25/08/01Ang Electron-Multiplying CCD sensor ay isang ebolusyon ng CCD sensor upang payagan ang mas mababang operasyon ng liwanag. Karaniwang nilayon ang mga ito para sa mga signal ng ilang daang photoelectron, hanggang sa indibidwal na antas ng pagbibilang ng photon.
Ipinapaliwanag ng artikulong ito kung ano ang mga EMCCD sensor, kung paano gumagana ang mga ito, ang kanilang mga pakinabang at disadvantages, at kung bakit sila ay itinuturing na susunod na ebolusyon ng teknolohiyang CCD para sa low-light imaging.
Ano ang EMCCD Sensor?
Ang Electron-Multiplying Charge-Coupled Device (EMCCD) sensor ay isang espesyal na uri ng CCD sensor na nagpapalakas ng mahihinang signal bago ito basahin, na nagbibigay-daan para sa napakataas na sensitivity sa mga low-light na kapaligiran.
Sa una ay binuo para sa mga application tulad ng astronomy at advanced na mikroskopya, ang mga EMCCD ay maaaring makakita ng mga solong photon, isang gawain na pinaghihirapan ng mga tradisyonal na sensor ng CCD. Ang kakayahang makakita ng mga indibidwal na photon ay ginagawang mahalaga ang mga EMCCD para sa mga field na nangangailangan ng tumpak na imaging sa ilalim ng napakababang antas ng liwanag.
Paano Gumagana ang EMCCD Sensors?
Hanggang sa punto ng pagbabasa, ang mga sensor ng EMCCD ay gumagana sa parehong mga prinsipyo tulad ng mga sensor ng CCD. Gayunpaman, bago ang pagsukat gamit ang ADC, ang mga nakitang singil ay pinaparami sa pamamagitan ng prosesong tinatawag na impactionization, sa isang 'electron multiplication register'. Sa isang serye ng ilang daang hakbang, ang mga singil mula sa isang pixel ay inililipat kasama ng isang serye ng mga naka-mask na pixel sa mataas na boltahe. Ang bawat elektron sa bawat hakbang ay may pagkakataong magdala ng karagdagang mga electron. Ang signal ay samakatuwid ay pinarami ng exponentially.
Ang huling resulta ng isang mahusay na naka-calibrate na EMCCD ay ang kakayahang pumili ng isang tumpak na dami ng average na multiplikasyon, karaniwang nasa 300 hanggang 400 para sa mahinang trabaho. Ito ay nagbibigay-daan sa mga signal na natukoy na ma-multiply nang mas mataas kaysa sa nabasang ingay ng camera, sa epekto ay binabawasan ang nabasang ingay ng camera. Sa kasamaang palad, ang stochastic na katangian ng proseso ng pagpaparami na ito ay nangangahulugan na ang bawat pixel ay pinarami ng ibang halaga, na nagpapakilala ng karagdagang kadahilanan ng ingay, na nagpapababa sa signal-to-noise ratio (SNR) ng EMCCD.
Narito ang isang breakdown kung paano gumagana ang mga sensor ng EMCCD. Hanggang Hakbang 6, ang proseso ay epektibong pareho sa para sa mga sensor ng CCD.
Figure: Proseso ng pagbabasa para sa EMCCD sensor
Sa pagtatapos ng kanilang pagkakalantad, ang mga sensor ng EMCCD ay unang mabilis na naglilipat ng mga nakolektang singil sa isang masked array ng mga pixel na kapareho ng mga sukat ng light sensitive array (frame transfer). Pagkatapos, isang row sa isang pagkakataon, ang mga singil ay inililipat sa isang readout register. Isang column sa isang pagkakataon, ang mga singil sa loob ng readout register ay ipinapasa sa isang multiplication register. Sa bawat yugto ng rehistrong ito (hanggang sa 1000 yugto sa mga totoong EMCCD camera), ang bawat electron ay may maliit na pagkakataong maglabas ng karagdagang electron, na nagpaparami ng signal ng exponentially. Sa dulo, binabasa ang multiplied na signal.
1. Pag-clear ng Singilin: Upang simulan ang pagkuha, ang singil ay sabay-sabay na na-clear mula sa buong sensor (global shutter).
2. Pag-iipon ng Singilin: Naiipon ang singil sa panahon ng pagkakalantad.
3. Imbakan ng Singilin: Pagkatapos ng pagkakalantad, ang mga nakolektang singil ay inilipat sa isang masked area ng sensor, kung saan maaari silang maghintay ng readout nang hindi binibilang ang mga bagong photon na nakitang photon. Ito ang proseso ng 'Frame Transfer'.
4. Susunod na Frame Exposure: Sa mga natukoy na singil na naka-imbak sa mga naka-mask na pixel, maaaring simulan ng mga aktibong pixel ang pagkakalantad ng susunod na frame (overlap mode).
5. Proseso ng Pagbasa: Isang hilera sa isang pagkakataon, ang mga singil para sa bawat hilera ng natapos na frame ay inililipat sa isang 'readout register'.
6. Isang column sa isang pagkakataon, ang mga singil mula sa bawat pixel ay dinadala sa readout node.
7. Pagpaparami ng Electron: Susunod, ang lahat ng mga singil ng elektron mula sa pixel ay pumapasok sa rehistro ng pagpaparami ng elektron, at gumagalaw nang sunud-sunod, na dumarami nang exponentially sa bawat hakbang.
8. Readout: Ang multiplied na signal ay binabasa ng ADC, at ang proseso ay paulit-ulit hanggang ang buong frame ay nabasa.
Mga Kalamangan at Kahinaan ng EMCCD Sensors
Mga Pros ng EMCCD Sensors
| Advantage | Paglalarawan |
| Pagbibilang ng Photon | Nakikita ang mga indibidwal na photoelectron na may napakababang read noise (<0.2e⁻), na nagpapagana ng single-photon sensitivity. |
| Ultra-Low-Light Sensitivity | Kapansin-pansing mas mahusay kaysa sa tradisyonal na mga CCD, kung minsan ay nahihigitan kahit na ang mga high-end na sCMOS camera sa napakababang antas ng liwanag. |
| Mababang Madilim na Agos | Binabawasan ng malalim na paglamig ang thermal noise, na nagbibigay-daan sa mas malinis na mga larawan sa mahabang pagkakalantad. |
| 'Half-Global' Shutter | Ang paglipat ng frame ay nagbibigay-daan sa malapit-global na pagkakalantad na may napakabilis na paglilipat ng singil (~1 microsecond). |
● Pagbibilang ng Photon: Sa sapat na mataas na pagpaparami ng elektron, ang ingay sa pagbasa ay maaaring halos maalis (<0.2e-). Ito, kasama ng mataas na halaga ng nakuha at malapit sa perpektong kahusayan sa kabuuan, ay nangangahulugan na ang pagkilala sa mga indibidwal na photoelectron ay posible.
● Ultra-Low-Light Sensitivity: Kung ikukumpara sa mga CCD, ang mababang-ilaw na pagganap ng mga EMCCD ay lubhang mas mahusay. Maaaring may ilang application kung saan nagbibigay ang EMCCD ng mas mahusay na kakayahan sa pag-detect at contrast kahit na sa high-end na sCMOS sa pinakamababang posibleng antas ng liwanag.
● Mababang Madilim na Agos: Tulad ng sa mga CCD, ang mga EMCCD ay karaniwang malalim na pinalamig at nakakapaghatid ng napakababang madilim na kasalukuyang mga halaga.
● 'Half Global' Shutter: Ang proseso ng paglilipat ng frame upang simulan at tapusin ang pagkakalantad ay hindi tunay na sabay-sabay, ngunit karaniwang tumatagal sa pagkakasunud-sunod ng 1 microsecond.
Kahinaan ng EMCCD Sensors
| Disadvantage | Paglalarawan |
| Limitadong Bilis | Ang mga maximum na frame rate (~30 fps sa 1 MP) ay mas mabagal kaysa sa mga modernong alternatibong CMOS. |
| Ingay ng Amplification | Ang random na katangian ng pagpaparami ng elektron ay nagpapakilala ng labis na ingay, na binabawasan ang SNR. |
| Clock-Induced Charge (CIC) | Ang paggalaw ng mabilis na pag-charge ay maaaring magpasok ng mga maling signal na lumalakas. |
| Pinababang Dynamic na Saklaw | Binabawasan ng mataas na nakuha ang maximum na signal na kayang hawakan ng sensor bago mag-saturate. |
| Malaking Laki ng Pixel | Ang mga karaniwang laki ng pixel (13–16 μm) ay maaaring hindi tumutugma sa maraming kinakailangan sa optical system. |
| Kinakailangan ng Malakas na Paglamig | Ang matatag na malalim na paglamig ay kinakailangan upang makamit ang pare-parehong pagpaparami at mababang ingay. |
| Mga Pangangailangan sa Pag-calibrate | Ang EM gain ay bumababa sa paglipas ng panahon (multiplication decay), na nangangailangan ng regular na pagkakalibrate. |
| Maikling Exposure Kawalang-tatag | Ang mga napakaikling exposure ay maaaring magdulot ng hindi inaasahang pagpapalakas ng signal at ingay. |
| Mataas na Gastos | Ang kumplikadong pagmamanupaktura at malalim na paglamig ay ginagawang mas mahal ang mga sensor na ito kaysa sa sCMOS. |
| Limitadong Buhay | Ang rehistro ng pagpaparami ng elektron ay nawawala, karaniwang tumatagal ng 5-10 taon. |
| Mga Hamon sa Pag-export | Napapailalim sa mahigpit na mga regulasyon dahil sa mga potensyal na aplikasyon ng militar. |
● Limitadong Bilis: Ang mga mabilis na EMCCD ay nagbibigay ng humigit-kumulang 30 fps sa 1 MP, katulad ng mga CCD, mga order ng magnitude na mas mabagal kaysa sa mga CMOS camera.
● Panimula ng Ingay: Ang 'excess noise factor' na dulot ng random na pagpaparami ng electron, kumpara sa isang low-noise sCMOS camera na may parehong quantum efficiency, ay maaaring magbigay sa mga EMCCD ng mas mataas na ingay depende sa mga antas ng signal. Ang SNR para sa high-end na sCMOS ay karaniwang mas mahusay para sa mga signal na humigit-kumulang 3e-, lalo na para sa mas matataas na signal.
● Clock-Induced Charge (CIC): Maliban kung maingat na kinokontrol, ang paggalaw ng mga singil sa buong sensor ay maaaring magpasok ng mga karagdagang electron sa mga pixel. Ang ingay na ito ay pinarami ng electron multiplication register. Ang mas mataas na bilis ng paggalaw ng charge (mga clock rate) ay humahantong sa mas mataas na frame rate, ngunit mas maraming CIC.
● Pinababang Dynamic na Saklaw: Ang napakataas na mga halaga ng pagpaparami ng elektron na kinakailangan upang madaig ang EMCCD read noise ay humantong sa mas pinababang dynamic range.
● Malaking Laki ng Pixel: Ang pinakamaliit na karaniwang sukat ng pixel para sa mga EMCCD camera ay 10 μm, ngunit 13 o 16 μm ang pinakakaraniwan. Ito ay napakalaki upang tumugma sa karamihan ng mga kinakailangan sa resolusyon ng optical system.
● Mga Kinakailangan sa Pag-calibrate: Ang proseso ng pagpaparami ng elektron ay naubos ang rehistro ng EM sa paggamit, na binabawasan ang kakayahang dumami sa prosesong tinatawag na 'electron multiplication decay'. Nangangahulugan ito na ang nakuha ng camera ay patuloy na nagbabago, at ang camera ay nangangailangan ng regular na pagkakalibrate upang maisagawa ang anumang quantitative imaging.
● Hindi pare-parehong Exposure sa Maiikling Panahon: Kapag gumagamit ng napakaikling oras ng pagkakalantad, ang mga EMCCD camera ay maaaring makagawa ng mga hindi pare-parehong resulta dahil ang mahinang signal ay napupuno ng ingay, at ang proseso ng amplification ay nagpapakilala ng mga pagbabago sa istatistika.
● Kinakailangan ng Malakas na Paglamig: Ang proseso ng pagpaparami ng elektron ay malakas na naiimpluwensyahan ng temperatura. Ang paglamig ng sensor ay nagpapataas ng magagamit na pagpaparami ng elektron. Samakatuwid, ang malalim na paglamig ng sensor habang pinapanatili ang katatagan ng temperatura ay samakatuwid ay kritikal sa mga reproducible na pagsukat ng EMCCD.
● Mataas na gastos: Ang kahirapan sa paggawa ng mga multi-component na sensor na ito, na sinamahan ng malalim na paglamig, ay humahantong sa mga presyong karaniwang mas mataas kaysa sa pinakamataas na kalidad ng sCMOS sensor camera.
● Limitadong habang-buhay: Ang pagkabulok ng pagpaparami ng elektron ay naglalagay ng limitasyon sa buhay ng mga mamahaling sensor na ito na karaniwang 5-10 taon, depende sa antas ng paggamit.
● Mga Hamon sa Pag-export: Ang pag-import at pag-export ng mga sensor ng EMCCD ay malamang na mapaghamong logistik dahil sa potensyal na paggamit ng mga ito sa mga aplikasyong militar.
Bakit Ang EMCCD ang Successor sa CCD
| Tampok | CCD | EMCCD |
| pagiging sensitibo | Mataas | Napakataas (lalo na ang mahinang ilaw) |
| Readout Ingay | Katamtaman | Napakababa (dahil sa makakuha) |
| Dynamic na Saklaw | Mataas | Katamtaman (nililimitahan ng pakinabang) |
| Gastos | Ibaba | Mas mataas |
| Paglamig | Opsyonal | Karaniwang kinakailangan para sa pinakamainam na pagganap |
| Use Cases | Pangkalahatang imaging | Low-light, single-photon detection |
Ang mga sensor ng EMCCD ay bumubuo sa tradisyonal na teknolohiyang CCD sa pamamagitan ng pagsasama ng isang hakbang sa pagpaparami ng elektron. Pinahuhusay nito ang kakayahang palakasin ang mahihinang signal at bawasan ang ingay, na ginagawang mas pinili ang mga EMCCD para sa napakababang ilaw na mga aplikasyon ng imaging kung saan kulang ang mga sensor ng CCD.
Mga Pangunahing Aplikasyon ng EMCCD Sensors
Ang mga sensor ng EMCCD ay karaniwang ginagamit sa mga pang-agham at industriyal na larangan na nangangailangan ng mataas na sensitivity at kakayahang makakita ng mga mahinang signal:
● Life Science Imagineg: Para sa mga application tulad ng single-molecule fluorescence microscopy at total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy.
● Astronomiya: Ginagamit para sa pagkuha ng mahinang liwanag mula sa malalayong bituin, kalawakan, at pananaliksik sa exoplanet.
● Quantum Optics: Para sa photon entanglement at quantum information experiments.
● Forensics at Seguridad: Nagtatrabaho sa low-light surveillance at trace evidence analysis.
● Spectroscopy: Sa Raman spectroscopy at low-intensity fluorescence detection.
Kailan Mo Dapat Pumili ng EMCCD Sensor?
Sa mga pagpapahusay sa mga sensor ng CMOS sa mga nakaraang taon, ang bentahe ng read noise ng mga sensor ng EMCCD ay nabawasan dahil ngayon kahit na ang mga sCMOS camera ay may kakayahang magbasa ng ingay ng subelectron, kasama ang isang malaking hanay ng iba pang mga benepisyo. Kung ang isang application ay dati nang gumamit ng mga EMCCD, sulit na suriin kung ito ang pinakamahusay na pagpipilian na ibinigay sa mga pagpapaunlad sa sCMOS.
Sa kasaysayan, ang mga EMCCD ay maaari pa ring magsagawa ng photon counting nang mas matagumpay, kasama ng ilang iba pang mga niche application na may karaniwang mga antas ng signal na mas mababa sa 3-5e- per pixel sa peak. Gayunpaman, na may mas malalaking sukat ng pixel at sub-electron read noise na nagiging available samga siyentipikong kamerabatay sa teknolohiya ng sCMOS, posibleng ang mga application na ito ay maaari ring maisagawa sa lalong madaling panahon gamit ang high-end na sCMOS.
Mga FAQ
Ano ang Minimum na Oras ng Exposure para sa Mga Frame Transfer Camera?
Para sa lahat ng mga sensor ng paglilipat ng frame, kabilang ang mga EMCCD, ang tanong ng pinakamababang posibleng oras ng pagkakalantad ay isang kumplikado. Para sa iisang pagkuha ng larawan, maaaring tapusin ang exposure sa pamamagitan ng pag-shuffling ng mga nakuhang singil sa naka-mask na rehiyon para sa readout nang napakabilis, at posible ang maikli (sub-microsecond) na pinakamababang oras ng exposure.
Gayunpaman, sa sandaling mag-stream ang camera sa buong bilis, ieacquiring ng maramihang mga frame / isang pelikula sa buong frame rate, sa sandaling matapos ang unang larawan sa paglalantad, ang naka-mask na rehiyon ay inookupahan ng frame na iyon hanggang sa makumpleto ang readout. Ang pagkakalantad ay hindi maaaring matapos. Nangangahulugan ito na, hindi isinasaalang-alang ang oras ng pagkakalantad na hiniling sa software, ang totoong oras ng pagkakalantad ng mga kasunod na frame pagkatapos ng una sa isang full-speed multi-frame acquisition ay ibinibigay ng frame time, ibig sabihin, 1 / Frame Rate, ng camera.
Pinapalitan ba ng Teknolohiya ng sCMOS ang EMCCD Sensors?
Ang mga EMCCD camera ay may dalawang detalye na tumulong na mapanatili ang kanilang kalamangan sa mga senaryo ng extreme-lowlight na imaging (na may pinakamataas na antas ng signal na 5 photoelectron o mas kaunti). Una, ang kanilang malalaking pixel, hanggang sa 16 μm, at pangalawa ang kanilang <1e-read na ingay.
Isang bagong henerasyon ngsCMOS cameraay lumitaw na nag-aalok ng parehong mga katangian, nang walang maraming mga disbentaha ng mga EMCCD, lalo na ang sobrang ingay na kadahilanan. Ang mga camera tulad ng Aries 16 mula sa Tucsen ay nag-aalok ng 16 μm back-iluminated pixels na may read noise na 0.8e-. Sa mababang ingay at 'katutubong' malalaking pixel, ang mga camera na ito ay higit na mahusay sa karamihan ng mga binned na sCMOS camera, dahil sa kaugnayan sa pagitan ng binning at read noise.
Kung gusto mong matuto nang higit pa tungkol sa EMCCD, mangyaring i-click ang:
Maaari bang Palitan ang EMCCD At Gusto Natin Ba Niyan?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Nakalaan ang lahat ng karapatan. Kapag nagbabanggit, mangyaring kilalanin ang pinagmulan:www.tucsen.com
