ICCDカメラ 技術資料(3) Stanford Computer Optics
Stanford Computer Optics
ダイナミックレンジ-A / D変換
High speed image intensified CCD camera
画像強化CCDカメラ
当社のデジタルビデオユニットには、高解像度CCDチップの14ビットダイナミックレンジを維持する14ビットA / Dコンバーターが含まれています。
フォトンノイズとダイナミックレンジの拡大に関する次のセクションで、A / D変換に関するより明確な情報を見つけることができます。
注意：各Stanford Computer Optics ICCDカメラシステムには、最大32ビットの実際の解像度をデジタルで拡張するダイナミックレンジ拡張システムがシリアルに付属しています。
ショットノイズはカメラの解像度を制限します
Shot noise limits of the camera resolution
フォトンノイズ、またはより一般的にはショットノイズと呼ばれるものは、各光源の基本的な物理的特性であり、技術的なデバイスによって影響を受けることはありません。セクションのパフォーマンスレジームで説明されているように、光は単一の粒子、光子で構成されています。光のレベルが低いほど、単位時間あたりに検出器に到達する光子の数は少なくなります。結果として、連続照明はありませんが、単一光子による「雹のような」衝撃があり、画像は粒状に見えます。信号強度、つまり単位時間あたりに到着する光子の数は確率論的であり、平均値と適切な変動によって説明できます。
Iが光信号の強度である場合、ポアソン分布は信号の変動を標準偏差で示します。
平均強度値を変動の標準偏差で割った値は、信号対雑音比またはSNRと呼ばれます。
このような物理的な状況がもたらす結果を以下の図に示します。ICCDやEMCCDカメラで16ビットのA/D変換が行われたとします。この結果、2バイトのデータワードが得られ、カメラからコンピュータに転送されます。左側の縦軸は、実際の信号強度Iで、20-1から216-1の範囲です。横軸は、データワードの16ビットの数値を表しており、常に3つの基本カテゴリに分けられます。
- 時間分解された信号の変動、すなわちショットノイズを含むビット。
- 信号の変動しない部分を含むビット（主に強度の平均値）、および
- 先頭のビットは "0 "のみを含みます。
ここで、ショットノイズによる信号の変動を含むビット数と、信号の非変動部分を表すビット数は常に等しいことがわかります。これは、式(2)によるもので、次のように書くこともできます。
この考慮事項は、16ビットA / D変換自体には利点がないことを示しています。たとえば12ビットのA / D変換を使用する場合、量子化ステップは係数2 （16-12） = 16だけ大きくなります。解像度はこの係数16だけ減少します。つまり、重要度の低いビットではデータワードの解像度の終わりは失われます。ただし、データワードのlsbの終わりには、信号の変動、ショットノイズのみが含まれます。したがって、データワードを16ビットから12ビットに減らすと、ショットノイズの解像度が低下します。信号の重要な非変動部分の分解能は維持されます。
信じがたいかもしれませんが、実際にはA / D変換のビット数を増やしてもデータの解像度を上げることはできません。解像度を上げるチャンスは1つだけです。つまり、強度レベルを高くする、つまり信号の積分時間を長くして、信号対雑音比を高くすることです。もちろん、2番目のチャンスがあります。つまり、A / D変換後の実際の解像度を大幅に向上させる、次のセクションで説明するStanford ComputerOpticsダイナミックレンジ拡張システムを使用することです。
結論として、高ビットA / Dコンバーターを使用しても、物理的なショットノイズの制限により、取得した強度データの解像度を上げることはできません。ハイビットA / D変換は、価値のある広告ポイントであり、少なくはありませんが、多くはありません。
注意：
高解像度のCCDチップのピクセルの容量は、2つの規模である14電子。これは、CCDチップ自体のダイナミックレンジがわずか14ビットであることを意味します。
ダイナミックレンジ拡張
スタンフォード・コンピュータ・オプティクスのダイナミックレンジ拡張システムは、イメージインテンシファイアカメラシステムの解像度を、従来のA/D変換とは別に、最大32ビットまで拡張します。
データ処理については、以下の図で説明します。
黒い点は、サンプリング・インスタンスでのアナログ測定値を示しています。青い点は、対応するデジタル化された値です。解像度の拡張を行わない場合、解像度は実際のA/D変換で使用可能な量子化レベルを示す青い線に限定されます。
青い円を結ぶ青い線は、横軸に指定されたデジタル化されたデータのサンプル数を累積した後の実際の平均値です。ダイナミックレンジ拡大システムのフレーム加算技術は、ハードウェアによるA/D変換の量子化レベルの制約を大幅に克服していることがわかります。また、この加算技術は、干渉を受けやすい高ビットのA/D変換エレクトロニクスのような追加のノイズ成分を発生させません。
ダイナミックレンジ拡大システムには、32ビットのデータ処理・画像編集ソフトウェアが搭載されています。
これにより、精度を損なうことなく、最大216個の16ビットデータワードでのフレーム加算が可能です。
フレーム加算処理で得られる解像度ゲインは次式で与えられます。
解像度ゲイン＝加算データサンプル数
または
res.gain [bit] = log2 (追加データサンプル数)となります。
高速度ICCDカメラの露光モード
高速度ICCDカメラは、イメージインテンシファイアとCCDセンサーが独立して動作するため、数種類の露光モードがあります。もちろん、独立した2つのシステムコンポーネントのタイミングは、常にうまく調整されています。ただし、その調整はカメラの動作モードによって異なります。
ゲートと読み出しが独立しているからこそ可能な露出モードの違い
ゲートは、ゲートパルスの長さに応じてシャッターを開き、CCDチップに光を照射するものである。つまり、ゲーティングによってCCDセンサー上に画像が形成されます。
読み出し部は、CCDチップから収集した電荷を読み出し、フレームすなわち画像をPCに転送する。このように、リードアウトは、すでに存在する画像をCCDセンサーから取得するのである。
シングルエクスポージャーモード
下のタイミング図は、カメラが単露光モードで動作している様子を示しています。このモードでは、各ゲーティングイベントの後に読み出しが行われます。この動作モードは、内蔵のトリガーソースなどによって連続的に露光が行われる場合、標準的なビデオカメラに相当します。
ダブルフレームモード
シングルエクスポージャーモードの特殊なケースとして、ダブルフレームモードと呼ばれるものがあります。このモードでは、2つのゲート付き露光をそれぞれ2つの連続したフレームに配置し、その間にわずか500nsのタイムラグを設けることができます。
多重露光モード
どのような場合でも、まずカメラをゲートして画像を構築し、その後、CCDセンサーからフレームとして取得する必要があります。しかし、イメージインテンシファイアは独立したシステムコンポーネントであるため、CCDの読み出しの前に、つまりフレームアクセスの前に、何度もゲートを切り替えることができます。このような動作は多重露光モードと呼ばれ、以下のタイミング図のようになります。
さらに、増感器は、一定期間、例えば高周波パルスレーザーに周期的に同期してゲーティングされてもよい。この動作モードでのゲーティング周波数、すなわち多重露光の繰り返し率は、最大5MHzとなります。単一のゲーティングイベントは、同期性を確保するために、ほとんどの場合、トリガーソース（おそらくレーザー自体）によって個別にトリガーされます。レーザー励起後、つまりトリガーパルスが到達した後の所望のタイミングで正確にシャッターを切るために、当社のすべてのカメラには10ピコ秒単位で調整可能なトリガーディレイユニットが搭載されています。
プログラムされた露光シーケンス（バーストモード
一部のアプリケーションでは、特定のシーケンスの単発露光が必要とされますが、これは実験セットアップによってそれぞれトリガーすることはできません。また、それぞれの露光時間が必要な場合もあります。当社のカメラは、RISCプロセッサーを搭載したCPUにより、この課題に対応しています。当社のカメラは、RISCプロセッサーを搭載したCPUにより、任意の多重露光シーケンスを数分でプログラムすることができます。完全な露光シーケンスは、1つのトリガーパルスで開始することができます。下の図は、そのようなプログラムされた露光シーケンスの簡単な例です。
スキャンシーケンス
さらに、ダイナミックレンジエクスパンションシステムにより、複雑さに関係なく露光シーケンス全体を繰り返し取得することができます。特にスキャンシーケンスと呼ばれるものは、高度に洗練されたフレーム追加技術により、画像の解像度と品質を容易に向上させることができます。
高速度ICCDカメラのトリガーオプション
スタンフォード・コンピュータ・オプティクス社のイメージインテンシファイア・ハイスピード・カメラは、様々な分野のアプリケーションの要求を満たすために、複数のトリガオプションを提供しています。ほとんどの場合、ICCDカメラはトリガスレーブとして動作し、トリガパルスは実験装置内の他の場所で生成され、カメラは外部パルスジェネレータと同期します。しかし、アプリケーションによっては、ICCDカメラをトリガーマスターとして動作させ、内部で生成したトリガーパルスを実験装置の他のコンポーネントに供給する必要があります。スタンフォード・コンピュータ・オプティクス社のICCDカメラを使えば、どちらのケースにも対応できます。カメラのトリガーパルスは、光電面による光学的ゲーティングを初期化し、特定の条件下ではカメラ画像からCCDセンサーの読み出しを行います。
高速ICCDカメラのトリガーオプション
Stanford Computer Optics, Inc.製の増感型CCDカメラの入出力コネクタ
インテンシファイドCCDカメラの入力トリガコネクタ
-Trig/+Trig: Trig/+Trig: 外部トリガソースのTTLトリガパルスを入力するコネクタで，ネガティブ/ポジティブエッジに感度を持つ。1.3Vで遷移し，入力は最大20Vまでの短時間耐性があります。20V.
ExtGtP: 外部TTL信号で光電面ゲートに直接アクセスできる入力TTLコネクタ。負論理のCMOS信号が必要で（シャッターオープン時はLow），その遷移電圧レベルは2.5Vです。
XXRapidFrameフレーミングカメラの追加入力トリガーオプション
高電圧（100V）。高電圧（100V）：最大100Vの高電圧トリガパルス用の入力コネクタ。
光ファイバーコネクタ。光ファイバーで供給されるトリガ信号用のトリガ入力コネクタ。
インテンシファイドCCDカメラの出力トリガ用コネクタ
ビジー。タイミング回路信号の出力TTL信号で，フレームグラバなどの外部トリガ信号として使用できる。アクティブLOWの信号ですが，要求に応じてアクティブHOWに変更することができます。
Fsync フリーランモード時に内蔵CCDセンサーに同期した基準信号を供給するTTL信号を出力する。
IntGtP: 出力TTL信号で，カメラのトリガ信号とは独立して，実際のゲーティングの発生に関する信頼性の高いタイミング情報を提供する光電面ゲートモニタを提供する。
インテンシファイドCCDカメラのトリガー遅延時間
ICCDカメラでは，外部トリガ信号が入力されてから，光電面ゲートが開くまでに，必ず固有の遅延時間が必要となります。Stanford Computer Optics社のICCDカメラの固有遅延時間は、内部制御のゲーティングパルスで60ns、ExtGtPコネクタを介した外部制御のゲーティングパルスで30nsとなっています。
トリガースレーブ、トリガーマスターといったカメラの使い方に関わらず、内部のトリガー遅延ユニットは、ゲーティングパルスのタイムスロットを調査中の実験イベントに同期させることができます。そのため、スタンフォード・コンピュータ・オプティクス社のすべてのICCDカメラには、デジタルでリモートプログラム可能な内蔵型のトリガーディレイユニットが標準で付属しています。そのため，トリガー信号後の追加遅延は，リモートソフトウェアコントロールコンソールを使って，100ps（4 Quik E）または10ps（4 Picos）の時間遅延ステップで簡単に調整できます。最も短い10psの遅延ステップでは、完全に時間分解されたサブナノ秒の蛍光寿命イメージング顕微鏡検査が可能です。
高速オプティカルゲーティングのための最高のトリガー繰り返しレート
カメラがトリガースレーブとして動作する場合、CCDセンサーのフレームレートよりもはるかに高い周波数で光学カメラゲートを動作させることができます。スタンフォード・コンピュータ・オプティクス社のICCDカメラは、デフォルトで200kHzの光電面ゲート繰り返しレートを提供しています（最大1時間までの連続動作、それ以上はパルスアンプの故障の原因になります）。オプションで2MHz（5MHzは要相談）の繰り返し動作が可能です。
この多重露光モードでは、内蔵されているシングルトリガーパルス弁別器が、最初のトリガーパルスのみ、または一定数のトリガー信号を選択し、それ以降のトリガーパルスを無視することができます。また、トリガパルス弁別器は、受け入れられるトリガ信号の数を自由に設定することができ、最大で1フレームあたり127個のトリガ信号を受け入れることができます。
ICCDカメラを用いたトリガ設定例
高速ICCDカメラを放電研究の実験装置に組み込んだ例。外部トリガーパルスは、放電ユニットを駆動するイグニッションパルスに由来するものである。これは、ブレークスルーが進むまでに時間がかかることになります。そのため、ゲート処理は、入力されるトリガーパルスに対して、この時間だけ遅らせなければなりません。この場合、ユーザーはリモートソフトウェアコントロールによって内部の遅延時間を所望の時間に設定するだけで、電気的ブレークスルーに対する露出を正確に調整することができます。4Picos ICCDカメラの超高速ゲーティング機能により、放電の時間的プロセスをスキャンすることができます。
カメラがトリガーマスターとして動作する場合は、内部で生成されたトリガーパルスに対して内部のゲーティングを遅らせる必要があります。
ICCDとEMCCDの比較
ここ数年、電子増倍型CCDカメラ（EMCCD）が人気を博しています。高速ゲーティングを必要としない様々なアプリケーションで、EMCCDはICCDと競合するようになってきました。天体の長時間観測では、極端に冷却したカスタムメイドのEMCCDカメラがICCDカメラシステムよりも優れているものもあります。
Quantum Efficiency of back illuminated EMCCD compared to selected image intensifier.
ICCDとEMCCDの量子効率
裏面照射型のEMCCDセンサーが市場に登場して以来、「EMCCDカメラの感度はICCDシステムを上回るので、低照度のアプリケーションにはEMCCDカメラが適している」という意見がよく聞かれるようになりました。これは主に、両カメラの量子効率を考慮してのことです。
上の図に示すように、背面照射されたEMCCDチップの量子効率は、ピーク値で最大92%に達します。一方、第3世代のイメージインテンシファイア光電面では52％、第2世代のイメージインテンシファイア光電面ではほとんどが20％以下となっています。EMCCDカメラの量子効率は、スペクトルの平均値として、第2世代のICCDカメラに比べて4倍、第3世代のシステムに比べて2倍優れていると言えます。
ICCDカメラとEMCCDカメラの主な機能の違い
しかし、これは一つの側面でしかなく、両カメラの最初のプロセスステップである到着光子の検出にのみ関係する側面である。第2段階である検出光の増幅は、両システムで全く異なる方法で行われます。最終的なカメラの性能は、当然ながら両方の動作ステップの合算で決まる。そのため、以下ではこの2つの動作原理をある程度定性的に説明します。
露光時間内に、1画素あたり4個の光子からなる信号が到着したとします。下の写真のように、おそらくEMCCDはその高い量子効率により、2個の光子をすべて集めます。しかし、Gen III搭載のICCDでは、この2つの光子のうち1つしか検出できません。EMCCDの画素には2個の電子が入っているのに対し、ICCDの画素にはイメージインテンシファイアの結果、1×500×40％＝200個の電子が入ることになります。
露光時間が終了すると、CCDセンサーの読み出しが行われる。この読み出し作業自体が、いくつかのノイズ源とともに、実際に画素に蓄積される電子数に影響を与えます。非冷却のICCDカメラを最大フレームレートで動作させた場合、200個の電子に加えて50個のノイズ電子が発生し、その比率は200/50=4となります。一方、200ケルビンまで冷却したICCDを標準的なフレームレートで動作させた場合、電荷の移動、すなわちクロックに起因する電荷ノイズ、さらには読み出し時の暗電流によって発生する電子は1個程度にとどまります。この場合の比率は2/1=2となります。
異なるカメラタイプのS/N比の比較は、複雑な問題であることをご理解ください。この簡単な例は、主要な状況と値のスケールをより具体的に把握するためのものです。ICCDカメラはEMCCDカメラに比べて膨大な数のノイズ電子が発生するにもかかわらず、信号と技術的なノイズの寄与度の比ではICCDカメラの方が優れています。これは、ICCDが読み出し前に測定信号を増幅し、大量の信号電子に大量のノイズ電子を加えている点が非常に重要です。このため、ICCDシステムはセンサーの温度や読み出しフレームレートの高さに影響されません。しかし、強冷化されたEMCCDシステムでは、増幅プロセスの前に、まだ極めて少量のノイズ電子が測定信号に加わるだけです。つまり、ノイズの寄与は、信号そのものと同じ程度に増幅されるのである。
A detailed examination of this issue can be found in following publications:
Title: Noise performance comparison of ICCD with CCD and EMCCD cameras
Author: David Dussault, Paul Hoess
Institute: Paul Hoess KG, Stanford Computer Optics, Inc.
Title: ICCDs edge out electron-multiplying CCDs in low light
Author: David Dussault, Paul Hoess
Institute: Paul Hoess KG, Stanford Computer Optics, Inc.
