ICCDカメラ 概要 技術資料(1) Stanford Computer Optics
Stanford Computer Optics
イメージ インテンシファイアーCCD高速度カメラ概要
スタンフォード・コンピュータ・オプティクス社は、1989年よりイメージインテンシファイア方式のハイスピードカメラの開発に取り組んできました。ICCD高速度カメラは、その優れた性能の組み合わせにより、低照度カメラの中でも最も汎用性の高い主力製品となっています。また、ICCDカメラはピコ秒のゲート機能を備えているため、超高速現象の分野での高速イメージングアプリケーションには欠かせません。
イメージインテンシファイア方式のハイスピードカメラは、上の写真のように、高性能のCCDカメラとその前に設置されたイメージインテンシファイアで構成されています。入射した光は、まずイメージインテンシファイアで増幅される。増幅された画像は、イメージインテンシファイアの蛍光体スクリーンから伝送され、カップリングレンズによってCCDセンサーに投影されます。
このように、ICCDカメラは入射光を直接増幅することで、CCDセンサーの熱雑音レベルをはるかに超える光量をCCDセンサーに供給することができる。電子増倍型CCDカメラ（EMCCD）に比べて、CCDセンサーを強力に冷却する必要がないため、結露の心配がありません。
ICCDカメラは、110×135×248mm、重さ3kgという小型化を実現しました。これにより、ICCDカメラタイプの超高速度カメラとしては最小・最軽量を実現しています。
イメージインテンシファイア
イメージ インテンシファイアImage Intensifierは、スタンフォード・コンピュータ・オプティクス社Stanford Conputer OpticsのICCDカメラの重要な構成要素であり、イメージ インテンシファイア モジュールとしても提供されています。
イメージインテンシファイアの3つの機能ユニット：光電面、マイクロチャンネルプレート、蛍光体スクリーン。
イメージインテンシファイアは、増感型(intensified) CCDハイスピードカメラにおいて、CCDセンサーと並んで最も重要なシステムコンポーネントです。イメージインテンシファイアは、ICCDカメラを特定のアプリケーションに最適に適合させることができます。イメージインテンシファイアの主な機能は、入射する光子を増倍すること、すなわち入射光信号を増幅することです。これにより、ICCDカメラは、光量が極めて少ない場合や、露光時間に対する光束の積分が極めて小さい200psまでの極めて短い露光時間で画像を撮影することができます。
イメージインテンシファイア管の高速ゲーティング機能
ICCDカメラのゲート機能、すなわちシャッター機能を提供するのはイメージインテンシファイアである。高速度カメラのゲートが「オン」になると、シャッターが開きます。この場合、入射光は強められ、すなわち増幅され、CCDチップに伝達され、収集されます。カメラのゲートが "オフ "の場合は、シャッターが閉じられ、光はCCDセンサーに伝達されません。
ICCDは、ピコ秒の時間スケールまでゲートを設定することができる。CCDとEMCCDのゲート機能は、原理的にはインターラインCCDセンサーでしか実現できない。これらのエリアセンサーは静電容量が大きいため、ゲーティングはマイクロ秒単位でしか開始できません。フレームトランスファー方式のCCDでは、数ミリ秒以上の高速ゲート処理はできません。メカニカルシャッターであっても、イメージインテンシファイアのように短いゲート時間を実現することはできない。したがって、イメージインテンシファイアを搭載したCCDカメラは、超高速イメージングのためのユニークなツールとなる。
イメージインテンシファイアは、3つの機能ユニットで構成
⦿ 入射した光子を光電子に変換する光電面。
⦿ この光電子を強力に増倍するMCP（マイクロチャンネルプレート）と
⦿ 増殖した光電子を再び光子に変換する蛍光体スクリーン。
イメージインテンシファイアには、図面のように3つの電圧がかかっている。光電面とマイクロチャンネルプレートの間の電圧UCMが負であれば、光電子はマイクロチャンネルプレートに向かって加速される。これは、ICCD高速度カメラがゲートされていることを意味し、すなわちシャッターが開いていることを意味する。電圧UCMが正であれば，光電子は光電面に保持され，ICCDカメラはゲートされていない，すなわちシャッタが閉じていることになる。
高速シャッター：高速ICCDカメラの重要な機能
ICCDカメラの高速シャッターは、システムとして独立したものではなく、イメージインテンシファイアの光電面の動作モードであるゲーティングと呼ばれるものです。
高速シャッターの開閉状態は、光電面の印加電圧を反転させることで実現する。
高速シャッターを可能にするイメージインテンシファイア
イメージインテンシファイアには、上の図面のように3つの電圧が印加されています。光電面と多チャンネルプレート間の電圧UCは、イメージインテンシファイアのゲーティング動作を可能にします。光電面とマルチチャンネルプレート間の電圧UCが負であれば、光電面からの光電子はマルチチャンネルプレートに向かって加速されます。これはシャッタが開いていることを意味する。電圧UCが正であれば，光電子は光電面に留まるので，シャッタは閉じていることになる。このようなイメージインテンシファイアの動作モードをゲーティングと呼び，電圧UCをゲーティング電圧と呼ぶ。このためICCDカメラ自体をゲート式CCDカメラとも呼ぶ。
ピコ秒のシャッタースピード
ゲート式ICCDカメラが他のカメラに比べて優れている点は、超高速ゲート動作が可能であることです。現在、ゲート式ICCDカメラでは、露光時間5～10ナノ秒（ns）のシャッタースピードが標準となっています。また、サブナノ秒のゲート機能を持つカメラも登場しています。4 Picos ICCDカメラでは、200ピコ秒（ps）までのゲーティングが可能です。
超高速シャッター時間の測定
この驚異的に速いゲート時間をどのように測定し、特徴づけることができるのかという疑問があります。多くのICCDカメラメーカーは、最短のシャッタースピードをガウス型の透過率曲線の半値幅（FWHM）で表しています。しかし、ゲーティングモードでのイメージインテンシファイアの動作により、単一のゲーティングはむしろ鋭い立ち上がりと立ち下がりのある長方形のように見えます。ガウス型の透過率曲線は、明らかに高いフラットトップ幅を持つ多数の単一の測定値を合計した結果です。さらに、1%の透過率でのオープニングタイムは、下の図に示すように、提案されたFWHMよりも明らかに高くなっています。
Full Width at Half Maximum (FWHM)シャッタータイムとFlat Top高速シャッターゲートタイムの比較。
そのため、スタンフォード・コンピュータ・オプティクス社のICCDカメラはすべて、1回のゲーティングイベントのフラットトップ幅を特徴としています。独自のCCT（Coaxially Coupling Technology）により、物理的限界まで優れた矩形シャッター伝送特性を実現しています。1%から90%までの立ち上がり時間と90%から1%までの立ち下がり時間はそれぞれ30psです。図（緑の曲線）に示すように、当社のシャッター伝送では、90％開度で200ps、1％開度で260psしか得られません。なお、200psのFWHM仕様では、1%のゲートタイムが1nsを大きく超えることになります。
物理的限界への挑戦
ピコ秒台のシャッタースピードは、独自の統合されたシステムデザインだからこそ実現できるものです。光電面には自社開発のアンチアイリス・グリッドが塗布されており、ゲーティング・エレクトロニクスとは専用の同軸導波路で接続されています。30psの立ち上がりと立ち下がりの間に光が進む距離はわずか9mmで、これはちょうどイメージインテンシファイアの直径の半分に相当します。これはイメージインテンシファイアの直径の半分に相当します。したがって、この長方形の曲線は物理的な限界を確実に表しています。ゲーティングパルスの200psのフラットトップでは、光の移動距離は6cmで、これはゲーティングエレクトロニクスとCCDセンサーの間の距離に相当します。
超高速シャッターシステムの応用
超高速現象を利用した様々なアプリケーションの中でも、このユニークな長方形のシャッタートランスミッションは、サブミリの空間分解能でのレンジゲーティング表示を可能にします。また、スタンフォード・コンピュータ・オプティクス社の高速ICCDカメラは、多重露光モードで10MHzの優れた繰り返し周波数を維持することができます。このユニークな機能は、FLIM、FRET、FISH、TIRFなどの様々な蛍光顕微鏡アプリケーションで非常に有用です。ICCDカメラは、超高速レーザー励起に同期してトリガーをかけることができます。EMCCDカメラとは異なり、ICCDカメラの読み出しノイズは、すでに増感された光信号に比べてごくわずかです。遅いスキャンモードは必要なく、最大のフレームレートは難しい低光量条件や単一光子計数モードでも適用可能です。
インテンシファイドCCDカメラのオプティカル カップリング
増強型CCDカメラの光結合について
ICCDカメラの設計では、イメージインテンシファイアの出力画像をCCDセンサーに光結合する必要がある。
この光結合には、ファイバー結合とレンズ結合の2つの技術的アプローチがあります。
スタンフォード・コンピュータ・オプティクス社のICCDカメラには、自社開発のF/0.8レンズが搭載されており、ケラレや歪み、ハニカムパターンのない最高の画質を実現しています。
カップリングレンズは、イメージインテンシファイアとCCDセンサーを光学的に結合するものです。
完璧な光結合の仕様
完全な光結合には、画質と結合効率の2つの仕様があります。画質は、ディストーションやヴィネットなどの光学収差を発生させることなく、光学的な解像度を維持して結合する必要があり、ハニカムパターンのような系統的な画像エラーも許容できません。完全な結合効率は100％で、放出されたすべての光子がCCDセンサーに到達することを意味します。
競合するカップリング方式。カップリングレンズとファイバーテーパー
イメージインテンシファイアの蛍光体スクリーンは、増感された物体像をランベルティアン放射体として放出する。レンズ結合では、複数のレンズを用いて蛍光体スクリーンをCCDセンサーに結像させる。光ファイバ結合は、一端が蛍光体スクリーンに、二端がCCDセンサーに接続された光ファイバの束を使用するものである。
光レンズ結合と光ファイバ結合の長所と短所をまとめてみた。
結合効率の比較
光ファイバーの結合効率は100%ではありませんが、これは非常によくある誤解です。技術的な条件により、光ファイバへの光の結合は、光の角度が光ファイバの開口数(NA)以下でなければならないという制約があります。さらに、光ファイバはクラッドとコアで構成されており、撮像光はコアでのみ転送され、クラッドでは遮断されます。コアとクラッドの比率は、光ファイバテーパでは50/50[1]、光ファイバ面板では70/30[2]が一般的です。イメージインテンシファイアの蛍光体スクリーンを、光ファイバの入り口に直接置かれた均質なランバートン放射体と仮定します。すると、光ファイバのNA以下の角度で、光ファイバのコアに直接照射された撮像光のみがCCDセンサに伝達される。さらに、光ファイバのテーパ部における白色光の透過率は、10mmあたり70%となっており[2, 3]、CCDセンサーでの信号が大幅に減少してしまう。
それに比べて、レンズカップリングは面積損失がなく、総合的な結合効率はFナンバーで示されます。さらに、レンズ結合では結合光の透過率が高くなります。したがって、自社開発のF/0.8結合レンズは、光ファイバ結合と比較して、結合効率の面で不利な点はありません。
結合効率の測定
上述の理論的考察は，スタンフォード大学の B. J. Patrie らによって検証されました [4]。彼らは，実験装置を用いて光ファイバの結合効率を測定し，光ファイバの結合効率は約1.0%であると結論づけています。彼らはこの光ファイバ結合を，市販のF/2.0レンズ結合と比較しており，その結合効率は約0.4%であった。
連動した画質の比較
増強されたCCDカメラの多くのイメージング用途において、画質は非常に重要である。光学部品や撮像システムの標準的な性能評価として、MTF（Modulation Transfer Function）がよく用いられる。レンズの品質はMTFによって定義されるが，光ファイバテーパはMTF評価の等比級数条件に違反するため，MTFを評価することは困難である[5, 6]。しかし，光ファイバプレートからの出力画像の品質を評価するためのMTFの測定方法とその結果については，いくつかの研究成果がある[7]。MTFの周波数のカットを最大解像度とするのが一般的である。また，MTFは，画質を低下させる光学歪曲や周辺光量低下などの系統的な画像収差に関する情報を提供しないため，できる限り避けなければならない。
レンズと光ファイバ結合のMTF比較
以下の図は、今回設計したカップリングレンズと市販のフォトレンズのMTF（Modulation Transfer Function）を比較したものです。最初の図は，空間周波数の関数としてのMTFを示しています。実線の曲線は、画像断面の半径方向のいくつかの位置におけるMTFを示しており、その範囲は中心のr = 0mmからブリンクのr = Rまでとなっています。MTFは画像の半径方向の位置にほとんど依存せず、空間周波数が200lp/mmの場合でもMTFは30%に達し、光学的解像度の限界である3%をはるかに超えていることが容易にわかります。
比較のために、第1図には、焦点距離90mmの市販の非球面フォトレンズのMTF曲線も破線で示しています。写真レンズで知られているように、MTFはラインペアの数と、F8まで絞り込んだにもかかわらず、像の半径とともに大きく減少しています。ICCDカメラでは、イメージインテンシファイアが最も大きな解像度制限部品であるため、カップリング光学系がイメージインテンシファイアの光学解像度を維持することが重要である。しかし、フォトレンズカップリングやテーパー付きファイバーバンドルでは、達成可能な画像解像度が著しく低下してしまう。
The Modulation Transfer Function (MTF) of the coupling lens.
回折限界の上のハッチングされた領域は、レンズの有限な直径によるMTFの物理的限界を表しています。図を明瞭にするため、サジタルおよびタンジェンシャル画像構造を含む平均化された曲線のみをプロットしています。
像面収差と幾何学的転位の考察
スタンフォード・コンピュータ・オプティクス社が自社開発したF/0.8カップリングレンズは、ケラレもなく、像の歪みもない（0.03%以下）優れた均一性を実現している。一方，光ファイバ結合では，一般に，画像領域全体の均一性はわずか3%である[8]。さらに、バンドル界面の不透明なファイバーに起因する光ファイバーのバンドルパターン（「チキンワイヤー」）が頻繁に見られます。光ファイバーカップリングでは、樽型やピンクッション型の歪み、幾何学的なシアーやスキューの歪み、シングルポイントのブレなど、様々な種類の画像エラーが観察されている[8]。画質を考慮すると、レンズカップリングは光ファイバカップリングに比べて非常に大きな利点があります。
レンズカップリングと光ファイバカップリングのシステム設計上の考慮点
光ファイバーカップリングは、イメージインテンシファイアとCCDセンサーを機械的に接着しているため、安定したコンパクトな構成になっています。しかし、万が一不具合が発生した場合、どちらも交換することができません。それに比べてレンズカップリングは、システム設計の自由度が高く、ICCDカメラの各部品を交換することができます。さらに、レンズカップリングは、ほとんどのカメラとイメージインテンシファイアを結合することができます。このコンセプトは、単体のイメージインテンシファイアモジュールであるQuantum Leapによって実現されています。
レンズ結合は光ファイバ結合に比べて圧倒的に有利
これまで述べてきた光結合方式の議論を再考すると、レンズ結合は光ファイバ結合に比べて圧倒的に有利であることがわかります。その利点は、画質やシステムの柔軟性の点で非常に明確であり、最も一般的に考えられている結合効率の不足もほぼ同じです。このような理由から、スタンフォード・コンピュータ・オプティクス社のICCDカメラは、すべて自社開発のF/0.8カップリングレンズを搭載しており、優れた結合効率と高画質を実現しています。
References:
1) Edmund Optics: Fiber Optic Tapers and Faceplates, http://www.edmundoptics.com/optics/fiber-optics/fiber-optic-tapers-faceplates/1599 (13.06.2014)
2) Schott AG: Fused Imaging Fiber Optic Tapers, http://www.schott.com/lightingimaging/english/download/tapers.pdf (13.06.2014)
3) Schott AG: Schott Fiber Optic Faceplates, http://www.schott.com/lightingimaging/english/download/schott-faceplate_int_july_2013.pdf (13.06.2014)
4) Bryan J. Patrie, Jerry M. Seitzman and Ronald K. Hanson, "Instantaneous three-dimensional flow visualization by rapid acquisition of multiple planar flow images", Opt. Eng. 33(3), 975-980 (Mar 01, 1994)
5) T. Carter, " Sampled MTF of fused fiber optic components and bonded assemblies", Proc. SPIE 8735, Head- and Helmet-Mounted Displays XVIII: Design and Applications, 873507 (May 16, 2013);
6) Yaoxiang Wang, Weijian Tian and XiangLi Bin, "Theoretical model of the modulation transfer function for fiber optic taper", Proc. SPIE 5638, Optical Design and Testing II, 865 (April 06, 2005)
7) Weijian Tian, Wei Zhang ; Weihong Ma ; Yaoxiang Wang and Yulin Li, "Imaging Performance Evaluation for Fiber Optical Plates with Modulation Transfer Function", Proc. SPIE 4927, Optical Design and Testing, 193 (September 19, 2002)
8) C.I. Coleman, Imaging Characteristics of Rigid Coherent Fiber Optic Tapers, Advances in Electronics and Electron Physics Volume 64, Part B, 1985, Pages 649–661
