Hamamatsu ORCA-Quest qCMOS камера C15550-20UP
C15550-20UP - перша у світі камера, що має вбудований датчик зображення qCMOS, та забезпечує високу якість кількісної візуалізації одиночних фотонів.
Ефективна кількість пікселів: 4096 (В) × 2304 (Ш)
Швидкість зчитування: 120 кадрів/с
Шум зчитування: 0,27е
Динамічний діапазон: 25900 : 1
Компанія Hamamatsu Photonics на основі унікальних технологій з 1980-х років розробляє високочутливі камери з низьким рівнем шуму та сприяє розвитку передових науково-технічних досліджень у цьому напрямку. На цей час у Hamamatsu Photonics з’явилась камера ORCA-Quest C15550-20UP, що має найвищу продуктивність.
C15550-20UP - це перша у світі камера, яка має вбудований датчик зображення qCMOS і здатна визначати кількість фотоелектронів за допомогою нещодавно розробленої спеціальної технології. Камера забезпечує максимально кількісне визначення зображення.
Нова кількісна технологія CMOS (qCMOS) нарешті дозволяє робити надійне кількісне визначення числа фотонів у межах кожного пікселя.
Чотири ключові особливості камери
1. Надзвичайно низький рівень шуму
Для того, щоб виявляти слабке світло з високим рівнем відношення сигнал/шум, у ORCA-Quest розроблені та оптимізовані всі складові частини камери - від структури датчика до електроніки. Не тільки розробка електроніки камери, але і виготовлення спеціального датчика, що виконане за останнім словом технології CMOS, дозволили досягти надзвичайно низьких показників шуму в 0,27 електрона.
2. Реалізація виводу зображення з визначенням числа фотонів (PNR)
Світло - це сукупність багатьох фотонів. Фотони перетворюються в електрони на датчику, ці електрони називаються фотоелектронами. «Визначення числа фотонів*» - це метод точного вимірювання світла шляхом підрахунку фотоелектронів. Для підрахунку цих фотоелектронів шум камери повинен бути достатньо меншим за кількість фотоелектронів у сигналі. Звичайні камери sCMOS забезпечують невеликий шум зчитування, але він все ще більший, ніж фотоелектронний сигнал, що ускладнює визначення числа фотоелектронів. Використовуючи вдосконалену технологію, камера ORCA-Quest підраховує фотоелектрони та забезпечує наднизький шум зчитування 0,27 електронів (середньоквадратичне значення при надповільному скануванні), стабільність за фактором температури/часу, індивідуальне калібрування та корекцію кожного значення пікселя у реальному часі.
* Визначення числа фотонів є унікальним і суттєво відрізняється від підрахунку фотонів (точніше, метод визначає кількість фотоелектронів. Однак, оскільки підрахунок одиночних фотонів замість підрахунку одиночних фотоелектронів використовувався для співставного методу у цій області, будемо використовувати термін «Визначення числа фотонів»).
3. Конструкція сенсора з заднім підсвічуванням та висока роздільна здатність
Висока квантова ефективність необхідна для продуктивного виявлення фотонів і досягається завдяки конструкції з заднім підсвічуванням. У звичайних датчиках з заднім підсвічуванням між пікселями виникають перехресні перешкоди (крос-токи) через відсутність розділення пікселів, і роздільна здатність зазвичай нижча, ніж у датчиків з переднім підсвічуванням. Датчик ORCA-Quest qCMOS® для досягнення високої квантової ефективності має конструкцію з заднім підсвічуванням, а для зменшення перехресних перешкод - конструкцію з канавками між пікселями.
4. Висока роздільна здатність і швидкість зчитування
Через підрахунок фотонів зображення зазвичай отримують за допомогою камери з множенням електронів, наприклад, камери EM-CCD з роздільною здатністю близько 0,3 мегапікселя. У той час ORCA-Quest може отримувати не лише зображення через підрахунок фотонів, а і зображення, де визначено число фотонів з роздільною здатністю 9,4 мегапікселя. Крім того, некоректно порівнювати швидкість зчитування камери з різним числом пікселів за частотою кадрів. Коректним для цього випадку буде використати швидкість зчитування пікселів за секунду (кількість пікселів × частоту кадрів). До цього часу найшвидшою камерою, здатною зчитувати пікселі, була камера EM-CCD із швидкістю близько 27 мегапікселів/с, а ORCA- Quest дозволяє визначати число фотонів зі швидкістю близько 47 мегапікселів/с, тобто майже вдвічі швидше.
Застосування
Квантові технології
Нейтральний атом, іонна пастка
Нейтральні атоми та іони можна розглядати як квантові біти (кубіти), оскільки вони можуть набути стану суперпозиції, в якому навіть один атом має кілька властивостей. Ця властивість активно досліджується для реалізації квантових обчислень та квантового моделювання. Спостерігаючи флуоресценцію захоплених іонів та нейтральних атомів, можна визначити стан кубіта, а для зчитування флуоресценції використати камеру з низьким рівнем шуму.
Імітаційне зображення (Атом рубідію@780 нм/Кількість атомів: масив 5×5/Атомне випромінювання: 2000 фотонів/Фон: 5 фотонів/Збільшення: 20× (NA: 0,4)/Відстань між кожним атомом: 5 мкм)
Астрономія
Отримання астрофотографій
Під час спостереження зірок із поверхні землі зображення зірки може бути розмитим внаслідок атмосферної турбулентності, що істотно знижує можливість отримувати чіткі зображення. Однак коротка експозиція при правильних атмосферних умовах часом дає змогу робити чіткі зображення. Дана камера дозволяє отримувати велику кількість зображень та вибирати з них лише найбільш чіткі.
Туманність Оріона (кольорове зображення з 3 світлофільтрами)
Раманівська спектроскопія
Раманівський ефект - це розсіювання світла на довжині хвилі, яка відрізняється від довжини падаючого світла, а раманівська спектроскопія є методикою визначення властивостей матеріалу шляхом вимірювання цієї довжини хвилі. Раманівська спектроскопія дозволяє проводити структурний аналіз на молекулярному рівні і отримувати інформацію про хімічний зв’язок, кристалічність тощо.
Сповільнена флуоресценція у рослин
Рослини випромінюють дуже невелику кількість світлової енергії, з тієї, яку вони поглинають для фотосинтезу, у вигляді світла протягом певного періоду часу. Це явище відоме як сповільнена флуоресценція. Виявляючи це дуже слабке світло, можна спостерігати за впливом на рослини хімічних речовин, патогенів, навколишнього середовища та інших стресових факторів.
