Что такое камеры EMCCD?

Что такое камеры EMCCD?

Камеры EMCCD — это камеры CCD, которые способны обнаруживать слабый свет с помощью элемента CCD с электронным умножением.

При обнаружении света обычной камерой CCD требуется определенное количество яркого света. Когда свет преобразуется в электрический сигнал, добавляется определенное количество шума (нежелательной информации, отличной от света).

Даже если слабый свет преобразуется в электрический сигнал, он тонет в шуме и не создает изображение достаточной интенсивности. Камеры EMCCD способны обнаруживать слабый свет, поскольку датчик CCD имеет функцию электронного удвоения при обнаружении света и преобразовании его в электрический сигнал.

Применение камер EMCCD

Основными приложениями для камер EMCCD являются микроскопы и телескопы. Зона наблюдения в микроскопе очень узкая, а яркость зоны наблюдения увеличивается с помощью апертуры и отражателя, но количество света недостаточно при захвате обычной камерой CCD.

Поэтому электрические сигналы, преобразованные из света, тонут в шуме.

С другой стороны, камеры EMCCD могут преобразовывать и усиливать слабый свет в электрические сигналы достаточной интенсивности.

Камеры EMCCD также используются для компенсации низкой интенсивности света при фотографировании слабых небесных объектов через телескоп.

Принцип работы камер EMCCD

1. Механизм датчика CCD

ПЗС — это прибор с зарядовой связью, который преобразует свет в электрические сигналы. В то время как в светоприемной части обычных камер с галогенидом серебра (камер, использующих пленку) используется пленка на основе галогенида серебра, датчики CCD используются в светоприемной части многих цифровых камер.

Датчик CCD состоит из небольших элементов (фотодиодов), называемых пикселями. Фотодиод преобразует свет в электрический заряд, а датчик CCD выводит заряд в виде электрического тока для создания изображения.

2. Механизм EMCCD

На электрические сигналы влияет шум при подаче электрического тока, и поэтому при слабом освещении электрические сигналы тонут в шуме, и соответствующее изображение не может быть получено. Поэтому датчик EMCCD удваивает электрический заряд, преобразованный из света, до уровня, не подверженного влиянию шума.

Удваивая заряд, электрический сигнал также удваивается, поэтому выходное изображение становится более четким и ясным. Таким образом, камеры EMCCD могут использоваться в микроскопах, телескопах и других приложениях, где требуется обнаружение слабого света для получения изображений с достаточным затенением для практического использования.

Структура камер EMCCD

1. Деталь датчика CCD

Потенциальные ямы создаются путем подачи различных напряжений на электроды на поверхности кремниевой подложки датчика CCD. Когда свет принимается блоком датчика CCD, из-за фотоэлектрического эффекта генерируется заряд.

После того, как заряд захватывается в потенциальной яме, он оцифровывается преобразователем переменного тока в обычном CCD. С другой стороны, в EMCCD заряд переносится в регистр усиления для удвоения заряда перед оцифровкой.

2. Регистр усиления

Регистр усиления — это механизм, который удваивает заряд, отправленный с ПЗС-сенсора. Он использует явление (явление ударной ионизации), при котором сильное электрическое поле применяется во время переноса электронов для создания новой пары электрон-дырка в высокоэнергетическом состоянии.

Другая информация о камерах EMCCD

Факторы шума

Шум EMCCD классифицируется по следующим четырем категориям, каждая из которых требует мер противодействия:

1. Фиксированный структурный шум

Это шум, возникающий из-за изменений чувствительности каждого пикселя ПЗС-сенсора.

2. Дробовой шум

Это шум, который зависит от количества фотонов, падающих на ПЗС-сенсор. По мере увеличения количества фотонов дробовой шум также увеличивается.

3. Dark Shot Noise

Ток, генерируемый в датчике ПЗС при отсутствии входного фотона, называется темновым током. Dark Shot Noise — это шум, вызванный темновым током, и его можно уменьшить, уменьшив темновой ток.

4. Шум считывания

Шум считывания — это шум, который возникает из-за оборудования, из которого состоит камера, включая датчик ПЗС.