ICCDカメラの応用方法 Stanford Computer Optics
Stanford Computer Optics
ICCDカメラの応用方法
独自の特性とスコープを持つICCDカメラは、さまざまな実験環境で使用されています。ICCDカメラの最大の特徴は、高速シャッターによる超高速撮影とピコ秒の時間分解能での時間分解分光が可能なことです。また、インテンシヴカメラは、機器を積極的に冷却しなくても、高い信号増幅率と低いS/N比が得られるため、低照度イメージングソリューションにも適用されます。最後に、ICCDフレーミングカメラは、雷現象のような超高速ダイナミクスの進行を撮影するのに最適なカメラです。
超高速イメージング
超高速CCDカメラは、光の動きを捉えます。
250フェムト秒のレーザーパルスの動きを4 Picos ICCDカメラで撮影したもの。各画像は、ICCD高速度カメラの視野に対して垂直に動く1つのレーザーパルスを示している。したがって、レーザーパルスの長さは、適用されたゲーティングタイム270psの直接的な尺度となる。
Stanford Computer Optics 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、最先端の超高速イメージングを提供します。ICCDカメラは、超高速イメージングの科学分野で広く使用されています。4 Picos ICCDカメラは、200ピコ秒までのシャッタータイムと、10psステップで調整可能なディレイで撮影します。この超高速カメラは、物理学、生命科学、計測学などの多くの分野で応用されている。
高速度カメラの歴史
1851年、ウィリアム・ヘンリー・フォックスは、ロンドン・タイムズ紙の1ページを回転する車輪に取り付けました。フォックスは、回転する新聞の前に湿板カメラを置き、ライデン瓶の火花を利用して数平方インチの新聞を約2000分の1秒で撮影した。この最初の高速写真は、「ロンドン・タイムズ」紙の読める部分を撮影したもので、人間の目には見えない速さで起こっている動きを撮影することができることを実証した(1)。
これがハイスピードイメージングの始まりであり、ハイスピードフォトグラフィーとも呼ばれている。これは、できるだけ短い時間で動きを写真に収めることを目的としています。1851年以降、様々な開発が行われ、高速度撮影システムの性能が向上した。1851年に2000分の1秒の露光時間でスタートした4ピコ増感カメラは、最小で200ピコ秒のゲートタイムを実現しました。このシャッタースピードは、毎秒50億フレームに相当する時間走査を可能にします。フレーミングカメラXXRapidFrameでは、最小10psのインターフレーミング時間で最大8フレームの画像シーケンスが可能です。このような連続した画像シーケンスは、1,000億フレーム/秒のフレームレートで撮影されます。
光の動きをとらえるICCDカメラ
200ピコ秒のゲートタイムを持つ4 Picosの高速シャッターシステムは、光の動きをとらえることができます。上の図は、250フェムト秒のレーザーパルスがICCDカメラの視野に対して垂直に伝播している様子を示しています。ゲーティング時間は270ピコ秒に調整されており、レーザーパルスの遅延時間は増加しています。それぞれの画像は、レーザー光が校正用ルーラーに沿って伝搬する様子を示しています。レーザーパルスの明るさが変化しているのは、レーザー光源の強度変動によるものです。
ICCDカメラの視野に垂直に進行するシングルショットのフェムト秒レーザーパルスの水平プロファイル。4 Picosカメラには270ピコ秒のゲートが設定されており、これを赤い曲線で示しています。ゲート時間は、200ピコ秒のフラットトップになっています。
レーザーパルス測定のセットアップ
ユニバーシティ・カレッジ・オブ・ロンドンの協力を得て、4Picos ICCDカメラのスコープを入手しました。セットアップには250fsレーザーが含まれており，パルスはシリンドリカルレンズで扇形に成形され，校正用定規に沿って伝播するように導かれます。4Picos ICCDカメラは、定規に対して垂直に設置されており、レーザーパルスの動きに対しても垂直になっています。250fsのレーザーパルスの幅は数分の1ミリメートルで、これが光速で校正用定規に沿って移動します。したがって、測定されたレーザーパルスの長さは、ICCDカメラのゲーティング時間内に光が通過した距離となります。したがって、レーザーパルスの長さは、ICCDカメラのゲーティングタイムを直接測定することができます。これにより、超高速度カメラのシャッター時間を直接測定することができます。
校正用定規の上側の目盛りは、距離をセンチメートル単位で示しています。光の速さを考慮して、この距離を時間スケールに変換し、定規の下部に表示します。したがって、レーザーパルスは、画像の左端の2.2nsマーカーから右端の3.2nsマーカーまで移動するのに1ナノ秒かかります。背景は、同じICCDカメラで長時間露光して撮影しました。その後、個々のレーザーパルスを赤い色で背景画像に追加した。
これらの測定結果は，4Picos高速度カメラのユニークな特性と，サブナノ秒イメージングの能力を示しています。シングルショットのフェムト秒レーザーパルスの水平プロファイルを左に示します。4Picos ICCDカメラの最小ゲーティングタイムを直接測定したものです。
超高速イメージングの応用
4 Picos ICCDカメラは、ユーザーに最適化されており、12Vの電気配線を接続するだけで使用できます。超高速で動く物体をシャープに撮影するための説得力のあるツールを研究者に提供します。この古典的な超高速イメージングのアプリケーションの中で、4Picos増感カメラは、PIV、衝撃波分析、弾道学、爆発の測定に使用されています。さらに、ピコ秒単位の露光時間を持つ超高速イメージングカメラは、3Dゲートビューイングレーザーレーダー、2Dイメージング蛍光、サブナノ秒トムソン散乱分析など、さらに高度なアプリケーションの開発を可能にします。
ICCDカメラによる低照度イメージング
低照度環境下でのICCDカメラの優位性が証明されました。
Stanford Computer Optics スタンフォード・コンピュータ・オプティクス社の科学用ICCDカメラは、低照度のイメージングアプリケーションに最適なソリューションです。特に、イメージインテンシファイアによる最大10^6の非常に高い信号ゲインは、低照度イメージングのような困難なアプリケーションにおいても、良好な画像品質と高いS/N比を実現します。
低照度とは、周囲の光束が満月時の地表の照度に匹敵する1ルクス以下の状態を指します。低照度イメージングは、暗視イメージングまたは暗視カメラとも呼ばれています。この技術の最初の用途は、人間の暗視能力を向上させることでした。しかし、過去数十年の間に、低照度イメージングは天文学、蛍光や発光の応用など、多くの科学分野で応用されるようになりました。
低照度イメージングに最適な検出器は、大きな開口部、高い量子効率、信号増幅機能を備えており、対象物から放出されるできるだけ多くの光子を検出することができます。これらの特性と低い読み出しノイズの組み合わせにより、高いS/N比を実現しています。さらに、ユーザーは高解像度、高ダイナミックレンジ、高繰り返し率、優れた操作性を求めています。
これらの要求を達成するために、複数のソリューションがあります。市場には基本的に2つの競合する技術があり、低光量イメージングのための異なるソリューションを提供しています。一つは電子増倍型（EMCCD）カメラ、もう一つは増倍型（ICCD）カメラです。EMCCDは、最大92%の高い量子効率により、低照度イメージング用途に使用されています。しかし、信号の増幅はCCDチップ上で行われるため、高いS/N比を得るためにはカメラを冷却する必要がある。一方、ICCDカメラでは、信号増幅はCCDチップの前にあるイメージインテンシファイアで行われる。そのため、ICCDカメラは冷却しなくても高いS/N比を実現しています。詳しくは「EMCCDとICCDカメラの技術比較」をご覧ください。
当社の増感型CCDカメラ4 Quik Eおよび4 Picosは、高い信号増幅率、高いS/N比、高解像度、高ダイナミックレンジにより、低照度イメージングの要件を満たしています。さらに、カメラを冷却しなくても、長時間露光で良好なS/N比が得られます。当社のユーザーフレンドリーなICCDカメラは、様々な分野の多くの研究者や開発者によって、ナノルークスの環境光束までの低照度条件で評価されています。
ICCDカメラによる時間分解分光法
増強カメラは、FLIM、FRET、TIRF、トムソン散乱などの時間分解分光法を向上させます。
増強されたCCD（ICCD）カメラと分光器の組み合わせは、時間分解分光法（TRS）のためのユニークなツールとなります。時分割分光器を使って、放出された光のエネルギー分布が時間とともに変化する様子を分析することで、あらゆる種類の材料、化学成分、生体組織の動的プロセスを研究することができます。スペクトロスコピーは最も古くからある科学機器の一つですが、超高速ICCDカメラとの組み合わせにより、多くの科学分野でブレークスルーを可能にする最先端の機器となります。
最先端の時間分解分光法
時間分解分光法とは、光物理学的プロセスの時間的なダイナミクスやキネティクスを、分光法によって測定できるものと定義されています。例として、ある物質の蛍光発光の測定は、時間とともに減衰していきます。多くの場合、研究対象となるサンプルは、レーザーパルスによって励起されます。その後、得られた発光とその減衰時間を時間の関数として測定する。ICCDカメラの高速シャッタースピードと200psまでのゲートタイムにより、サブナノ秒の時間分解能での測定が可能になりました。
時間分解分光法の応用
時間分解分光法は、化学、生物医学、計測、その他多くの科学分野で確固たる地位を築いています。例えば、溶解した有機物の発光プロセスを記述する指数関数的減衰法則の検証など、サブナノ秒領域のダイナミックなプロセスを驚くほど正確に測定することができます。時間分解分光法や時間分解イメージングへの関心は、生物学者の間で高まっています。多くの生物学的プロセスを理解することは重要であり、光子やその他の放出物を時間の関数として見ることで明らかになることが多い。TIR技術は、例えば、人間の脳腫瘍を術中に識別することを可能にします。
蛍光寿命測定
もう一つの重要なアプリケーションは、蛍光寿命の測定です。放出された光子の時間的な特性を利用して、蛍光プロセスをモデル化し、理解し、監視することができる。そのため、時間分解分光器は、蛍光寿命イメージング顕微鏡(FLIM)、蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)、全内部反射蛍光(TIRF)、サブnsトムソン散乱などに応用されている。
超高速フレーミングカメラの用途
超高速ICCDフレーミングカメラ「XXRapidFrame」は、超高速イメージングの限界に挑戦するカメラです。サブナノ秒の時間分解能を実現し、最速の物理現象にアクセスする新しいアプリケーションを可能にします。
3チャンネルのXXRapidFrame高速フレーミングカメラで撮影された高電圧放電開発の連続画像シリーズ。各チャンネルは、1.2nsの最短ゲーティングタイムを実現する4 Quik E ICCDカメラをベースにしています。画像シリーズは、チャンネル間の遅延時間を15nsに設定して撮影されています。
マルチチャンネルICCDフレーミングカメラによる超高速イメージング
2004年、Stanford Computer Optics, Inc.は、超高速フレーミングカメラ「XXRapidFrame」を発表しました。この超高速フレーミングカメラは、最高の時間的・空間的解像度という卓越した増倍CCDカメラの利点を生かしたものである。特に、200psの露光時間と10psのチャンネル間時間により、最速プロセスの連続画像を高解像度で撮影することができます。XXRapidFrameフレーミングカメラは、最大8つの増倍CCDチャンネルで構成されています。この設定により、最大8フレーム、1,000億フレーム/秒のフレームレートでの連続画像撮影が可能です。ダブルフレームモードを適用すれば、最大16フレームの連続画像を撮影することができます。したがって、XXRapidFrameカメラは、フラッシュオリジンやレーザーアブレーションなどの最速プロセスへのアクセスを提供します。
超高速イメージングのためのさまざまなアプリケーション
他に類を見ない特性を持つXXRapidFrameは、多くの研究分野で使用されています。このフレーミングカメラは、プラズマ研究、燃焼研究、超高速衝撃研究、レーザーアブレーション、電子ビーム硬化、核融合反応診断、雷や放電のダイナミクスなどに応用されています。上の連続画像は、3チャンネルのXXRapidFrame高速フレーミングカメラで撮影された高電圧放電の展開を示しています。各チャンネルは、1.2nsの最短ゲートタイムを実現する4 Quik E ICCDカメラをベースにしています。画像シリーズは、チャンネル間の遅延が15nsで撮影されます。小型・軽量でユニークな性能を持つ超高速フレーミングカメラをお探しの方は、超高速イメージングの経験を持つ当社の営業チームにご相談ください。
