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不放过任何一个光子的isCMOS

来源:www.lustervision.com    日期:2018-08-15    点击次数:

CMOS是近年来发展迅猛的一种高灵敏技术,sCMOS又称为“科学级CMOS”。为什么这么说呢,因为sCMOS最高可达550万分辨率,高达62%~82%的量子效率,动态范围93dB,最666的要说是噪声水平可以抑制在1e-以下,真正达到科学级!性能远高于传统的CCD、CMOS探测器。


▲传统CCD与sCMOS芯片拍摄效果直接肉搏


isCMOS 是新一代强化型sCMOS相机,灵敏度非常高,适用于UV、VS、NIR等多种波段。传统ICCD相机使用CCD芯片,在超短曝光时间中,无法吸收到足够的曝光量。而isCMOS靠着纳秒级门控和相关控制模块,完美的解决了这个问题,可以为微光环境应用,以及更高的时间分辨率提供更可靠的性能保证!


快门一闭一睁 光子就过去了

在微光世界中,入射光的强弱可是不由人做主,无法直接实现倍增,必须要将光信号转化成为电信号,之后将电信号放大后再转换为光信号,才能实现芯片捕捉更多的光子。


在isCMOS相机中,整个过程是由一个叫做图像增强管的东西完成的。它主要包括三个部分:光电阴极(photocathode)、微通道板(MCP)以及荧光屏(phosphor screen)。


 
▲isCMOS中图像增强管的布局原理。


光电阴极实际上就是一层薄薄的涂覆材料。虽然只有几微米厚,光子经过这里的时候就会转化成电子。


当光电阴极的电压为-180V时,从光电阴极上飞出的电子在电压的作用下就会进入到下一步的MCP中,此时就相当于快门曝光状态。当光电阴极的电压为+80V时,电子就被电压牢牢地束缚在光电阴极上,不会进入到MCP中,此时就相当于快门关闭状态。


于是乎,当光电阴极的电压在-180V到+80V之间超快速切换时,isCMOS相机就实现了超快的快门速度,曝光时间最短仅为3ns。所以pco.dicam C1可以抓拍到更快的瞬态照片清晰无拖影,而传统相机就只能糊成一片。


比如,532nm波段的激光瞬时拍摄就非常讲究“火候”,时间短了拍不到,时间长了芯片烧坏了。凭借pco.dicam C1纳秒级门控,就完全可以拍摄到更清晰的图像。


我在秋天种下的电子


从光电阴极出来的电子,就要经过MCP。MCP是一种电子倍增器,里面有成千上万的通道供电子游走。每个电子撞击到通道壁上,就会被通道壁加压而产生二次电子。于是乎,一个变两个,两个变四个,四个变八个……就这样,我们就收获了超多倍的电子。


 
▲pco.dicam C1电子倍增器的特写。就是在这个里面,将光子转化出来的电子加速、撞击、生成二次电子。这个过程重复了N多次之后,最终在输出端输出了大量的电子。

所以说,MCP面积越大、上面的通道密度越高,最终的成像效果越好。pco.dicam C1相机中使用的MCP有25mm直径,但是有着超过1000万个通道,且每一个通道都能够作为独立的倍增通道。


因为MCP的通道像镜头一样,所以我们也可以用评价镜头成像品质的MTF参数来评价。MTF在0~1之间,越接近1则说明镜头性能越优异。而pco.dicam C1的高质量MCP最大MTF值竟然可以高达83 LP/mm!


在经过MCP的放大作用后,原来星星点点的电子已经倍增成了燎原之火,加速打在同样是薄薄一层磷光体的荧光屏上,在6~7千伏静电电压的作用下,荧光屏将电子转换为了光子,继续下一段旅程。


光栅耦合 or 透镜耦合?


传统isCMOS采用光栅耦合。什么是光栅耦合?你可以理解为一把光纤包装好,两边剪断后融化一端,最终形成一个锥子一样的形状。大的那端负责接收荧光屏上发出的光子,光子从小的那端落入到相机芯片里面,从而成像。


抛开难以控制的玻璃软化工艺水平不说,从荧光屏到光栅之间,从光栅到光锥之间,从光锥到芯片之间,这些都是存在空隙的,光子在玻璃中和空气中的折射率并不一致,致使荧光屏发出的大量光子会在这个过程中含恨败北。


部分产品采用粘合剂或者填充油来弥补空隙带来的损耗,但是这样会带来更大的维修和密封问题。而且最关键的是,除了提升成本降低设备可靠性之外,并没有从根本上解决光栅耦合量子效率低的问题。


 
▲光栅耦合结构的简单示意图。A即为从荧光屏到光栅之间的空隙;B为从光栅到光锥之间的空隙;C1/C2为从光锥到芯片之间的空隙。

pco.dicam C1使用两个透镜组成的棱镜组来进行耦合。是的,只有两片透镜,负责将物体发出的所有光线都转换为平行光线,最终将光线聚焦在成像芯片上。这种光学设计可以完美地避开所有光栅耦合的缺点,保证了传输的高效率和完美的图像质量!


 
▲透镜耦合 wins

专为科研而生

pco.dicam C1首次实现了4.2MP分辨率16bit数据下,高达104fps的高速帧频。配合超高速的CameraLink HS接口,低延迟、低抖动,图像数据速率最高可达840MByte/s。


pco.dicam C1拥有过人的量子效率,可以根据用户的应用选择不同材料的荧光屏。这样也可以使得部分波段QE甚至接近100%!简直是科研神器般的存在!


pco.dicam C1还贴心的提供了光纤接口,为使用各种加速器、对撞机等大型设备的高能物理用户提供了极大地方便。相机控制PC和相机之间的距离可以很容易的达到几百米,而无需光电转换器或者信号中继器。降低了部署成本,同时也减少了潜在的信号误差源头。低成本的光纤线缆还可以天然避免各种电磁干扰,甚至已经作为高能量实验室中的标配


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