EMCCD سینسر: CCD کا کم روشنی والا جانشین |

الیکٹران ملٹیپلائنگ سی سی ڈی سینسر سی سی ڈی سینسر کا ایک ارتقاء ہے جو کم روشنی کو چلانے کی اجازت دیتا ہے۔ ان کا مقصد عام طور پر چند سو فوٹو الیکٹران کے سگنلز کے لیے ہوتا ہے، انفرادی فوٹوون کی گنتی کی سطح تک۔

یہ مضمون بتاتا ہے کہ EMCCD سینسر کیا ہیں، وہ کیسے کام کرتے ہیں، ان کے فوائد اور نقصانات، اور انہیں کم روشنی والی امیجنگ کے لیے CCD ٹیکنالوجی کا اگلا ارتقا کیوں سمجھا جاتا ہے۔

EMCCD سینسر کیا ہے؟

الیکٹران ملٹی پلائنگ چارج کپپلڈ ڈیوائس (EMCCD) سینسر ایک مخصوص قسم کا CCD سینسر ہے جو کمزور سگنلز کو پڑھے جانے سے پہلے بڑھا دیتا ہے، جس سے کم روشنی والے ماحول میں انتہائی حساسیت پیدا ہوتی ہے۔

ابتدائی طور پر فلکیات اور جدید مائیکروسکوپی جیسی ایپلی کیشنز کے لیے تیار کیا گیا، EMCCDs سنگل فوٹون کا پتہ لگاسکتے ہیں، ایسا کام جس کے ساتھ روایتی CCD سینسر جدوجہد کرتے ہیں۔ انفرادی فوٹونز کا پتہ لگانے کی یہ صلاحیت EMCCDs کو ان فیلڈز کے لیے اہم بناتی ہے جن کو بہت کم روشنی کی سطح کے تحت عین مطابق امیجنگ کی ضرورت ہوتی ہے۔

EMCCD سینسر کیسے کام کرتے ہیں؟

ریڈ آؤٹ کے نقطہ تک، EMCCD سینسر انہی اصولوں پر کام کرتے ہیں جیسے CCD سینسر۔ تاہم، ADC کے ساتھ پیمائش سے پہلے، 'الیکٹران ملٹیپلیکشن رجسٹر' میں، اثر پذیری نامی عمل کے ذریعے پائے جانے والے چارجز کو ضرب دیا جاتا ہے۔ کئی سو مراحل کی ایک سیریز میں، ایک پکسل سے چارجز کو ہائی وولٹیج پر نقاب پوش پکسلز کی ایک سیریز کے ساتھ منتقل کیا جاتا ہے۔ ہر قدم پر ہر الیکٹران کے پاس اضافی الیکٹران لانے کا موقع ہوتا ہے۔ اس لیے سگنل کو تیزی سے ضرب کیا جاتا ہے۔

اچھی طرح سے کیلیبریٹڈ EMCCD کا حتمی نتیجہ اوسط ضرب کی درست مقدار کا انتخاب کرنے کی صلاحیت ہے، عام طور پر کم روشنی والے کام کے لیے تقریباً 300 سے 400۔ یہ کیمرے کے پڑھنے والے شور سے کہیں زیادہ پائے جانے والے سگنلز کو قابل بناتا ہے، اثر میں کیمرے کے پڑھنے والے شور کو کم کرتا ہے۔ بدقسمتی سے، اس ضرب کے عمل کی سٹاکسٹک نوعیت کا مطلب ہے کہ ہر پکسل کو ایک مختلف رقم سے ضرب دیا جاتا ہے، جو شور کا ایک اضافی عنصر متعارف کرواتا ہے، جس سے EMCCD کے سگنل ٹو شور کا تناسب (SNR) کم ہوتا ہے۔

EMCCD سینسر کیسے کام کرتے ہیں اس کی ایک خرابی یہ ہے۔ مرحلہ 6 تک، عمل مؤثر طریقے سے ویسا ہی ہے جیسا کہ CCD سینسر کے لیے ہے۔

تصویر: EMCCD سینسر کے لیے ریڈ آؤٹ کا عمل

ان کی نمائش کے اختتام پر، EMCCD سینسرز سب سے پہلے جمع شدہ چارجز کو تیزی سے پکسلز کی ایک نقاب پوش سرنی میں منتقل کرتے ہیں جو روشنی کی حساس صف (فریم کی منتقلی) کی طرح ہے۔ پھر، ایک وقت میں ایک قطار، چارجز کو ریڈ آؤٹ رجسٹر میں منتقل کیا جاتا ہے۔ ایک وقت میں ایک کالم، ریڈ آؤٹ رجسٹر کے اندر چارجز کو ضرب رجسٹر میں منتقل کیا جاتا ہے۔ اس رجسٹر کے ہر مرحلے پر (حقیقی EMCCD کیمروں میں 1000 مراحل تک)، ہر الیکٹران کے پاس ایک اضافی الیکٹران چھوڑنے کا ایک چھوٹا سا موقع ہوتا ہے، جس سے سگنل کو تیزی سے بڑھ جاتا ہے۔ آخر میں، ضرب سگنل پڑھا جاتا ہے۔

1. چارج کلیئرنگ: حصول شروع کرنے کے لیے، چارج کو بیک وقت پورے سینسر (عالمی شٹر) سے صاف کیا جاتا ہے۔
2. چارج جمع کرنا: نمائش کے دوران چارج جمع ہوتا ہے۔
3. چارج اسٹوریج: نمائش کے بعد، جمع شدہ چارجز کو سینسر کے ایک نقاب پوش علاقے میں منتقل کر دیا جاتا ہے، جہاں وہ نئے فوٹونز کا پتہ لگائے گئے فوٹونز کو شمار کیے بغیر پڑھنے کا انتظار کر سکتے ہیں۔ یہ 'فریم ٹرانسفر' کا عمل ہے۔
4. اگلا فریم ایکسپوژر: نقاب پوش پکسلز میں ذخیرہ شدہ پتہ لگائے گئے چارجز کے ساتھ، فعال پکسلز اگلے فریم (اوورلیپ موڈ) کی نمائش شروع کر سکتے ہیں۔
5. پڑھنے کا عمل: ایک وقت میں ایک قطار، تیار شدہ فریم کی ہر قطار کے چارجز کو 'ریڈ آؤٹ رجسٹر' میں منتقل کیا جاتا ہے۔
6. ایک وقت میں ایک کالم، ہر پکسل کے چارجز کو ریڈ آؤٹ نوڈ میں بند کر دیا جاتا ہے۔
7. الیکٹران ضرب: اگلا، پکسل سے تمام الیکٹران چارجز الیکٹران ضرب کے رجسٹر میں داخل ہوتے ہیں، اور ہر قدم پر تیزی سے تعداد میں ضرب کرتے ہوئے، قدم بہ قدم آگے بڑھتے ہیں۔
8. ریڈ آؤٹ: ضرب سگنل کو ADC پڑھتا ہے، اور اس عمل کو اس وقت تک دہرایا جاتا ہے جب تک کہ پورا فریم پڑھا نہ جائے۔

EMCCD سینسر کے فوائد اور نقصانات

EMCCD سینسر کے فوائد

فائدہ	تفصیل
فوٹون گنتی	انتہائی کم پڑھنے والے شور (<0.2e⁻) کے ساتھ انفرادی فوٹو الیکٹران کا پتہ لگاتا ہے، جو سنگل فوٹون کی حساسیت کو فعال کرتا ہے۔
انتہائی کم روشنی کی حساسیت	روایتی CCDs سے نمایاں طور پر بہتر، بعض اوقات انتہائی کم روشنی کی سطح پر اعلیٰ درجے کے sCMOS کیمروں کو بھی پیچھے چھوڑ دیتے ہیں۔
کم تاریک کرنٹ	گہری کولنگ تھرمل شور کو کم کرتی ہے، طویل نمائش کے دوران صاف تصاویر کو فعال کرتی ہے۔
'ہاف گلوبل' شٹر	فریم کی منتقلی بہت تیزی سے چارج شفٹنگ (~1 مائیکرو سیکنڈ) کے ساتھ قریب قریب عالمی نمائش کی اجازت دیتی ہے۔

● فوٹون کی گنتی: کافی زیادہ الیکٹران ضرب کے ساتھ، پڑھنے والے شور کو عملی طور پر ختم کیا جا سکتا ہے (<0.2e-)۔ اس کے ساتھ، زیادہ فائدہ کی قیمت اور قریب قریب کامل کوانٹم کارکردگی کا مطلب یہ ہے کہ انفرادی فوٹو الیکٹران کی تمیز ممکن ہے۔
● انتہائی کم روشنی کی حساسیت: CCDs کے مقابلے میں، EMCCDs کی کم روشنی والی کارکردگی کافی بہتر ہے۔ کچھ ایسی ایپلی کیشنز ہو سکتی ہیں جہاں EMCCD کم سے کم ممکنہ روشنی کی سطح پر ہائی اینڈ ایس سی ایم او ایس سے بھی بہتر پتہ لگانے کی صلاحیت اور اس کے برعکس فراہم کرتا ہے۔
● کم تاریک کرنٹ: جیسا کہ CCDs کے ساتھ ہے، EMCCDs عام طور پر گہری ٹھنڈا ہوتے ہیں اور انتہائی کم تاریک موجودہ اقدار فراہم کرنے کے قابل ہوتے ہیں۔
● 'ہاف گلوبل' شٹر: نمائش شروع کرنے اور ختم کرنے کے لیے فریم کی منتقلی کا عمل صحیح معنوں میں بیک وقت نہیں ہوتا ہے، لیکن عام طور پر 1 مائیکرو سیکنڈ کے آرڈر پر ہوتا ہے۔

EMCCD سینسر کے نقصانات

نقصان	تفصیل
محدود رفتار	زیادہ سے زیادہ فریم ریٹ (1 MP پر ~30 fps) جدید CMOS متبادلات سے بہت سست ہیں۔
ایمپلیفیکیشن شور	الیکٹران ضرب کی بے ترتیب نوعیت اضافی شور متعارف کراتی ہے، SNR کو کم کرتی ہے۔
کلاک انڈسڈ چارج (CIC)	تیز چارج موومنٹ غلط سگنلز متعارف کروا سکتی ہے جو بڑھ جاتی ہے۔
متحرک رینج کو کم کیا گیا۔	زیادہ فائدہ سینسر ہونے سے پہلے زیادہ سے زیادہ سگنل کو کم کر دیتا ہے۔
بڑا پکسل سائز	عام پکسل سائز (13–16 μm) آپٹیکل سسٹم کے بہت سے تقاضوں کے مطابق نہیں ہوسکتے ہیں۔
بھاری کولنگ کی ضرورت	مسلسل ضرب اور کم شور کو حاصل کرنے کے لیے مستحکم گہری کولنگ کی ضرورت ہوتی ہے۔
انشانکن کی ضروریات	وقت کے ساتھ ساتھ EM کا فائدہ کم ہوتا جاتا ہے (ضرب کشی)، جس کے لیے باقاعدہ انشانکن کی ضرورت ہوتی ہے۔
مختصر نمائش کی عدم استحکام	بہت مختصر نمائش غیر متوقع سگنل پروردن اور شور کا سبب بن سکتی ہے۔
زیادہ لاگت	پیچیدہ مینوفیکچرنگ اور گہری کولنگ ان سینسرز کو sCMOS سے زیادہ مہنگی بناتی ہے۔
محدود عمر	الیکٹران ضرب کا رجسٹر ختم ہوجاتا ہے، عام طور پر 5-10 سال تک رہتا ہے۔
ایکسپورٹ چیلنجز	ممکنہ فوجی درخواستوں کی وجہ سے سخت ضابطوں کے تابع۔

● محدود رفتار: تیز EMCCDs 1 MP پر تقریباً 30 fps فراہم کرتے ہیں، CCDs کی طرح، CMOS کیمروں سے کم شدت کے آرڈر۔

● شور کا تعارف: اسی کوانٹم کارکردگی کے ساتھ کم شور والے sCMOS کیمرے کے مقابلے میں بے ترتیب الیکٹران ضرب کی وجہ سے 'اضافی شور کا عنصر'، سگنل کی سطح کے لحاظ سے EMCCDs کو کافی زیادہ شور دے سکتا ہے۔ اعلی درجے کے sCMOS کے لیے SNR عام طور پر 3e- کے قریب سگنلز کے لیے بہتر ہے، اس سے بھی زیادہ اعلی سگنلز کے لیے۔

● کلاک انڈسڈ چارج (CIC): جب تک احتیاط سے کنٹرول نہ کیا جائے، پورے سینسر میں چارجز کی حرکت اضافی الیکٹران کو پکسلز میں متعارف کروا سکتی ہے۔ اس شور کو پھر الیکٹران ضرب کے رجسٹر سے ضرب دیا جاتا ہے۔ زیادہ چارج کی نقل و حرکت کی رفتار (گھڑی کی شرح) زیادہ فریم کی شرحوں کا باعث بنتی ہے، لیکن زیادہ CIC۔

● ڈائنامک رینج میں کمی: EMCCD پڑھنے والے شور پر قابو پانے کے لیے درکار بہت زیادہ الیکٹران ضرب کی قدریں بہت کم متحرک حد کی طرف لے جاتی ہیں۔

● بڑا پکسل سائز: EMCCD کیمروں کے لیے سب سے چھوٹا عام پکسل سائز 10 μm ہے، لیکن 13 یا 16 μm سب سے عام ہے۔ زیادہ تر آپٹیکل سسٹمز کی ریزولیوشن کی ضروریات کو پورا کرنے کے لیے یہ بہت بڑا ہے۔

● انشانکن کے تقاضے: الیکٹران ضرب کاری کا عمل EM رجسٹر کو استعمال کے ساتھ ختم کر دیتا ہے، جس سے 'الیکٹران ضرب کشی' نامی عمل میں ضرب لگانے کی صلاحیت کم ہو جاتی ہے۔ اس کا مطلب ہے کہ کیمرے کا فائدہ مسلسل تبدیل ہو رہا ہے، اور کسی بھی مقداری امیجنگ کو انجام دینے کے لیے کیمرے کو باقاعدہ انشانکن کی ضرورت ہوتی ہے۔

● مختصر وقت میں غیر متضاد نمائش: بہت کم نمائش کے اوقات کا استعمال کرتے وقت، EMCCD کیمرے متضاد نتائج پیدا کر سکتے ہیں کیونکہ کمزور سگنل شور سے مغلوب ہو جاتا ہے، اور ایمپلیفیکیشن کا عمل شماریاتی اتار چڑھاو کو متعارف کرواتا ہے۔

● ہیوی کولنگ کی ضرورت: الیکٹران کی ضرب کا عمل درجہ حرارت سے سخت متاثر ہوتا ہے۔ سینسر کو ٹھنڈا کرنے سے دستیاب الیکٹران کی ضرب میں اضافہ ہوتا ہے۔ لہذا درجہ حرارت کے استحکام کو برقرار رکھتے ہوئے گہرے سینسر کی ٹھنڈک اس لیے تولیدی EMCCD پیمائش کے لیے اہم ہے۔

● زیادہ قیمت: گہرے ٹھنڈک کے ساتھ مل کر ان کثیر اجزاء والے سینسرز کی تیاری میں دشواری، قیمتیں عام طور پر اعلیٰ ترین معیار کے sCMOS سینسر کیمروں سے زیادہ ہوتی ہیں۔

● محدود عمر: الیکٹران ضرب کی خرابی عام طور پر استعمال کی سطح پر منحصر، 5-10 سال کے ان مہنگے سینسرز کی زندگی کی ایک حد رکھتی ہے۔

● چیلنجز برآمد کریں۔: EMCCD سینسر کی درآمد اور برآمد فوجی ایپلی کیشنز میں ان کے ممکنہ استعمال کی وجہ سے منطقی طور پر چیلنجنگ ہوتی ہے۔

کیوں EMCCD CCD کا جانشین ہے۔

فیچر	سی سی ڈی	ای ایم سی سی ڈی
حساسیت	اعلی	الٹرا ہائی (خاص طور پر کم روشنی)
ریڈ آؤٹ شور	اعتدال پسند	انتہائی کم (فائدہ کی وجہ سے)
متحرک رینج	اعلی	اعتدال پسند (فائدہ سے محدود)
لاگت	زیریں	اعلی
کولنگ	اختیاری	عام طور پر بہترین کارکردگی کے لیے درکار ہے۔
کیسز استعمال کریں۔	جنرل امیجنگ	کم روشنی، سنگل فوٹون کا پتہ لگانا

EMCCD سینسر ایک الیکٹران ضرب قدم کو شامل کرکے روایتی CCD ٹیکنالوجی پر تعمیر کرتے ہیں۔ یہ کمزور سگنلز کو بڑھانے اور شور کو کم کرنے کی صلاحیت کو بڑھاتا ہے، جس سے EMCCDs انتہائی کم روشنی والی امیجنگ ایپلی کیشنز کے لیے ترجیحی انتخاب بنتا ہے جہاں CCD سینسر کم پڑ جاتے ہیں۔

EMCCD سینسر کی کلیدی ایپلی کیشنز

EMCCD سینسر عام طور پر سائنسی اور صنعتی شعبوں میں استعمال ہوتے ہیں جن کے لیے انتہائی حساسیت اور بیہوش سگنلز کا پتہ لگانے کی صلاحیت کی ضرورت ہوتی ہے:

● لائف سائنس امیجنg: سنگل مالیکیول فلوروسینس مائکروسکوپی اور کل اندرونی عکاسی فلوروسینس (TIRF) مائکروسکوپی جیسی ایپلی کیشنز کے لیے۔
● فلکیات: دور دراز ستاروں، کہکشاؤں، اور exoplanet تحقیق سے مدھم روشنی حاصل کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔
● کوانٹم آپٹکس: فوٹوون کے الجھن اور کوانٹم معلومات کے تجربات کے لیے۔

● فرانزک اور سیکیورٹی: کم روشنی کی نگرانی اور ٹریس شواہد کے تجزیہ میں ملازم۔
● سپیکٹروسکوپی: رامان سپیکٹروسکوپی اور کم شدت والے فلوروسینس کا پتہ لگانے میں۔

آپ کو ایک EMCCD سینسر کب منتخب کرنا چاہئے؟

حالیہ برسوں میں سی ایم او ایس سینسرز میں بہتری کے ساتھ، ای ایم سی سی ڈی سینسرز کے پڑھنے کے شور کا فائدہ کم ہو گیا ہے کیونکہ اب تو ایس سی ایم او ایس کیمرے بھی سب الیکٹران ریڈ شور کے ساتھ ساتھ دیگر فوائد کی ایک بڑی حد کے قابل ہیں۔ اگر کسی ایپلیکیشن نے پہلے EMCCDs کا استعمال کیا ہے، تو یہ جائزہ لینے کے قابل ہے کہ آیا یہ sCMOS میں پیش رفت کے پیش نظر بہترین انتخاب ہے۔

تاریخی طور پر، EMCCDs اب بھی فوٹان کی گنتی کو زیادہ کامیابی سے انجام دے سکتے ہیں، چند دیگر مخصوص ایپلی کیشنز کے ساتھ ساتھ عام سگنل کی سطح 3-5e- فی پکسل سے بھی کم ہے۔ اگرچہ، بڑے پکسل سائز اور سب الیکٹران ریڈ شور کے ساتھ دستیاب ہو رہا ہے۔سائنسی کیمرےsCMOS ٹیکنالوجی کی بنیاد پر، یہ ممکن ہے کہ یہ ایپلی کیشنز بھی جلد ہی اعلی درجے کے sCMOS کے ساتھ انجام دی جائیں۔

اکثر پوچھے گئے سوالات

فریم ٹرانسفر کیمروں کے لیے کم از کم نمائش کا وقت کیا ہے؟

تمام فریم ٹرانسفر سینسر کے لیے، بشمول EMCCDs، کم از کم ممکنہ نمائش کے وقت کا سوال ایک پیچیدہ ہے۔ سنگل امیج کے حصول کے لیے، ایکوائرڈ چارجز کو بہت تیزی سے پڑھنے کے لیے ماسکڈ ریجن میں شفل کر کے ایکسپوزر کو ختم کیا جا سکتا ہے، اور مختصر (سب مائیکرو سیکنڈ) کم از کم نمائش کے اوقات ممکن ہیں۔

تاہم، جیسے ہی کیمرہ پوری رفتار سے چل رہا ہے، یعنی فل فریم ریٹ پر ایک سے زیادہ فریم / ایک فلم حاصل کرنا، جیسے ہی پہلی تصویر سامنے آتی ہے، نقاب پوش خطہ اس فریم پر قابض ہوجاتا ہے جب تک کہ ریڈ آؤٹ مکمل نہ ہوجائے۔ اس لیے نمائش ختم نہیں ہو سکتی۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ، سافٹ ویئر میں درخواست کردہ نمائش کے وقت سے قطع نظر، فل اسپیڈ ملٹی فریم کے حصول کے پہلے فریم کے بعد آنے والے فریموں کا حقیقی نمائش کا وقت کیمرے کے فریم ٹائم، یعنی 1 / فریم ریٹ کے ذریعے دیا جاتا ہے۔

کیا sCMOS ٹیکنالوجی EMCCD سینسر کی جگہ لے رہی ہے؟

EMCCD کیمروں میں دو خصوصیات تھیں جنہوں نے انتہائی کم روشنی والے امیجنگ منظرناموں میں اپنا فائدہ برقرار رکھنے میں مدد کی (5 فوٹو الیکٹران یا اس سے کم کی چوٹی کے سگنل کی سطح کے ساتھ)۔ سب سے پہلے، ان کے بڑے پکسلز، 16 μm تک، اور دوم ان کا <1e- پڑھنے والا شور۔

کی ایک نئی نسلsCMOS کیمرہابھر کر سامنے آیا ہے جو EMCCDs کی بے شمار خرابیوں کے بغیر، خاص طور پر زیادہ شور کے عنصر کے، یہی خصوصیات پیش کرتا ہے۔ Tucsen سے Aries 16 جیسے کیمرے 0.8e- کے پڑھنے والے شور کے ساتھ 16 μm بیک الیومینیٹڈ پکسلز پیش کرتے ہیں۔ کم شور اور 'مقامی طور پر' بڑے پکسلز کے ساتھ، یہ کیمرے بائننگ اور پڑھنے کے شور کے درمیان تعلق کی وجہ سے، زیادہ تر بنڈ ایس سی ایم او ایس کیمروں کو بھی پیچھے چھوڑ دیتے ہیں۔

اگر آپ EMCCD کے بارے میں مزید جاننا چاہتے ہیں، تو براہ کرم کلک کریں:

کیا EMCCD کو تبدیل کیا جا سکتا ہے اور کیا ہم کبھی ایسا چاہیں گے؟