktron cukup luhur, noise dibaca bisa praktis ngaleungitkeun (<0.2e-). Ieu, sareng nilai gain anu luhur sareng efisiensi kuantum anu caket-sampurna, hartosna tiasa ngabédakeun potoéléktron individu.
● Sensitipitas Ultra-Low-Lampu: Dibandingkeun jeung CCDs, kinerja low-cahaya EMCCDs drastis hadé. Meureun aya sababaraha aplikasi nu EMCCD nyadiakeun kamampuhan deteksi hadé tur kontras malah ti sCMOS high-end dina tingkat cahaya panghandapna mungkin.
● Low Dark Ayeuna: Salaku kalawan CCDs, EMCCDs ilaharna leuwih tiis jero tur bisa nganteurkeun nilai ayeuna poék pisan low.
● Jepret 'Satengah Global': Prosés mindahkeun pigura pikeun ngamimitian jeung mungkas paparan teu sabenerna simultaneous, tapi ilaharna nyokot urutan 1 microseconds.
Kontra EMCCD Sénsor
| Kakurangan | Katerangan |
| Speed kawates | Laju pigura maksimum (~ 30 fps dina 1 MP) jauh leuwih laun batan alternatif CMOS modern. |
| Noise amplifikasi | Sifat acak tina multiplication éléktron ngawanohkeun kaleuwihan noise, ngurangan SNR. |
| Clock-Induced Charge (CIC) | Gerakan muatan gancang tiasa ngenalkeun sinyal palsu anu diamplifikasi. |
| Ngurangan rentang dinamis | Gain anu luhur ngirangan sinyal maksimal anu tiasa dicekel ku sensor sateuacan jenuh. |
| Ukuran piksel badag | Ukuran piksel umum (13–16 μm) bisa jadi teu saluyu jeung loba sarat sistem optik. |
| Sarat Cooling beurat | cooling jero stabil diperlukeun pikeun ngahontal multiplication konsisten tur noise low. |
| Kalibrasi Kabutuhan | gain EM degrades kana waktu (multiplication buruk), merlukeun calibration biasa. |
| Instabilitas Paparan pondok | Paparan anu sakedap pisan tiasa nyababkeun amplifikasi sareng sora anu teu kaduga. |
| Biaya luhur | Pabrikan kompléks sareng pendinginan jero ngajantenkeun sénsor ieu langkung mahal tibatan sCMOS. |
| Lifespan kawates | Register multiplikasi éléktron luntur, biasana tahan 5-10 taun. |
| Ékspor Tantangan | Tunduk kana peraturan anu ketat kusabab poténsi aplikasi militér. |
● Speed kawates: EMCCDs gancang nyadiakeun sabudeureun 30 fps dina 1 MP, sarupa jeung CCDs, urutan gedena leuwih laun ti kaméra CMOS.
● Noise bubuka: The 'faktor noise kaleuwihan' disababkeun ku multiplication éléktron acak, dibandingkeun jeung kaméra sCMOS low-noise kalawan efisiensi kuantum sarua, tiasa masihan EMCCDs noise drastis luhur gumantung kana tingkat sinyal. SNR pikeun high-end sCMOS ilaharna hadé pikeun sinyal sabudeureun 3e-, komo deui pikeun sinyal luhur.
● Clock-Induced Charge (CIC): Kacuali dikawasa sacara saksama, gerakan muatan dina sénsor tiasa ngenalkeun éléktron tambahan kana piksel. Noise ieu lajeng dikalikeun ku register multiplication éléktron. Laju gerakan muatan anu langkung luhur (laju jam) nyababkeun tingkat pigura anu langkung luhur, tapi langkung seueur CIC.
● Ngurangan rentang dinamis: Nilai multiplikasi éléktron kacida luhurna diperlukeun pikeun nungkulan EMCCD maca noise ngakibatkeun rentang dinamis loba ngurangan.
● Ukuran piksel badag: Ukuran piksel umum pangleutikna pikeun kaméra EMCCD nyaéta 10 μm, tapi 13 atanapi 16 μm paling umum. Ieu jauh teuing pikeun nyocogkeun sabagéan ageung syarat résolusi sistem optik.
● Syarat Calibration: Prosés multiplikasi éléktron ngagem kaluar EM register kalawan pamakéan, ngurangan kamampuhna pikeun ngalikeun dina prosés nu disebut 'busuk multiplikasi éléktron'. Ieu ngandung harti gain tina kaméra terus ngarobah, sarta kaméra merlukeun calibration biasa pikeun ngalakukeun sagala Imaging kuantitatif.
● Paparan anu teu konsisten dina waktos pondok: Lamun maké waktu paparan anu pohara pondok, kaméra EMCCD bisa ngahasilkeun hasil inconsistent sabab sinyal lemah meunang overwhelmed ku noise, sarta prosés amplifikasi ngenalkeun fluctuations statistik.
● Sarat Cooling beurat: Prosés multiplikasi éléktron dipangaruhan pisan ku suhu. Cooling sensor ngaronjatkeun multiplication éléktron sadia. Ku alatan éta, cooling sensor jero bari ngajaga stabilitas suhu jadi kritis kana ukuran EMCCD reproducible.
● ongkos tinggi: Kasusah pembuatan sensor multi-komponén ieu, digabungkeun jeung cooling jero, ngabalukarkeun harga ilaharna leuwih luhur ti kualitas pangluhurna kaméra sensor sCMOS.
● Lifespan kawates: buruk multiplication éléktron nempatkeun wates dina hirupna sensor mahal ieu biasana 5-10 taun, gumantung kana tingkat pamakéan.
● Ékspor Tantangan: Impor sareng ékspor sénsor EMCCD condong nangtang logistik kusabab poténsial dianggo dina aplikasi militér.
Naha EMCCD Nyaeta Panerus ka CCD
| Fitur | CCD | EMCCD |
| Sensitipitas | Luhur | Ultra-luhur (utamana lampu low) |
| Noise Readout | Sedeng | Kacida handapna (kusabab gain) |
| Rentang dinamis | Luhur | Sedeng (diwatesan ku gain) |
| Ongkos | Handapeun | Leuwih luhur |
| Niiskeun | Pilihan | Ilaharna diperlukeun pikeun kinerja optimal |
| Paké Kasus | Pencitraan umum | Cahaya lemah, deteksi foton tunggal |
Sensor EMCCD ngawangun téknologi CCD tradisional ku cara ngahijikeun léngkah multiplikasi éléktron. Ieu ningkatkeun kamampuan pikeun ngagedékeun sinyal anu lemah sareng ngirangan bising, ngajantenkeun EMCCD janten pilihan anu dipikaresep pikeun aplikasi pencitraan cahaya-rendah pisan dimana sensor CCD pondok.
Aplikasi konci EMCCD Sénsor
Sensor EMCCD biasana dianggo dina widang ilmiah sareng industri anu peryogi sensitipitas anu luhur sareng kamampuan pikeun ngadeteksi sinyal samar:
● Hirup Élmu Bayangkeung: Kanggo aplikasi sapertos mikroskop fluoresensi molekul tunggal sareng mikroskopi fluoresensi refleksi internal total (TIRF).
● Astronomi: Dipaké pikeun motret cahaya samar ti béntang jauh, galaksi, jeung panalungtikan exoplanet.
● Optik kuantum: Pikeun entanglement foton jeung ékspérimén informasi kuantum.
● Forensik jeung Kaamanan: Pagawean dina panjagaan low-lampu jeung analisis bukti renik.
● spéktroskopi: Dina spéktroskopi Raman jeung deteksi fluoresensi low-inténsitas.
Iraha Anjeun Kudu Pilih Sénsor EMCCD?
Kalayan perbaikan sénsor CMOS dina taun-taun ayeuna, kauntungan maca sora sensor EMCCD parantos ngirangan sabab ayeuna bahkan kaméra sCMOS sanggup maca sora subéléktron, sareng sajumlah ageung kauntungan anu sanés. Lamun hiji aplikasi saméméhna geus dipaké EMCCDs, éta ogé patut reviewing naha ieu téh pilihan pangalusna dibikeun kamajuan dina sCMOS.
Dina sajarahna, EMCCD masih bisa ngalakukeun cacah foton leuwih suksés, bareng jeung sababaraha aplikasi niche séjén kalawan tingkat sinyal has kirang ti 3-5e- per piksel dina puncak. Padahal, kalayan ukuran piksel anu langkung ageung sareng sora maca sub-éléktron sayogi sayogikaméra ilmiahdumasar kana téhnologi sCMOS, éta mungkin aplikasi ieu ogé bisa geura-giru dipigawé kalawan sCMOS high-end.
FAQs
Naon Waktos Paparan Minimum pikeun Kaméra Transfer Frame?
Pikeun sakabéh sensor mindahkeun pigura, kaasup EMCCDs, sual waktos paparan minimum mungkin mangrupakeun pajeulit. Pikeun akuisisi gambar tunggal, paparan tiasa ditungtungan ku ngacak biaya anu dicandak ka daérah masked pikeun maca gancang pisan, sareng waktos paparan minimum anu pondok (sub-mikrodetik) mungkin.
Tapi, pas kaméra ngalir dina laju pinuh, ieacquiring sababaraha pigura / pilem dina laju pigura pinuh, pas gambar munggaran rengse exposing, wewengkon masked dikawasaan ku pigura nepi ka readout réngsé. Ku kituna paparan teu bisa mungkas. Ieu ngandung harti yén, henteu paduli waktos paparan anu dipénta dina parangkat lunak, waktos paparan nyata pigura-pigura anu saenggeusna saatos mimiti akuisisi multi-pigura full-speed dirumuskeun ku waktos pigura, nyaéta 1 / Frame Rate, tina kaméra.
Naha Téhnologi sCMOS Ngaganti Sénsor EMCCD?
Kaméra EMCCD ngagaduhan dua spésifikasi anu ngabantosan nahan kauntungan dina skenario pencitraan cahaya anu ekstrim (kalayan tingkat sinyal puncak 5 fotoéléktron atanapi kirang). Firstly, piksel badag maranéhanana, nepi ka 16 μm, sarta kadua maranéhna <1e-baca noise.
Generasi anyar tinakaméra sCMOSgeus mecenghul nu nawarkeun ieu ciri anu sarua, tanpa loba drawbacks of EMCCDs, utamana faktor kaleuwihan noise. Kaméra sapertos Aries 16 ti Tucsen nawiskeun 16 μm piksel anu dicaangan deui kalayan sora maca 0.8e-. Kalawan noise lemah sareng piksel badag 'asli', kaméra ieu ogé outperform lolobana kaméra sCMOS binned, alatan hubungan antara binning jeung noise maca.
Upami anjeun hoyong langkung seueur ngeunaan EMCCD, mangga klik:
Naha EMCCD tiasa Diganti sareng Naha Urang Sok Hayang Éta?
Tucsen Photonics Co., Ltd Sadaya hak ditangtayungan. Nalika ngutip, mangga terang sumberna:www.tucsen.com
