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電子倍增EM-CCD相機ImagEM X2
ImagEM X2是一款非常多功能的相機,全畫幅下輸出速度達70幀/秒,模擬拼接(binning)操作下對興趣區域(ROIs)的輸出達1076幀/秒,工作安靜。其在接近黑暗的條件下具有很高的信噪比,而且暗電流極低,因此既能長時間又能快速的進行定量超弱光成像。當關閉電子倍增增益(EM)后,該相機的超深滿阱容量可以在*低對比亮度圖像中提取信息。新增特性優化了相機觸發、片上EM增益保護、IEEE1394b流水線連接,提高了整體信噪比和非EM的動態范圍。濱松使用了****的512 × 512 像素EM-CCD傳感器,巧妙地重新設計了具有**速度和*精密性能的相機。
新增特性
更快的讀出速度
ImagEM X2在像素讀出時鐘為22MHz情況下,能夠在全畫幅分辨率下獲得70幀/秒 的速度。這超過原來的ImagEm相機兩倍,也比任何使用該傳 感器的其他商業級相機要快。
時鐘:22MHz
拼接 | 垂直方向有效寬度(子陣列) | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
512 | 256 | 128 | 64 | 32 | 16 | |
1×1 | 70.4 | 133 | 241 | 405 | 613 | 820 |
2×2 | 131 | 238 | 400 | 606 | 813 | 981 |
4×4 | 231 | 389 | 588 | 794 | 962 | 1076 |
(單位:幀/秒)
邊角讀出
通過在傳感器邊緣進行選擇性成像,選擇*靠近芯片的讀出寄存器的像素,該相機可以在小興趣區域(regions of interests,ROIs)獲得 更快的速度。
時鐘:22MHz
拼接 | 垂直方向有效寬度(子陣列) | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
512 | 256 | 128 | 64 | 32 | 16 | |
1×1 | 70.4 | 133 | 285 | 495 | 741 | 893 |
2×2 | 131 | 238 | 456 | 699 | 901 | 981 |
4×4 | 231 | 389 | 645 | 863 | 981 | 1076 |
(單位:幀/秒)
讀出噪聲低
對任何圖像傳感器而言,讀出更快也意味著讀出噪聲增加。但是對于EM-CCD而言,由于其EM增益,可以認為讀出噪聲與此無關。值得注意的 是,ImagEM X2即使在使用EM增益之前,也比上一代具有更快的速度和更低的讀出噪聲。我們剛剛提到讀出噪聲與EM-CCD無關,在信噪比公式中 的確這樣。然而,如果EM增益的首要目標是克服讀出噪聲,那么可以通過減小ImagEM X2的增益,降低EM寄存器的電壓,使EM增益校準更加穩定 ,傳感器壽命更長來實現。
讀出噪聲(rms,典型值) | EM-CCD讀出 | 4× EM增益 | 36 electrons (at 22 MHz) |
---|---|---|---|
25 electrons (at 11 MHz) | |||
8 electrons (at 0.6875 MHz) | |||
1200× EM增益 | 1 electron max. (at 22 MHz) | ||
1 electron max. (at 11 MHz) | |||
1 electron max. (at 0.6875 MHz) | |||
常規CCD讀出 | 8 electrons (at 0.6875 MHz) |
機械快門
ImagEM X2使用集成機械快門,以保護相機免于EM增益退化,減小圖像殘影效果。機械快門使用軟件來控制。
EM增益測量和校準
對EM技術來言,增益老化是一個確知的的過程。在使用EM模式時,即使十分小心以減小增益老化,當增益很大或者光強很大時還是會使增益 退化。由于這是一下依賴于使用的現象,知道退化發生時間并及時校準是非常重要的。而ImagEM X2具有這兩個功能,可以通過軟件來實現,對 于相機保養和客戶友好性非常重要。
IEEE 1394b 連接
ImagEM X2的數據速率十分適合易用的1394b連接。
SMA觸發端口
新型的ImagEM X2帶有四個閃亮而緊湊的SMA端口,一個用于外部觸發輸入,三個用于對其他設備輸出。這些端口可用于獲取一系列觸發選項 ,包括以下三個新特性:可編程觸發輸入輸出,觸發延時和觸發準備。不可否認,EM-CCD技術在超低光成像上具有**的信噪比,而ImagEM X2 結合了多種工程性增強,具有更快的速度,可以發揮該技術的**性能。
直接電子顯示
輸出信號可以在軟件中指明為“電子”。
黑白電平切割功能
可以設置光強的高低閾值,如果某個位置比圖像中的興趣樣品更亮或更暗,那么可使用電平切割功能將超過閾值的部分切割掉,使自動LUT 功能有效工作。
制冷狀態輸出
相機達到設定制冷溫度后會顯示。
特性
高靈敏度
高量子效率
**1200倍 的EM增益
EM增益特性可縮短曝光時間,降低激發光量,非常適合活細胞成像。 |
低噪聲
穩定制冷性 能的另一個好處就是*小的暗噪聲
CCD的暗電流取決于溫度,當溫度降至7到8 °C時,暗電流可降低一半。因此,對CCD制冷是一個降低暗電流的好方法。ImagEM X2可穩定 制冷,因此輸出穩定,其水冷將暗電流*小化。
用水冷或強 制風冷使傳感器溫度高度穩定
任何應用都可以選擇水冷或者強制風冷,且兩種制冷方式都可以達到**制冷溫度。
優化傳感器 驅動方式,顯著降低時鐘感生電荷(CIC)
暗電流包括熱電荷和時鐘感生電荷(clock induced charge,CIC)。CIC在短時曝光的圖像中占據暗電荷的主導地位,熱電荷 在長時曝光的圖像中占據暗電荷的主導地位。相機經過調整,使用了適合掃描速度的**驅動方式。無論長時短時曝光,生物學家都不需要考 慮CIC優化,因為相機會自動進行。 |
超高的穩定度
通過制冷溫 度控制,獲得高穩定度EM增益
要在長時成像和分析中獲得出眾的性能,需要穩定的增益設置,而增益的穩定需要保持制冷溫度穩定。ImagEM X2可精確控制制冷溫度。
平均偏差值 的穩定性(數字化補償)
基線隨時間恒定,為長期測量提供了信號穩定度。 |
EM增益保護
使用正確方式操作相機,降低增益老化的速度,延長相機的壽命是很重要的。ImagEM X2在兩個層面上保護EM增益:EM增益警告和EM增益保 護。EM增益保護模式在電荷超量輸出,可能損壞傳感器的情況下會停止電荷通過EM增益寄存器轉移。
EM增益重調 *
隨著使用時間,所有的EM-CCD相機都會有增益退化,而EM增益可以通過提高倍增寄存器的電壓來增大。EM增益重調可以使用隨相機配套的軟 件來進行。然而,EM增益重調的次數是有限的。
*該特性在使用DCAM-API的相機上可用。DCAM-API是一款支持濱松數字相機的軟件驅動。
可選讀出模式
可根據樣品亮度、所需幀頻或曝光時間選擇利于**圖像采集的讀出模式。
EM-CCD技術一個經常被忽視的優勢是其能夠將相機作為一個標準CCD使用。在非EM模式下,沒有過度噪聲效應,其大滿阱容量和高動態范圍 和適合具有很大內部場景動態范圍的亮光應用。ImagEM X2具有低噪聲非EM模式,很適合該類應用。
光子成像模式
該技術是一項提高超低光亮下圖像質量、克服電子倍增過程產生的超量噪聲極限的獨特技術。光子成像模式對**EM增益下無 明顯信號或者信號很低的信號水平非常有用。該模式保持定量線性信號輸出,同時提高了超低光亮度下的空間分辨率。 |
片上圖像處理
以下為可使用的實時處理功能:
--背景減除:有效減少圖像背景的熒光
--黑點校正:該功能可校正顯微成像成像或其他照明系統產生的黑點或不均勻照明
--遞歸濾波:該功能通過基于時間權重的平均進行圖像隨機噪聲消除
--幀平均:該功能通過簡單地幀平均和比遞歸濾波更少的殘影效應實現圖像的噪聲消除
--斑點噪聲消減:該圖像處理功能處理強度隨機斑點,通過比較圖像,找到一幅圖像中有而其他圖像中沒有的且達到噪聲標準的信號,然后 消除。該處理可消除宇宙射線等的噪聲元素。
應用
--蛋白質相互作用 --細胞網絡中的鈣波和細胞內離子流出 --實施轉盤共聚焦顯微成像 --TIRF顯微成像單原子成像 --體內血細胞熒光顯微 --熒光基因表達成像 |
配置
規格表
產品型號 | C9100-23B |
相機頭類型 | 密封真空封裝空氣/水制冷頭*1 |
窗口 | 單窗口,雙面鍍抗反膜 |
鍍抗反膜 | 是 |
成像設備 | 電子倍增背照式幀轉移CCD |
有效像素數 | 512 (H)×512 (V) |
像素尺寸 | 16 μm (H)×16 μm (V) |
有效面積 | 8.19 mm (H) × 8.19 mm (V) |
像素時鐘速率(EM-CCD讀出) | 22 MHz, 11 MHz, 0.6875 MHz |
像素時鐘速率(正常CCD讀出) | 0.6875 MHz |
EM增益 | 典型值4倍到1200倍*2 |
超低光探測 | 光子成像模式(1,2,3) |
快速讀出速度 | 70.4 幀/秒 到1076 幀/秒 |
讀出噪聲(EM-CCD讀出) | EM增益4倍,22MHz:典型值36電子rms EM增益4倍,11MHz:典型值25電子rms EM增益4倍,0.6875MHz:典型值8電子rms EM增益1200倍:**值36電子rms |
讀出噪聲(正常CCD讀出) | 0.6875MHz下典型值8電子rms |
滿阱容量 | EM-CCD讀出:典型值370 000電子,**800 000電子 *3 |
模擬增益 | EM-CCD讀出,22MHz:1倍 EM-CCD讀出,11/0.6875 MHz:0.5倍,1倍 正常CCD讀出:1倍,2倍,3倍,4倍,5倍 |
制冷溫度(強制風冷) | 溫度控制下:穩定在-65 ℃(0 ℃ to +30 ℃) 低速掃描下:-75 ℃(室溫+20 ℃) **制冷典型值:-80 ℃(室溫+20 ℃) |
制冷溫度(水冷) | 溫度控制下:穩定在-80℃(水溫+20℃) **制冷典型值:-100℃(水溫低于+10 ℃) |
溫度穩定性(強制風冷) | 典型值±0.01 ℃ |
溫度穩定性(水冷) | 典型值±0.01 ℃ |
暗電流(強制風冷) | 典型值0.005 electron/pixel/s (-65 ℃) |
暗電流(水冷) | 典型值0.0005 electron/pixel/s (-80 ℃) |
時鐘感生電荷 | 典型值0.0015 events/pixel/frame |
曝光時間(內部同步模式) | 13.9 ms 到1 s (22 MHz) 27.2 ms 到 2 h (11 MHz) 421.5 ms 到 2 h (0.6875 MHz) |
曝光時間(外部觸發模式) | 10 μs 到 1 s (22 MHz) 10 μs 到 2 h (11 MHz, 0.6875 MHz) |
A/D 轉換 | 16位 |
輸出/外部控制 | IEEE1394b |
子陣列 | 每16行大小(水平、垂直),位置可設定 |
拼接(binning) | 2×2, 4×4, 8×8, 16×16 *4 |
外部觸發模式 | 邊沿觸發、電平觸發、起始觸發、同步讀出觸發 |
觸發輸出 | 曝光時序輸出、可編程時序輸出(延時和脈沖長度可變 )、觸發準備輸出 |
圖像處理特性(實時) | 背景減除、暗點校正、遞歸濾波、幀平均、斑點噪聲削減*5 |
EM增益保護 | EM警告模式,EM保護模式 |
EM增益重調 | 可用 |
鏡頭卡口 | C卡口 |
電源 | AC 100 V到240 V, 50 Hz / 60 Hz |
功耗 | 約140 VA |
環境存儲溫度 | -10 °C到+ 50 °C |
環境工作溫度 | 0 °C到+ 40 °C |
保證性能溫度 | 0 °C 到+ 30 °C |
環境工作/存儲濕度 | 無凝結下**70 % |
*1:密封封裝頭真空度很高,無再抽空下為10-8托。
*2:即使在**電子倍增增益下,暗電流在低光量成像過程中也保持在低水平。
*3:當滿阱容量超過370 000電子后,線性度無法保證。
*4:特殊訂單可以實現8×8 和 16×16 拼接(binning)。
*5:遞歸濾波、幀平均以及斑點噪聲削減不可同時使用。
光譜響應
外形尺寸圖
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