25/08/01Elektron ko'paytiruvchi CCD sensori pastroq yorug'lik bilan ishlashga imkon beradigan CCD sensorining evolyutsiyasidir. Ular odatda individual fotonlarni hisoblash darajasiga qadar bir necha yuz fotoelektron signallari uchun mo'ljallangan.
Ushbu maqolada EMCCD sensorlari nima ekanligi, ular qanday ishlashi, afzalliklari va kamchiliklari va nima uchun ular past nurda tasvirlash uchun CCD texnologiyasining keyingi evolyutsiyasi deb hisoblanadi.
EMCCD sensori nima?
Elektronni ko'paytiruvchi zaryad bilan bog'langan qurilma (EMCCD) sensori CCD sensorining ixtisoslashtirilgan turi bo'lib, zaif signallarni o'qilishidan oldin kuchaytiradi va kam yorug'lik muhitida juda yuqori sezgirlikni ta'minlaydi.
Dastlab astronomiya va ilg'or mikroskopiya kabi ilovalar uchun ishlab chiqilgan EMCCD'lar an'anaviy CCD sensorlari bilan kurashadigan yagona fotonlarni aniqlay oladi. Alohida fotonlarni aniqlash qobiliyati EMCCD-larni juda kam yorug'lik darajasida aniq tasvirni talab qiladigan maydonlar uchun juda muhim qiladi.
EMCCD sensorlari qanday ishlaydi?
O'qish nuqtasiga qadar EMCCD sensorlari CCD sensorlari bilan bir xil printsiplarda ishlaydi. Biroq, ADC bilan o'lchashdan oldin, aniqlangan to'lovlar "elektronlarni ko'paytirish registrida" impaksionizatsiya deb ataladigan jarayon orqali ko'paytiriladi. Bir necha yuz bosqichli ketma-ketlikda pikseldan keladigan zaryadlar yuqori kuchlanishda bir qator niqoblangan piksellar bo'ylab harakatlanadi. Har bir qadamda har bir elektron qo'shimcha elektronlarni olib kelish imkoniyatiga ega. Shuning uchun signal eksponent ravishda ko'paytiriladi.
Yaxshi kalibrlangan EMCCDning yakuniy natijasi o'rtacha ko'paytirishning aniq miqdorini tanlash qobiliyatidir, odatda kam yorug'likdagi ish uchun 300 dan 400 gacha. Bu aniqlangan signallarni kameraning o'qish shovqinidan ancha yuqori ko'paytirish imkonini beradi, bu esa kameraning o'qish shovqinini kamaytiradi. Afsuski, bu ko'paytirish jarayonining stokastik tabiati har bir pikselning boshqa miqdorga ko'paytirilishini anglatadi, bu esa EMCCD signal-to-shovqin nisbatini (SNR) kamaytiradigan qo'shimcha shovqin omilini kiritadi.
Quyida EMCCD sensorlari qanday ishlashi haqida maʼlumot berilgan. 6-bosqichga qadar jarayon CCD sensorlari bilan bir xil bo'ladi.
Rasm: EMCCD sensori uchun o'qish jarayoni
EHM oxirida EMCCD sensorlari birinchi navbatda to'plangan zaryadlarni yorug'likka sezgir massiv (ramka uzatish) bilan bir xil o'lchamdagi niqoblangan piksellar qatoriga o'tkazadi. Keyin, bir vaqtning o'zida bir qatorda, to'lovlar o'qish registriga ko'chiriladi. Bir vaqtning o'zida bitta ustun, o'qish registridagi to'lovlar ko'paytirish registriga o'tkaziladi. Ushbu registrning har bir bosqichida (haqiqiy EMCCD kameralarida 1000 bosqichgacha) har bir elektron signalni eksponent ravishda ko'paytirib, qo'shimcha elektronni chiqarish uchun kichik imkoniyatga ega. Oxirida ko'paytirilgan signal o'qiladi.
1. Zaryadni tozalash: Qabul qilishni boshlash uchun zaryad bir vaqtning o'zida butun sensordan tozalanadi (global deklanşör).
2. Zaryad to'planishi: Ta'sir qilish vaqtida zaryad to'planadi.
3. Zaryad saqlash: Ta'sir qilingandan so'ng, yig'ilgan zaryadlar sensorning niqoblangan maydoniga ko'chiriladi, u erda ular yangi fotonlar aniqlangan fotonlar hisoblanmasdan o'qishni kutishlari mumkin. Bu "Frame Transfer" jarayoni.
4. Keyingi kadrga ekspozitsiya: Niqoblangan piksellarda saqlangan aniqlangan zaryadlar bilan faol piksellar keyingi kadrning ekspozitsiyasini boshlashi mumkin (bir-biriga yopishish rejimi).
5. O'qish jarayoni: Bir vaqtning o'zida bir qator, tayyor ramkaning har bir qatori uchun to'lovlar "o'qish registriga" ko'chiriladi.
6. Bir vaqtning o'zida bitta ustun, har bir pikseldan zaryadlar o'qish tuguniga yuboriladi.
7. Elektronlarni ko'paytirish: Keyinchalik, pikseldan barcha elektron zaryadlar elektron ko'paytirish registriga kiradi va bosqichma-bosqich harakatlanadi va har bir qadamda sonini eksponent ravishda ko'paytiradi.
8. Ovoz chiqarib o'qish: Ko'paytirilgan signal ADC tomonidan o'qiladi va jarayon butun ramka o'qilguncha takrorlanadi.
EMCCD Sensorlarining afzalliklari va kamchiliklari
EMCCD Sensorlarining afzalliklari
| Afzallik | Tavsif |
| Fotonlarni hisoblash | Ultra past o'qiladigan shovqin (<0,2e⁻) bilan individual fotoelektronlarni aniqlaydi, bu bitta foton sezgirligini ta'minlaydi. |
| Ultra past nurga sezgirlik | An'anaviy CCD'lardan sezilarli darajada yaxshiroq, ba'zida juda past yorug'lik darajasida yuqori darajadagi sCMOS kameralaridan ham oshib ketadi. |
| Past qorong'u oqim | Chuqur sovutish termal shovqinni pasaytiradi, bu esa uzoq vaqt davomida ta'sir qilishda toza tasvirlarni olish imkonini beradi. |
| "Yarim global" panjur | Kadrni uzatish juda tez zaryad almashinuvi (~1 mikrosekund) bilan deyarli global ta'sir qilish imkonini beradi. |
● Fotonlarni hisoblash: Etarli darajada yuqori elektron ko'payish bilan o'qish shovqinini amalda yo'q qilish mumkin (<0,2e-). Bu, yuqori daromad qiymati va deyarli mukammal kvant samaradorligi bilan bir qatorda, individual fotoelektronlarni farqlash mumkinligini anglatadi.
● Ultra past nurga sezgirlik: CCD bilan solishtirganda, EMCCDlarning kam yorug'likdagi ishlashi keskin yaxshi. Ba'zi ilovalar bo'lishi mumkinki, EMCCD hatto eng past yorug'lik darajasida yuqori darajadagi sCMOS-ga qaraganda yaxshiroq aniqlash qobiliyati va kontrastini ta'minlaydi.
● Past qorong'u oqim: CCD'larda bo'lgani kabi, EMCCD'lar odatda chuqur sovutiladi va juda past qorong'u oqim qiymatlarini etkazib bera oladi.
● "Yarim global" deklanşör: Ekspozitsiyani boshlash va tugatish uchun kadrlarni uzatish jarayoni haqiqatan ham bir vaqtda emas, lekin odatda 1 mikrosoniya tartibini oladi.
EMCCD Sensorlarining kamchiliklari
| Kamchilik | Tavsif |
| Cheklangan tezlik | Maksimal kadr tezligi (1 MP da ~ 30 kadr / s) zamonaviy CMOS muqobillariga qaraganda ancha sekinroq. |
| Kuchaytirish shovqini | Elektronlarni ko'paytirishning tasodifiy tabiati SNRni kamaytiradigan ortiqcha shovqinni keltirib chiqaradi. |
| Soatdan kelib chiqqan zaryad (CIC) | Tez zaryad harakati kuchayadigan noto'g'ri signallarni keltirib chiqarishi mumkin. |
| Kamaytirilgan dinamik diapazon | Yuqori daromad sensori to'yingandan oldin ishlay oladigan maksimal signalni kamaytiradi. |
| Katta piksel o'lchami | Umumiy piksel o'lchamlari (13–16 mkm) ko'plab optik tizim talablariga mos kelmasligi mumkin. |
| Kuchli sovutish talabi | Barqaror ko'payish va past shovqinga erishish uchun barqaror chuqur sovutish kerak. |
| Kalibrlash ehtiyojlari | Vaqt o'tishi bilan EM daromadi pasayadi (ko'payishning parchalanishi), muntazam kalibrlashni talab qiladi. |
| Qisqa ta'sir qilishning beqarorligi | Juda qisqa ta'sirlar oldindan aytib bo'lmaydigan signal kuchayishiga va shovqinga olib kelishi mumkin. |
| Yuqori narx | Murakkab ishlab chiqarish va chuqur sovutish bu sensorlarni sCMOS-ga qaraganda qimmatroq qiladi. |
| Cheklangan umr | Elektronlarni ko'paytirish registrlari eskiradi, odatda 5-10 yil davom etadi. |
| Eksport muammolari | Potentsial harbiy ilovalar tufayli qat'iy qoidalarga muvofiq. |
● Cheklangan tezlik: Tezkor EMCCD'lar CMOS kameralariga qaraganda sekinroq bo'lgan CCD kameralariga o'xshab 1 MP da taxminan 30 kadr / sek tezlikni ta'minlaydi.
● Shovqinga kirish: Elektronlarning tasodifiy ko'payishi natijasida yuzaga kelgan "ortiqcha shovqin omili" bir xil kvant samaradorligiga ega bo'lgan past shovqinli sCMOS kamera bilan solishtirganda, signal darajasiga qarab EMCCD-larga keskin yuqori shovqinni berishi mumkin. Yuqori darajadagi sCMOS uchun SNR odatda 3e- atrofida signallar uchun yaxshiroq, undan yuqoriroq signallar uchun.
● Soat quvvati (CIC): Ehtiyotkorlik bilan nazorat qilinmasa, sensor bo'ylab zaryadlarning harakati piksellarga qo'shimcha elektronlarni kiritishi mumkin. Keyinchalik bu shovqin elektronni ko'paytirish registriga ko'paytiriladi. Yuqori zaryad harakati tezligi (soat tezligi) yuqori kvadrat tezligiga olib keladi, lekin ko'proq CIC.
● Qisqartirilgan dinamik diapazon: EMCCD o'qish shovqinini engish uchun zarur bo'lgan juda yuqori elektron ko'payish qiymatlari dinamik diapazonning ancha qisqarishiga olib keladi.
● Katta piksel oʻlchami: EMCCD kameralari uchun eng kichik umumiy piksel o'lchami 10 mkm, lekin 13 yoki 16 mkm eng keng tarqalgan. Bu ko'pgina optik tizimlarning ruxsat talablarini qondirish uchun juda katta.
● Kalibrlash talablari: Elektronlarni ko'paytirish jarayoni foydalanish bilan EM registrini eskiradi va "elektronlarni ko'paytirishning parchalanishi" deb ataladigan jarayonda ko'payish qobiliyatini kamaytiradi. Bu shuni anglatadiki, kameraning daromadi doimiy ravishda o'zgarib turadi va kamera har qanday miqdoriy tasvirni amalga oshirish uchun muntazam kalibrlashni talab qiladi.
● Qisqa vaqtlarda nomuvofiq ta'sir qilish: Juda qisqa taʼsir qilish vaqtlaridan foydalanilganda, EMCCD kameralari nomuvofiq natijalar berishi mumkin, chunki kuchsiz signal shovqin bilan toʻlib ketadi va kuchaytirish jarayoni statistik tebranishlarni keltirib chiqaradi.
● Og'ir sovutish talabi: Elektronlarni ko'paytirish jarayoniga harorat kuchli ta'sir qiladi. Sensorni sovutish mavjud elektronlarning ko'payishini oshiradi. Shuning uchun harorat barqarorligini saqlab turganda chuqur sensorni sovutish, shuning uchun takrorlanadigan EMCCD o'lchovlari uchun juda muhimdir.
● Yuqori narx: Ushbu ko'p komponentli sensorlarni ishlab chiqarishdagi qiyinchilik, chuqur sovutish bilan birgalikda, eng yuqori sifatli sCMOS sensorli kameralardan yuqori narxlarga olib keladi.
● Cheklangan xizmat muddati: Elektronlarni ko'paytirishning parchalanishi, foydalanish darajasiga qarab, odatda 5-10 yil bu qimmatbaho sensorlarning ishlash muddatini cheklaydi.
● Eksport muammolari: EMCCD sensorlarini import qilish va eksport qilish, ularning harbiy maqsadlarda qo'llanilishi mumkinligi sababli logistik jihatdan qiyin bo'ladi.
Nima uchun EMCCD CCD ning vorisi hisoblanadi?
| Xususiyat | CCD | EMCCD |
| Sezuvchanlik | Yuqori | Ultra yuqori (ayniqsa kam yorug'lik) |
| O'qish shovqini | Oʻrtacha | Juda past (daromad tufayli) |
| Dinamik diapazon | Yuqori | O'rtacha (daromad bilan cheklangan) |
| Narxi | Pastroq | Yuqori |
| Sovutish | Ixtiyoriy | Odatda optimal ishlash uchun talab qilinadi |
| Foydalanish holatlari | Umumiy tasvir | Kam yorug'lik, bitta fotonli aniqlash |
EMCCD sensorlari elektronni ko'paytirish bosqichini o'z ichiga olgan an'anaviy CCD texnologiyasiga asoslanadi. Bu zaif signallarni kuchaytirish va shovqinni kamaytirish qobiliyatini oshiradi, bu EMCCD-larni CCD sensorlari ishlamay qolgan juda kam yorug'likli tasvirlash ilovalari uchun afzal tanlovga aylantiradi.
EMCCD Sensorlarining asosiy ilovalari
EMCCD sensorlari odatda yuqori sezuvchanlik va zaif signallarni aniqlash qobiliyatini talab qiladigan ilmiy va sanoat sohalarida qo'llaniladi:
● Hayot fanini tasavvur qilishg: Bir molekulali floresan mikroskopiya va umumiy ichki aks ettirish floresansi (TIRF) mikroskopiyasi kabi ilovalar uchun.
● Astronomiya: Uzoq yulduzlar, galaktikalar va ekzosayyora tadqiqotlaridan zaif yorug'likni olish uchun ishlatiladi.
● Kvant optikasi: Fotonlarning chalkashishi va kvant ma'lumotlari tajribalari uchun.
● Sud ekspertizasi va xavfsizlik: Kam nurli kuzatuv va iz dalillarini tahlil qilishda ishlagan.
● Spektroskopiya: Raman spektroskopiyasida va past intensivlikdagi floresansni aniqlashda.
EMCCD sensorini qachon tanlash kerak?
So'nggi yillarda CMOS sensorlarining yaxshilanishi bilan EMCCD sensorlarining o'qish shovqinining afzalligi kamaydi, chunki hozirda hatto sCMOS kameralari ham boshqa ko'plab afzalliklar qatorida subelektron o'qish shovqiniga qodir. Agar ilova ilgari EMCCD-lardan foydalangan bo'lsa, bu sCMOS-dagi ishlanmalar uchun eng yaxshi tanlovmi yoki yo'qligini ko'rib chiqishga arziydi.
Tarixiy jihatdan, EMCCDlar fotonlarni hisoblashni hali ham muvaffaqiyatli amalga oshirishi mumkin edi, shuningdek, odatdagi signal darajalari eng yuqori nuqtada 3-5e-dan kam bo'lgan boshqa bir nechta maxsus ilovalar bilan bir qatorda. Shunga qaramay, kattaroq piksel o'lchamlari va subelektron o'qish shovqinlari mavjud bo'ladiilmiy kameralarsCMOS texnologiyasiga asoslangan holda, bu ilovalar ham tez orada yuqori darajadagi sCMOS bilan amalga oshirilishi mumkin.
Tez-tez so'raladigan savollar
Kadrlarni uzatish kameralari uchun minimal ta'sir qilish vaqti qancha?
Barcha ramka uzatish sensorlari, shu jumladan EMCCD uchun minimal mumkin bo'lgan ta'sir qilish vaqti masalasi murakkab masala. Yagona tasvirni olish uchun ekspozitsiyani o'qish uchun olingan zaryadlarni niqoblangan hududga juda tez aralashtirish orqali tugatish mumkin va qisqa (sub-mikrosoniya) minimal ekspozitsiya vaqtlari mumkin.
Biroq, kamera to'liq tezlikda oqim olayotganda, ya'ni to'liq kadr tezligida bir nechta kadrlar/film olishi bilanoq, birinchi tasvir paydo bo'lishi bilanoq, niqoblangan hudud o'qish tugaguniga qadar ushbu kadr bilan band bo'ladi. Shuning uchun ta'sir qilish tugamaydi. Bu shuni anglatadiki, dasturiy ta'minotda so'ralgan ta'sir qilish vaqtidan qat'i nazar, to'liq tezlikda ko'p kadrli suratga olishning birinchisidan keyingi keyingi kadrlarning real ekspozitsiya vaqti kameraning kadr vaqti, ya'ni 1 / Kadr tezligi bilan beriladi.
sCMOS texnologiyasi EMCCD sensorlarini almashtiradimi?
EMCCD kameralari o'ta past yorug'likdagi tasvir stsenariylarida o'zlarining afzalliklarini saqlab qolishga yordam beradigan ikkita xususiyatga ega edi (pik signal darajasi 5 fotoelektron yoki undan kam). Birinchidan, ularning katta piksellari, 16 mkm gacha, ikkinchidan, ularning <1e- o'qish shovqini.
Yangi avlodsCMOS kameraEMCCDlarning ko'plab kamchiliklari, ayniqsa, ortiqcha shovqin omilisiz, xuddi shu xususiyatlarni taqdim etadigan paydo bo'ldi. Tucsendagi Aries 16 kabi kameralar 0,8e- o'qish shovqini bilan 16 mkm orqadan yoritilgan piksellarni taklif qiladi. Kam shovqin va "mahalliy" katta piksellar bilan bu kameralar yig'ish va o'qish shovqinlari o'rtasidagi bog'liqlik tufayli ko'pgina sCMOS kameralaridan ham ustundir.
Agar siz EMCCD haqida ko'proq ma'lumotga ega bo'lishni istasangiz, iltimos, bosing:
EMCCD almashtirilishi mumkinmi va biz buni hech qachon xohlaymizmi?
Tucsen Photonics Co., Ltd. Barcha huquqlar himoyalangan. Iqtibos keltirayotganda manbani ko'rsating:www.tucsen.com
