25/08/01Sensorer ya CCD ya Kuzidisha Elektroni ni mageuzi ya kitambuzi cha CCD ili kuruhusu utendakazi wa chini wa mwanga. Kwa kawaida hulengwa kwa mawimbi ya elektroni mia chache, hadi kiwango cha kuhesabu fotoni.
Makala haya yanafafanua vitambuzi vya EMCCD ni nini, jinsi zinavyofanya kazi, faida na hasara zake, na kwa nini vinazingatiwa kama mageuzi yanayofuata ya teknolojia ya CCD kwa upigaji picha wa mwanga mdogo.
Sensorer ya EMCCD ni nini?
Kihisi cha Kifaa Kinachozidisha Chaji cha Kielektroniki (EMCCD) ni aina maalum ya kitambuzi cha CCD ambacho hukuza mawimbi dhaifu kabla ya kusomwa, hivyo basi kuruhusu usikivu wa juu sana katika mazingira yenye mwanga mdogo.
Hapo awali iliundwa kwa ajili ya programu kama vile unajimu na hadubini ya hali ya juu, EMCCD zinaweza kugundua fotoni moja, kazi ambayo vitambuzi vya kitamaduni vya CCD vinatatizika. Uwezo huu wa kutambua fotoni mahususi hufanya EMCCD kuwa muhimu kwa sehemu zinazohitaji upigaji picha kwa usahihi chini ya viwango vya chini sana vya mwanga.
Sensorer za EMCCD Hufanya Kazije?
Hadi wakati wa kusoma, vitambuzi vya EMCCD hufanya kazi kwa kanuni sawa na vitambuzi vya CCD. Hata hivyo, kabla ya kipimo na ADC, gharama zilizogunduliwa huzidishwa kupitia mchakato unaoitwa impactionization, katika 'rejista ya kuzidisha elektroni'. Zaidi ya msururu wa hatua mia kadhaa, chaji kutoka kwa pikseli husogezwa kwenye safu ya saizi zilizofunikwa kwa volti ya juu. Kila elektroni katika kila hatua ina nafasi ya kuleta elektroni za ziada. Kwa hivyo ishara inazidishwa kwa kasi.
Matokeo ya mwisho ya EMCCD iliyosawazishwa vyema ni uwezo wa kuchagua kiasi sahihi cha kuzidisha wastani, kwa kawaida karibu 300 hadi 400 kwa kazi ya mwanga mdogo. Hii huwezesha mawimbi yaliyotambuliwa kuzidishwa zaidi ya sauti ya usomaji ya kamera, kwa hivyo kupunguza sauti ya kamera iliyosomwa. Kwa bahati mbaya, asili ya stochastic ya mchakato huu wa kuzidisha inamaanisha kuwa kila pikseli inazidishwa kwa kiasi tofauti, ambacho huleta kipengele cha ziada cha kelele, na kupunguza uwiano wa mawimbi kati ya mawimbi na kelele wa EMCCD (SNR).
Huu hapa ni muhtasari wa jinsi vitambuzi vya EMCCD hufanya kazi. Hadi Hatua ya 6, mchakato huo ni sawa na ule wa vitambuzi vya CCD.
Kielelezo: Mchakato wa kusoma kwa kihisi cha EMCCD
Mwishoni mwa kukaribia aliyeambukizwa, vitambuzi vya EMCCD kwanza huhamisha malipo yaliyokusanywa kwa haraka hadi safu iliyofunikwa ya pikseli zenye vipimo sawa na safu nyeti nyepesi (uhamishaji wa fremu). Kisha, safu mlalo moja baada ya nyingine, gharama huhamishwa hadi kwenye rejista ya kusoma. Safu wima moja kwa wakati, malipo ndani ya rejista ya kusoma hupitishwa kwenye rejista ya kuzidisha. Katika kila hatua ya rejista hii (hadi hatua 1000 katika kamera halisi za EMCCD), kila elektroni ina nafasi ndogo ya kutoa elektroni ya ziada, kuzidisha ishara kwa kasi. Mwishoni, ishara iliyozidishwa inasomwa.
1. Uondoaji wa malipo: Ili kuanza upatikanaji, malipo yanafutwa wakati huo huo kutoka kwa sensor nzima (shutter ya kimataifa).
2. Mkusanyiko wa Malipo: Chaji hujilimbikiza wakati wa kukaribia aliyeambukizwa.
3. Hifadhi ya malipo: Baada ya kukaribia aliyeambukizwa, gharama zinazokusanywa huhamishwa hadi eneo lililofunikwa la kitambuzi, ambapo zinaweza kusubiri kusomwa bila fotoni mpya zilizotambuliwa kuhesabiwa. Huu ni mchakato wa 'Uhamisho wa Fremu'.
4. Mfichuo wa Fremu Inayofuata: Pamoja na chaji zilizotambuliwa zilizohifadhiwa katika pikseli zilizofunikwa, pikseli zinazotumika zinaweza kuanza kufichuliwa kwa fremu inayofuata (hali ya kuingiliana).
5. Mchakato wa Kusoma: Safu mlalo moja kwa wakati, gharama za kila safu mlalo ya fremu iliyokamilishwa huhamishwa hadi kwenye 'rejista ya kusoma'.
6. Safu wima moja kwa wakati, chaji kutoka kwa kila pikseli huwekwa kwenye nodi ya kusoma.
7. Kuzidisha elektroni: Kisha, chaji zote za elektroni kutoka kwa pikseli huingia kwenye rejista ya kuzidisha elektroni, na kusonga pamoja hatua kwa hatua, ukizidisha nambari kwa kasi katika kila hatua.
8. Soma: Ishara iliyozidishwa inasomwa na ADC, na mchakato unarudiwa hadi sura nzima isomwe.
Faida na hasara za Sensorer za EMCCD
Faida za Sensorer za EMCCD
| Faida | Maelezo |
| Kuhesabu Photon | Hugundua elektroni mahususi zilizo na kelele ya chini kabisa ya usomaji (<0.2e⁻), inayowasha usikivu wa fotoni moja. |
| Unyeti wa Mwanga wa Chini Zaidi | Bora zaidi kuliko CCD za jadi, wakati mwingine hupita hata kamera za hali ya juu za sCMOS katika viwango vya chini sana vya mwanga. |
| Hali ya Giza ya Chini | Ubaridi mwingi hupunguza kelele ya joto, kuwezesha picha safi wakati wa kukaribia kwa muda mrefu. |
| Shutter ya 'Nusu-Dunia' | Uhamishaji wa fremu huruhusu udhihirisho wa karibu wa kimataifa kwa kuhamisha chaji kwa haraka sana (~ sekunde 1). |
● Kuhesabu Fotoni: Kwa kuzidisha kwa kutosha kwa elektroni, kelele inayosomwa inaweza kuondolewa kivitendo (<0.2e-). Hii, pamoja na thamani ya juu ya faida na ufanisi wa karibu wa quantum, inamaanisha kuwa kutofautisha photoelectrons binafsi kunawezekana.
● Unyeti wa Mwanga wa Chini Zaidi: Ikilinganishwa na CCD, utendakazi wa mwanga mdogo wa EMCCDs ni bora zaidi. Huenda kukawa na baadhi ya programu ambapo EMCCD hutoa uwezo bora wa kutambua na kutofautisha hata kuliko sCMOS ya hali ya juu katika viwango vya chini kabisa vya mwanga.
● Hali ya Giza ya Chini: Kama ilivyo kwa CCD, EMCCDs kwa kawaida zimepozwa kwa kina na zinaweza kutoa thamani za chini sana za giza za sasa.
● Shutter ya 'Half Global': Mchakato wa kuhamisha fremu ili kuanza na kukomesha kukaribia aliyeambukizwa si kwa wakati mmoja, lakini kwa kawaida huchukua mpangilio wa sekunde 1.
Hasara za Sensorer za EMCCD
| Hasara | Maelezo |
| Kasi ndogo | Viwango vya juu vya fremu (~ ramprogrammen 30 katika MP 1) ni polepole zaidi kuliko vibadala vya kisasa vya CMOS. |
| Kelele ya Kukuza | Asili nasibu ya kuzidisha elektroni huleta kelele nyingi, na hivyo kupunguza SNR. |
| Ada ya Saa (CIC) | Mwendo wa malipo ya haraka unaweza kuanzisha ishara za uwongo ambazo huimarishwa. |
| Safu Inayobadilika Iliyopunguzwa | Faida kubwa hupunguza mawimbi ya juu ambayo kihisi kinaweza kushughulikia kabla ya kueneza. |
| Ukubwa wa Pixel Kubwa | Ukubwa wa saizi za pikseli (13–16 μm) huenda zisilingane na mahitaji mengi ya mfumo wa macho. |
| Mahitaji ya Kupoeza Nzito | Ubaridi thabiti wa kina unahitajika ili kufikia kuzidisha mara kwa mara na kelele ya chini. |
| Mahitaji ya Urekebishaji | Faida ya EM huharibika baada ya muda (uozo wa kuzidisha), ikihitaji urekebishaji wa kawaida. |
| Kukosekana kwa Uthabiti wa Mfiduo wa Muda mfupi | Mfiduo mfupi sana unaweza kusababisha ukuzaji wa mawimbi na kelele usiotabirika. |
| Gharama ya Juu | Utengenezaji tata na upoezaji wa kina hufanya vitambuzi hivi kuwa ghali zaidi kuliko sCMOS. |
| Muda wa Maisha Mdogo | Rejista ya kuzidisha elektroni huchakaa, kwa kawaida hudumu miaka 5-10. |
| Changamoto za kuuza nje | Kwa mujibu wa kanuni kali kutokana na uwezekano wa maombi ya kijeshi. |
● Kasi ndogo: EMCCD za haraka hutoa takriban ramprogrammen 30 kwa MP 1, sawa na CCDs, maagizo ya ukubwa wa polepole kuliko kamera za CMOS.
● Utangulizi wa Kelele: 'Kipengele cha kelele cha ziada' kinachosababishwa na kuzidisha kwa elektroni bila mpangilio, ikilinganishwa na kamera ya sCMOS yenye kelele ya chini na ufanisi sawa wa quantum, inaweza kuzipa EMCCD kelele za juu zaidi kulingana na viwango vya mawimbi. SNR ya sCMOS ya hali ya juu kwa kawaida ni bora kwa mawimbi ya karibu 3e-, hata zaidi kwa mawimbi ya juu zaidi.
● Chaji Inayotokana na Saa (CIC): Isipokuwa kudhibitiwa kwa uangalifu, uhamishaji wa chaji kwenye kihisi unaweza kuanzisha elektroni za ziada kuwa saizi. Kelele hii basi huzidishwa na rejista ya kuzidisha elektroni. Kasi ya juu ya chaji (viwango vya saa) husababisha viwango vya juu vya fremu, lakini CIC zaidi.
● Safu Inayobadilika Iliyopunguzwa: Thamani za juu sana za kuzidisha elektroni zinazohitajika ili kushinda kelele ya kusoma ya EMCCD husababisha kupunguzwa kwa anuwai ya nguvu.
● Ukubwa wa Pixel Kubwa: Ukubwa mdogo wa saizi ya kawaida ya kamera za EMCCD ni 10 μm, lakini 13 au 16 μm ndio unaojulikana zaidi. Hii ni kubwa sana kuendana na mahitaji mengi ya utatuzi wa mifumo ya macho.
● Mahitaji ya Kurekebisha: Mchakato wa kuzidisha elektroni huchakaza rejista ya EM kwa matumizi, na hivyo kupunguza uwezo wake wa kuzidisha katika mchakato unaoitwa 'uozo wa kuzidisha elektroni'. Hii inamaanisha kuwa faida ya kamera inabadilika kila mara, na kamera inahitaji urekebishaji wa mara kwa mara ili kutekeleza upigaji picha wa kiasi.
● Mfiduo Usio Thabiti kwa Muda Mfupi: Wakati wa kutumia muda mfupi sana wa kukaribia aliyeambukizwa, kamera za EMCCD zinaweza kutoa matokeo yasiyolingana kwa sababu mawimbi hafifu huzidiwa na kelele, na mchakato wa ukuzaji huleta mabadiliko ya takwimu.
● Mahitaji ya Kupoeza Nzito: Mchakato wa kuzidisha elektroni huathiriwa sana na halijoto. Kupoeza sensor huongeza uzidishaji wa elektroni unaopatikana. Kwa hivyo kupoeza kwa vitambuzi vya kina wakati wa kudumisha uthabiti wa halijoto ni muhimu kwa vipimo vya EMCCD vinavyoweza kuzaliana.
● Gharama kubwa: Ugumu wa utengenezaji wa vihisi hivi vya vipengele vingi, pamoja na upunguzaji joto wa kina, husababisha bei kwa kawaida kuwa ya juu kuliko kamera za sCMOS za ubora wa juu zaidi.
● Maisha Mafupi: Uozo wa kuzidisha elektroni huweka kikomo kwa maisha ya vitambuzi hivi vya gharama ya kawaida miaka 5-10, kulingana na kiwango cha matumizi.
● Changamoto za kuuza nje: Uagizaji na usafirishaji wa vitambuzi vya EMCCD huwa na changamoto za kiufundi kutokana na uwezekano wa kutumiwa katika matumizi ya kijeshi.
Kwa nini EMCCD Ni Mrithi wa CCD
| Kipengele | CCD | EMCCD |
| Unyeti | Juu | Juu sana (hasa mwanga wa chini) |
| Soma Kelele | Wastani | Chini sana (kutokana na faida) |
| Safu Inayobadilika | Juu | Wastani (kupunguzwa na faida) |
| Gharama | Chini | Juu zaidi |
| Kupoa | Hiari | Kawaida inahitajika kwa utendaji bora |
| Tumia Kesi | Taswira ya jumla | Ugunduzi wa mwanga wa chini, wa fotoni moja |
Vihisi vya EMCCD huunda kwenye teknolojia ya jadi ya CCD kwa kujumuisha hatua ya kuzidisha elektroni. Hii huongeza uwezo wa kukuza mawimbi dhaifu na kupunguza kelele, na kufanya EMCCDs kuwa chaguo linalopendelewa kwa programu za upigaji picha za mwanga wa chini sana ambapo vitambuzi vya CCD vinapungukiwa.
Matumizi Muhimu ya Sensorer za EMCCD
Sensorer za EMCCD hutumiwa kwa kawaida katika nyanja za kisayansi na viwanda ambazo zinahitaji usikivu wa hali ya juu na uwezo wa kugundua ishara dhaifu:
● Imagin ya Sayansi ya Maishag: Kwa programu-tumizi kama vile hadubini ya mwanga wa molekuli moja na hadubini jumla ya uakisi wa ndani wa ndani (TIRF).
● Astronomia: Hutumika kunasa mwanga hafifu kutoka kwa nyota za mbali, galaksi na utafiti wa exoplanet.
● Quantum Optics: Kwa msongamano wa fotoni na majaribio ya habari ya kiasi.
● Uchunguzi wa Uchunguzi na Usalama: Kuajiriwa katika ufuatiliaji wa mwanga mdogo na uchanganuzi wa ushahidi.
● Spectroscopy: Katika spectroscopy ya Raman na ugunduzi wa umeme wa kiwango cha chini.
Je, ni lini unapaswa kuchagua Sensorer ya EMCCD?
Pamoja na maboresho ya vitambuzi vya CMOS katika miaka ya hivi karibuni, faida ya kelele ya kusoma ya vitambuzi vya EMCCD imepungua kwani sasa hata kamera za sCMOS zina uwezo wa kusoma kelele ya chini ya elektroni, pamoja na faida zingine nyingi. Ikiwa programu imetumia EMCCD hapo awali, inafaa kukagua kama hili ndilo chaguo bora zaidi kutokana na maendeleo katika sCMOS.
Kihistoria, EMCCDs bado zinaweza kufanya kuhesabu picha kwa ufanisi zaidi, pamoja na programu zingine chache za niche zilizo na viwango vya kawaida vya mawimbi chini ya 3-5e- kwa pikseli kwa kilele. Ingawa, na saizi kubwa za saizi na kelele ya kusoma ya elektroni ndogo inapatikana ndanikamera za kisayansikulingana na teknolojia ya sCMOS, kuna uwezekano programu hizi pia zinaweza kutekelezwa hivi karibuni na sCMOS ya hali ya juu.
Maswali Yanayoulizwa Mara kwa Mara
Je, ni Muda Gani wa Kima cha Chini wa Mfichuo kwa Kamera za Kuhamisha Fremu?
Kwa sensorer zote za uhamishaji wa fremu, pamoja na EMCCDs, swali la muda wa chini zaidi wa mfiduo ni ngumu. Kwa upataji wa picha moja, mwangaza unaweza kumalizwa kwa kuchanganya gharama zilizopatikana katika eneo lililofunikwa usomaji kwa haraka sana, na muda mfupi wa kufichua (sekunde ndogo) unawezekana.
Hata hivyo, pindi tu kamera inapotiririka kwa kasi kamili, yaani kupata fremu nyingi/filamu kwa kasi kamili ya fremu, pindi tu picha ya kwanza inapomaliza kufichua, eneo lililofichwa hutaliwa na fremu hiyo hadi usomaji ukamilike. mfiduo kwa hiyo hauwezi mwisho. Hii ina maana kwamba, bila kujali muda wa kukaribia aliyeambukizwa ulioombwa katika programu, muda halisi wa kukaribia aliyeambukizwa wa fremu zinazofuata baada ya upataji wa kasi kamili wa fremu nyingi hutolewa na muda wa fremu, yaani 1 / Kiwango cha Fremu, cha kamera.
Teknolojia ya sCMOS Inabadilisha Sensorer za EMCCD?
Kamera za EMCCD zilikuwa na vipimo viwili ambavyo vilisaidia kuhifadhi manufaa yao katika hali ya upigaji picha wa mwanga wa chini sana (zilizo na viwango vya juu vya mawimbi ya elektroni 5 au chini). Kwanza, saizi zao kubwa, hadi 16 μm, na pili kelele zao za <1e- kusoma.
Kizazi kipya chaKamera ya sCMOSimeibuka ambayo inatoa sifa hizi sawa, bila vikwazo vingi vya EMCCDs, hasa sababu ya ziada ya kelele. Kamera kama vile Aries 16 kutoka Tucsen hutoa pikseli 16 μm zilizoangaziwa nyuma na kelele ya kusoma ya 0.8e-. Kwa kelele ya chini na pikseli kubwa 'asili', kamera hizi pia hushinda kamera nyingi za sCMOS zilizofungwa, kutokana na uhusiano kati ya kelele za kufunga na kusoma.
Ikiwa unataka kujifunza zaidi kuhusu EMCCD, tafadhali bofya:
Je, EMCCD Inaweza Kubadilishwa Na Tungewahi Kutaka Hiyo?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Haki zote zimehifadhiwa. Unapotaja, tafadhali tambua chanzo:www.tucsen.com
