25/08/01Сенсори Electron-Multiplying CCD як эволютсияи сенсори CCD мебошад, ки ба кори нури камтар имкон медиҳад. Онҳо одатан барои сигналҳои якчанд сад фотоэлектронҳо, то сатҳи инфиродии ҳисобкунии фотонҳо пешбинӣ шудаанд.
Ин мақола мефаҳмонад, ки сенсорҳои EMCCD чист, онҳо чӣ гуна кор мекунанд, афзалиятҳо ва нуқсонҳои онҳо ва чаро онҳо эволютсияи навбатии технологияи CCD барои тасвири нури кам ҳисобида мешаванд.
Сенсори EMCCD чист?
Таҷҳизоти зарбкунандаи барқи бо ҳам пайвастшуда (EMCCD) як навъи махсуси сенсори CCD мебошад, ки сигналҳои заифро пеш аз хондани онҳо афзоиш медиҳад ва имкон медиҳад, ки дар муҳити нури кам ҳассосияти бениҳоят баланд шавад.
Дар ибтидо барои барномаҳо, аз қабили астрономия ва микроскопияи пешрафта таҳия шудааст, EMCCDҳо метавонанд фотонҳои ягонаро муайян кунанд, вазифае, ки сенсорҳои анъанавии CCD бо он мубориза мебаранд. Ин қобилияти ошкор кардани фотонҳои инфиродӣ EMCCD-ро барои майдонҳое, ки тасвири дақиқро дар сатҳи хеле ками рӯшноӣ талаб мекунанд, муҳим месозад.
Сенсорҳои EMCCD чӣ гуна кор мекунанд?
То лаҳзаи хондан, сенсорҳои EMCCD дар ҳамон принсипҳое кор мекунанд, ки сенсорҳои CCD. Аммо, пеш аз андозагирӣ бо ADC, зарядҳои ошкоршуда тавассути раванде, ки импактизатсия ном дорад, дар "регистри зарбкунии электронҳо" зарб карда мешаванд. Зиёда аз як қатор садҳо қадамҳо, зарядҳо аз як пиксел дар як қатор пикселҳои ниқобшуда дар шиддати баланд интиқол дода мешаванд. Ҳар як электрон дар ҳар як қадам имкон дорад, ки электронҳои иловагӣ оварад. Аз ин рӯ, сигнал ба таври экспоненсиалӣ афзоиш меёбад.
Натиҷаи ниҳоии EMCCD-и хуб калибровкашуда қобилияти интихоби миқдори дақиқи зарбкунии миёна мебошад, ки маъмулан аз 300 то 400 барои кори сабук кам аст. Ин имкон медиҳад, ки сигналҳои ошкоршуда нисбат ба садои хондани камера хеле баландтар афзоиш дода шаванд ва дар асл садои хондани камераро коҳиш диҳанд. Мутаассифона, табиати стохастикии ин раванди зарб маънои онро дорад, ки ҳар як пиксел ба миқдори гуногун зарб карда мешавад, ки омили иловагии садоро ҷорӣ мекунад ва таносуби сигнал ба садои EMCCD (SNR) -ро коҳиш медиҳад.
Дар ин ҷо тавсифи он аст, ки сенсорҳои EMCCD чӣ гуна кор мекунанд. То Қадами 6, раванд ба таври муассир ҳамон тавре ки барои сенсорҳои CCD мебошад.
Тасвир: Раванди хондани сенсори EMCCD
Дар охири таъсири худ, сенсорҳои EMCCD аввал зарядҳои ҷамъшударо ба массиви ниқобшудаи пикселҳои ҳамон андозаҳо бо массиви ҳассос ба рӯшноӣ (интиқоли чаҳорчӯба) зуд интиқол медиҳанд. Сипас, як қатор дар як вақт, пардохтҳо ба феҳристи хониш интиқол дода мешаванд. Як сутун дар як вақт, пардохтҳо дар реестри хондан ба реестри зарб гузаронида мешаванд. Дар ҳар як марҳилаи ин реестр (то 1000 марҳила дар камераҳои воқеии EMCCD), ҳар як электрон имконияти хурди озод кардани электрони иловагӣ дорад, ки сигналро ба таври экспоненсиалӣ афзоиш медиҳад. Дар охир, сигнали зарбшуда хонда мешавад.
1. Тозакунии барқ: Барои оғози ба даст овардан, заряд ҳамзамон аз тамоми сенсор тоза карда мешавад (плавкаи глобалӣ).
2. Ҷамъоварии барқ: Ҳангоми таъсири барқ заряд ҷамъ мешавад.
3. Захираи барқ: Пас аз таъсир, зарядҳои ҷамъшуда ба як минтақаи ниқобшудаи сенсор интиқол дода мешаванд, ки дар он ҷо онҳо бидуни ҳисоб кардани фотонҳои нави ошкоршуда хонданро интизор мешаванд. Ин раванди "Интиқоли чаҳорчӯба" аст.
4. Экспозицияи навбатӣ: Бо зарядҳои ошкоршуда, ки дар пикселҳои ниқобшуда нигоҳ дошта мешаванд, пикселҳои фаъол метавонанд ба экспозицияи чаҳорчӯбаи навбатӣ оғоз кунанд (ҳолати такрорӣ).
5. Раванди хондан: Як сатр дар як вақт, пардохтҳо барои ҳар як сатри чаҳорчӯбаи тайёр ба 'регистри хондан' интиқол дода мешаванд.
6. Як сутун дар як вақт, зарядҳо аз ҳар як пиксел ба гиреҳи хондан интиқол дода мешаванд.
7. Зарбкунии электронҳо: Баъдан, ҳамаи зарядҳои электронии пиксел ба реестри зарбкунии электронҳо дохил мешаванд ва қадам ба қадам ҳаракат мекунанд ва дар ҳар як қадам ба таври экспоненсиалӣ адад зиёд мешаванд.
8. Баланд хондан, шумурдан: Сигнали зарбшуда аз ҷониби ADC хонда мешавад ва раванд то хондани тамоми чаҳорчӯба такрор карда мешавад.
Тарафҳои мусбат ва манфии сенсорҳои EMCCD
Тарафдори сенсорҳои EMCCD
| Афзалият | Тавсифи |
| Ҳисобкунии фотон | Фотоэлектронҳои инфиродӣ бо садои хониши ултра паст (<0,2e⁻) муайян карда, ҳассосияти якфотониро фароҳам меорад. |
| Ҳассосияти ултра-ба нур | Ба таври назаррас беҳтар аз CCD-ҳои анъанавӣ, баъзан ҳатто аз камераҳои баландсифати sCMOS дар сатҳи хеле пасти рӯшноӣ болотар аст. |
| Ҷараёни пасти торик | Сардшавии амиқ садои гармиро коҳиш медиҳад ва имкон медиҳад, ки тасвирҳои тозатар ҳангоми экспозицияҳои тӯлонӣ. |
| Пардаи 'Ним Глобалӣ' | Интиқоли чаҳорчӯба имкон медиҳад, ки таъсири қариб глобалӣ бо тағирёбии хеле зуд заряд (~1 микросония). |
● Ҳисобкунии фотон: Бо афзоиши кофӣ баланди электронҳо, садои хондан мумкин аст амалан бартараф карда шавад (<0,2e-). Ин дар баробари арзиши баланди фоида ва самаранокии қариб комили квантӣ маънои онро дорад, ки фарқ кардани фотоэлектронҳои инфиродӣ имконпазир аст.
● Ҳассосияти ултра-паст ба рӯшноӣ: Дар муқоиса бо CCDs, иҷрои нури ками EMCCDҳо ба таври назаррас беҳтар аст. Шояд баъзе замимаҳо вуҷуд дошта бошанд, ки дар он EMCCD қобилияти беҳтари муайянкунӣ ва контрастро ҳатто нисбат ба sCMOS-и баландсифат дар сатҳи пасттарини нур таъмин мекунад.
● Ҷараёни пасти торик: Мисли CCD-ҳо, EMCCDҳо одатан амиқ сард мешаванд ва қодиранд арзишҳои ҷараёни хеле пасти торикро расонанд.
● Пардаи 'Ним Глобалӣ': Раванди интиқоли чаҳорчӯба барои оғоз ва анҷом додани экспозитсия воқеан ҳамзамон нест, аммо маъмулан тартиби 1 микросонияро мегирад.
Камбудиҳои сенсорҳои EMCCD
| Камбудӣ | Тавсифи |
| Суръати маҳдуд | Меъёри максималии чаҳорчӯба (~30 fps дар 1 МП) нисбат ба алтернативаҳои муосири CMOS хеле сусттар аст. |
| Садои пурқувват | Табиати тасодуфии зарбкунии электронҳо садои зиёдатиро ба вуҷуд оварда, SNR-ро коҳиш медиҳад. |
| Пардохти бо соат (CIC) | Ҳаракати босуръати заряд метавонад сигналҳои бардурӯғро ҷорӣ кунад, ки афзоиш меёбанд. |
| Камшудаи диапазони динамикӣ | Фоидаи баланд сигнали максималиро, ки сенсор пеш аз сершавӣ идора карда метавонад, коҳиш медиҳад. |
| Андозаи пиксели калон | Андозаҳои маъмулии пиксел (13–16 мкм) метавонанд бо бисёр талаботи системаи оптикӣ мувофиқат накунанд. |
| Талаботи сардшавии шадид | Барои ноил шудан ба афзоиши пайваста ва садои паст сардшавии устувори амиқ лозим аст. |
| Эҳтиёҷоти калибрченкунӣ | Афзоиши EM бо мурури замон коҳиш меёбад (фаношавии зарб), ки калибрченкунии мунтазамро талаб мекунад. |
| Ноустувории таъсири кӯтоҳ | Гӯшдории хеле кӯтоҳ метавонад боиси афзоиши пешгӯинашавандаи сигнал ва садо гардад. |
| Арзиши баланд | Истеҳсоли мураккаб ва хунуккунии амиқ ин сенсорҳоро нисбат ба sCMOS гаронтар мекунад. |
| Ҳаёти маҳдуд | Феҳристи зарбкунии электронҳо фарсуда мешавад, ки одатан 5-10 сол давом мекунад. |
| Мушкилоти содирот | Бо назардошти қоидаҳои эҳтимолии ҳарбӣ. |
● Суръати маҳдуд: EMCCD-ҳои зуд дар 1 МП тақрибан 30 кадр / сонияро таъмин мекунанд, ки ба CCD-ҳо монанданд, нисбат ба камераҳои CMOS дараҷаи бузургтар сусттар аст.
● Муқаддимаи садо: "Омили садои зиёдатӣ", ки дар натиҷаи зарбкунии тасодуфии электронҳо ба вуҷуд омадааст, дар муқоиса бо камераи камсадои sCMOS бо ҳамон самаранокии квантӣ, метавонад вобаста ба сатҳи сигнал ба EMCCD садои баландтар диҳад. SNR барои sCMOS-и баландсифат одатан барои сигналҳои тақрибан 3e- беҳтар аст, ҳатто бештар барои сигналҳои баландтар.
● Пардохти аз соат вобаста (CIC): Агар бодиққат назорат карда нашавад, ҳаракати зарядҳо дар сенсор метавонад электронҳои иловагиро ба пикселҳо ворид кунад. Пас аз ин садо ба регистри зарбкунии электронҳо зарб карда мешавад. Суръати баландтари ҳаракати заряд (суръати соат) ба суръати баландтари кадрҳо оварда мерасонад, аммо бештар CIC.
● Камшудаи Диапазони динамикӣ: Қиматҳои хеле баланди зарбкунии электронҳо, ки барои бартараф кардани садои хондани EMCCD лозиманд, боиси хеле кам шудани диапазони динамикӣ мешаванд.
● Андозаи пиксели калон: Андозаи хурдтарин пикселҳои умумӣ барои камераҳои EMCCD 10 мкм аст, аммо 13 ё 16 мкм маъмултарин аст. Ин хеле калон аст, то ба талаботи ҳалли аксари системаҳои оптикӣ мувофиқат кунад.
● Талабот оид ба калибрченкунӣ: Раванди зарбкунии электронҳо регистри EM-ро бо истифода аз кор фарсуда, қобилияти зарб задани онро дар раванде, ки "фаношавии зарбкунии электронҳо" ном дорад, коҳиш медиҳад. Ин маънои онро дорад, ки фоидаи камера пайваста тағир меёбад ва камера барои иҷрои ҳама гуна тасвири миқдорӣ калибркунии мунтазамро талаб мекунад.
● Таъсири номувофиқ дар вақтҳои кӯтоҳ: Ҳангоми истифодаи вақти хеле кӯтоҳи экспозитсия, камераҳои EMCCD метавонанд натиҷаҳои номувофиқ ба даст оранд, зеро сигнали заиф аз садо фаро гирифта мешавад ва раванди пурқувваткунӣ тағйирёбии омориро ба вуҷуд меорад.
● Талаботи сардшавии шадид: Ба процесси зиёдшавии электронхо харорат таъсири сахт мерасонад. Хунук кардани сенсор миқдори электронии мавҷударо зиёд мекунад. Аз ин рӯ, сардшавии амиқи сенсор ҳангоми нигоҳ доштани устувории ҳарорат барои ченакҳои такроршавандаи EMCCD муҳим аст.
● Арзиши баланд: Мушкилии истеҳсоли ин сенсорҳои бисёрҷониба дар якҷоягӣ бо сардшавии амиқ боиси он мегардад, ки нархҳо одатан аз камераҳои сенсории sCMOS-и баландсифат баландтаранд.
● Давомнокии умри маҳдуд: Фасоиши зарбкунии электронҳо вобаста ба дараҷаи истифода умри ин сенсорҳои гаронбаҳоро одатан 5-10 сол маҳдуд мекунад.
● Мушкилоти содирот: Воридот ва содироти сенсорҳои EMCCD бо сабаби истифодаи эҳтимолии онҳо дар барномаҳои низомӣ аз ҷиҳати логистикӣ душвор аст.
Чаро EMCCD вориси CCD аст?
| Хусусият | CCD | EMCCD |
| Ҳассосият | Баланд | Ультра баланд (махсусан нури кам) |
| Садои хониш | Муътадил | Хеле паст (аз сабаби фоида) |
| Диапазони динамикӣ | Баланд | Мӯътадил (бо фоида маҳдуд) |
| Арзиш | Поёнтар | Баландтар |
| Хунуккунӣ | Ихтиёрӣ | Одатан барои иҷрои беҳтарин талаб карда мешавад |
| Ҳолатҳои истифода | Тасвири умумӣ | Муайянкунии нури кам, як фотон |
Сенсорҳои EMCCD дар технологияи анъанавии CCD бо ворид кардани қадами зарбкунии электронҳо сохта мешаванд. Ин қобилияти пурзӯр кардани сигналҳои заиф ва паст кардани садоро беҳтар мекунад ва EMCCD-ро барои барномаҳои тасвирии хеле камравшан интихоб мекунад, ки дар он сенсорҳои CCD кӯтоҳанд.
Барномаҳои асосии сенсорҳои EMCCD
Сенсорҳои EMCCD одатан дар соҳаҳои илмӣ ва саноатӣ истифода мешаванд, ки ҳассосияти баланд ва қобилияти муайян кардани сигналҳои сустро талаб мекунанд:
● Ҳаёт Тасаввурg: Барои барномаҳо ба монанди микроскопияи флуорессенси якмолекула ва микроскопияи умумии флуорессенси инъикоси дохилӣ (TIRF).
● Астрономия: Барои гирифтани нури заиф аз ситораҳои дур, галактикаҳо ва таҳқиқоти экзосайёра истифода мешавад.
● Оптикаи квантӣ: Барои таҷрибаҳои иттилоотии фотонҳо ва квантӣ.
● Криминалистика ва Амният: Дар назорати нури кам ва таҳлили далелҳои пайгирӣ истифода мешавад.
● Спектроскопия: Дар спектроскопияи Раман ва ошкоркунии флуоресценти паст.
Кай шумо бояд сенсори EMCCD-ро интихоб кунед?
Бо такмил додани сенсорҳои CMOS дар солҳои охир, бартарии садои хондани сенсорҳои EMCCD коҳиш ёфт, зеро ҳоло ҳатто камераҳои sCMOS қодиранд садои хондани зерэлектронӣ дар баробари як қатор бартариҳои дигар. Агар барнома қаблан EMCCD-ро истифода бурда бошад, хуб мебуд, тафтиш кардан лозим аст, ки оё ин беҳтарин интихобест, ки дар пешрафтҳои sCMOS аст.
Таърихан, EMCCD-ҳо метавонистанд ҳисобкунии фотонҳоро бомуваффақият иҷро кунанд ва дар баробари чанд барномаҳои дигари чароғдонаҳо бо сатҳҳои муқаррарии сигнали камтар аз 3-5e дар як пиксел дар авҷи авҷ. Бо вуҷуди он, ки бо андозаи калонтар пиксел ва садои хониши зерэлектронӣ дастрас мегардадкамераҳои илмӣдар асоси технологияи sCMOS, эҳтимол дорад, ки ин барномаҳо низ ба зудӣ бо sCMOS-и олӣ иҷро шаванд.
Саволҳо
Вақти ҳадди ақали экспозиция барои камераҳои интиқоли чаҳорчӯба чанд аст?
Барои ҳама сенсорҳои интиқоли чаҳорчӯба, аз ҷумла EMCCD, масъалаи ҳадди ақали вақти эҳтимолии эҳтимолӣ мушкил аст. Барои ба даст овардани як тасвир, экспозицияро тавассути омехта кардани зарядҳои бадастомада ба минтақаи ниқобшуда барои хондан хеле зуд анҷом додан мумкин аст ва вақти камтарини экспозитсия имконпазир аст.
Бо вуҷуди ин, вақте ки камера бо суръати пурра ҷараён мегирад, яъне чаҳорчӯбаи сершумор/филмро бо суръати пурраи кадрҳо ба даст меорад, ҳамин ки тасвири аввал фош ба охир мерасад, минтақаи ниқобшуда аз ҷониби он чаҳорчӯба то анҷоми хондан ишғол мешавад. Аз ин рӯ, экспозиция хотима дода наметавонад. Ин маънои онро дорад, ки новобаста аз вақти экспозитсияи дар нармафзор дархостшуда, вақти экспозицияи воқеии фоторамкаҳои минбаъда пас аз гирифтани аввалин суръати пурраи бисёркадрҳо бо вақти чаҳорчӯба, яъне 1 / Меъёри кадрҳои камера дода мешавад.
Оё технологияи sCMOS сенсорҳои EMCCD-ро иваз мекунад?
Камераҳои EMCCD ду мушаххасот доштанд, ки барои нигоҳ доштани бартарии онҳо дар сенарияҳои тасвири шадиди рӯшноӣ (бо сатҳи баландтарини сигнал аз 5 фотоэлектрон ё камтар) кӯмак мекарданд. Аввалан, пикселҳои калони онҳо, то 16 мкм, ва дуюм, садои хондани <1e.
Насли навикамераи sCMOSпайдо шуд, ки ин хусусиятҳоро бидуни камбудиҳои сершумори EMCCDs, махсусан омили садои зиёдатӣ пешниҳод мекунад. Камераҳо ба монанди Aries 16 аз Tucsen пикселҳои 16 мкм аз паси равшаншударо бо садои хониши 0.8e- пешниҳод мекунанд. Бо садои паст ва пикселҳои калон, ин камераҳо инчунин аз аксари камераҳои sCMOS-и ифлосшуда аз сабаби робитаи байни биннинг ва садои хондан бартарӣ доранд.
Агар шумо хоҳед, ки дар бораи EMCCD маълумоти бештар гиред, лутфан клик кунед:
Оё EMCCD-ро иваз кардан мумкин аст ва оё мо ягон вақт инро мехоҳем?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Ҳама ҳуқуқҳо ҳифз шудаанд. Ҳангоми истинод, лутфан манбаъро тасдиқ кунед:www.tucsen.com
