НПП НАНОСКАН: Продукция

Кадровая быстродействующая электронно-оптическая камера
НАНОГЕЙТ-38 для регистрации изображений в наносекундной области времени с линейным динамическим диапазоном более 1000 при нелинейности характеристики Свет/Сигнал не более 1%

Научно-Производственное Предприятие НАНОСКАН разработало и начало производство импульсных (затворных) электронно-оптических камер (ЭОК) нового поколения, НАНОГЕЙТ-38. Их основное назначение  детальное, прецизионное исследование пространственно-временных и энергетических характеристик быстропротекающих процессов в нано - и микросекундной области времени.

ЭОК обладает возможностью регистрировать изображение с длительностью экспозиции от 60 нс до 1 200 мкс, в котором присутствуют как области с предельно малыми уровнями энергетической экспозиции, так и уровнями в тысячу раз большими. Нелинейность преобразования Свет-Сигнал в динамическом диапазоне 1:1000 составляет не более 1%.

ЭОК могут объединяться в многокамерные комплексы, управляемые от одного компьютера, для получения серии изображений быстропротекающего процесса.                            

Состав ЭОК:

- бипланарный (диодный) электронно-оптический преобразователь (ЭОП) с рабочим диаметром фотокатода 25 мм;

- малогабаритный высоковольтный (6… 9 кВ) формирователь, импульс с выхода которого подается между фотокатодом и экраном ЭОП. Длительность включения (длительность экспозиции) ЭОП определяется длительностью высоковольтного импульса;

- цифровая малошумящая система считывания (ЦСС) и передачи в компьютер зарегистрированного изображения с экрана ЭОП.

- проекционный объектив с масштабом переноса 1:1 и угловой апертурой 18, передающий изображение с экрана ЭОП на ЦСС.

- интерфейс связи ЭОК с управляющим компьютером.

Изображение исследуемого быстропротекающего процесса фокусируется на фотокатоде ЭОП. При поступлении на вход ЭОК сигнала Пуск, в соответствии с установленными параметрами задержки и длительности экспозиции, высоковольтный формирователь затворных импульсов подает на фотокатод импульс с амплитудой (6…9) кВ, который открывает его на установленное время в диапазоне от 60 нс до 1 000 мкс.

Изображение с экрана ЭОП через проекционный объектив передается с масштабом 1:1 на крупноформатный сенсор sCMOS ЦСС.

- Размер сенсора 22,522,5 мм;

- Число пикселей 20482048;

- Размер пикселя 1111 мкм;

- Полный заряд пикселя 91 000 e^;

- Шум чтения 1,5 e^.

Для стабилизации параметров сенсор термостабилизирован при температуре +5С.

На измерительных стендах НПП НАНОСКАН определяются основные параметры НАНОГЕЙТ-38: функция темнового тока и передаточная характеристика.

В НПП НАНОСКАН разработаны специальные программы

1. Cerntrum - для компенсации неоднородности экспозиционного поля ЭОК.

2. Iso_Line_v1.0 - для линеаризации передаточной характеристики ЭОК.

Созданная ЭОК обладает уникальной совокупностью параметров:

• Чувствительность: одноквантовая, в том смысле, что каждый выбитый из фотокатода ЭОП фотоэлектрон обязательно примет участие в формировании конечного изображения.

• Динамический диапазон: не менее 1400.

• Нелинейность передаточной характеристики: не более 1 %.

• Пространственное разрешение по 5 %‑ному критерию контраста стандарта Государственного Оптического Института РФ: не менее 980 линий на горизонтальный (вертикальный) габарит изображения.

• Время открытия затвора: от 60 нс до 1 200 мкс

• Нестабильность запуска ЭОК (джиттер)   не более 20 нс.

• Минимальное время задержки пуска  100 нс.

Уникальные характеристики получены в ЭОК, в которой в одном корпусе объединены и ЭОП с малогабаритным высоковольтным формирователем затворного импульса (6…9) кВ, и малошумящая система sCMOS ЦСС.

Камера НАНОГЕЙТ-38, обладая приведенными выше фотоэлектронными и конструктивными характеристиками, на сегодняшний день не имеет аналогов в мире.

Описание работы

 Внутренний вид Камеры НАНОГЕЙТ-38

Габариты (д, ш, в) ….. 34875220 мм;

Вес, не более …………. 7 кг

Представленный вариант конструкции камеры всего лишь один из возможных, который определен требованиями конкретной задачи – минимизировать расстояние между оптическими осями трехкамерного комплекса (рис.3), управляемого с удаленного компьютера

Трёхкамерный комплекс НАНОГЕЙТ-38/3

Сенсор ЦСС чрезвычайно чувствителен к электромагнитным помехам любого типа, поэтому применена многоуровневая экранировка всех электронных блоков камеры с бесконтурной схемой заземления. Кроме того, высоковольтная и аналого-цифровая части ЭОК гальванически развязаны.

В качестве затвора в камере НАНОГЕЙТ-38 используется бипланарный (диодный) ЭОП без микроканальной пластины с мультищелочным фотокатодом. Этот выбор основан на опыте работы НПП НАНОСКАН как с ЭОП с МКП, так и с бипланарными ЭОП, а также, с различными типами фотокатодов.

Использование ЭОП с МКП в прецизионных высокоскоростных регистраторах ограничено их малым динамическим диапазоном и существенной, неконтролируемой нелинейностью передаточной характеристики МКП зависящая как от коэффициента усиления МКП, так и от уровня входного сигнала.

• Высокий уровень шумов связан с неопределенностью коэффициента размножения первого фотоэлектрона при входе в МКП  целое число с небольшим значением. Эта неопределенность при дальнейшем усилении никак не компенсируется.

• Нелинейность МКП вызвана ограничением количества возможных вторичных электронов в канале. Это приводит к тому, что чем выше поток входных электронов, тем меньше коэффициент усиления канала. Такая параметрическая нелинейность практически не корректируется.

К тому же, применение МКП уменьшает квантовую эффективность ЭОП в 1,4 раза, так как входные каналы МКП занимают лишь 66 % ее площади.

Выбор мультищелочного фотокатода так же не случаен. Проведенные исследования показали, что при коротких фотонных экспозициях арсенид-галлиевому фотокатоду свойственен специфический дробовой шум в виде «снега», что сильно снижает динамический диапазон камеры на его основе (рис. 4). Чем короче фотонная экспозиция, тем выше уровень указанного шума. У мультищелочного фотокатода такого эффекта не наблюдается.

Зависимость отношения сигналшум камеры от времени фотонной экспозиции 
при использовании фотокатода GaAs

Объектив переноса с апертурой 18

Разработанный в НПП НАНОСКАН проекционный объектив с масштабом переноса изображения 1:1 и апертурным углом 18 обеспечивает передачу 4 % света с люминофора экрана ЭОП диаметром 25 мм на sCMOS сенсор. Этого достаточно, чтобы световая вспышка от каждого фотоэлектрона была зарегистрирована и участвовала в формировании конечного изображения.

Проекционный объектив МК07 

Оптическая схема объектива такова, что практически не вносит в передаваемое изображение существенных искажений. Так в области переноса 0,9 от полного апертурного радиуса геометричес­кая дисторсия не превышает 0,2 %. (Рис. 5).

Ортогональная сетка, зарегистрированная камерой НАНОГЕЙТ-38

По согласованию с заказчиком фирма НПП НАНОСКАН может включить в поставляемое ПО коррекцию дисторсионных искажений, включая краевые. Применение механизма антиалиайзинга сохранит пространственное разрешение изображения после программной коррекции дисторсии.

Сенсор sCMOS относится к новому классу светочувствительных матриц  scientific CMOS  sCMOS. Такой сенсор имеет два цифровых выхода: чувствительный и стандартный. К тому же, у них малый шум чтения и высокая разрядность оцифровки (12 бит). Технология экспонирования фотодиодов со стороны подложки (BSI  back side illumination) позволяет достичь практически предельной квантовой эффективности регистрации  95 %.

Но любым CMOS-структурам свойственна нелинейность передаточной характеристики свет-сигнал. Поэтому каждая матрица проходит процедуру измерения ее характеристик и калибровки на испытательных стендах предприятия НПП НАНОСКАН. Полученные данные обрабатываются в программе Iso_Line_v1.0 , что гарантирует пользователю высокую линейность характеристики свет-сигнал во всем диапазоне экспозиций. На рисунке 6 приведены типовые характеристики сенсора sCMOS для чувствительного и стандартного каналов оцифровки.

Типовые характеристики сенсора sCMOS для чувствительного и стандартного каналов оцифровки.

Специальное программное обеспечение

Высокое качество получаемых изображений обеспечивается не только аппаратными, но и программными средствами. В ходе предобработки используются результаты калибровки сенсора, что позволяет получить изображения высокого качества

Результаты лабораторных испытаний

Основными контролируемыми параметрами являются линейность функции свет-сигнал и широкий динамический диапазон.

Линейность проверяется по оптическим клиньям. Здесь для наглядности приведен простой пример контроля линейности по клину таблицы 0249^бис

Результат контроля линейности по клину таблицы 0249^бис 

Широкий динамический диапазон демонстрирует приведенная ниже серия кадров:

Оптимальная экспозиция

    
Экспозиция 10% от оптимальной           Экспозиция 1% от оптимальной

  
Экспозиция 0.1% от оптимальной           Экспозиция 0.01% от оптимальной

Серия изображений таблицы 0249^бис при изменении экспозиций в 10 000 раз

Здесь следует обратить особое внимание на то, что даже уменьшение экспозиции в 10000 раз оставляет таблицу узнаваемой. При этом уже реализуется одноквантовый режим регистрации, когда становятся различимыми отдельные фотоэлектроны, формирующие изображение. Таким образом, камера НАНОГЕЙТ-38 не нуждается в МКП для усиления электронного изображения при регистрации сцен со сверхмалой экспозицией.

В качестве дополнительного примера сравним изображения таблицы 0249^бис с изображениями, любезно предоставленными фирмой pco^© (рис.. 10). Слева приведен фрагмент кадра, полученный камерой НАНОГЕЙТ-38 при экспозиции 110000 от номинальной. Справа  фрагмент кадра такого же пиксельного размера, снятый на камеру pco.dicam C1^© при напряжении на МКП 1100 В. Фотонная экспозиция при этом совпадает, в обоих случаях регистрируется каждый фотоэлектрон.

Сравнение камер НАНОГЕЙТ-38 и PCO.Dicam C1^©

Из-за специфики работы МКП при больших коэффициентах усиления квантовые флуктуации кадра камеры PCO.Dicam C1^© заметно выше.
Здесь следует особо отметить, что одноквантовая чувствительность камеры PCO.Dicam C1^© достигнута за счет большого коэффициента усиления МКП. При таком коэффициенте усиления в принципе нельзя получить «внятный» кадр регистрируемой сцены. А для камеры НАНОГЕЙТ-38  это штатный режим. То есть, сцены с однофотонной и номинальной экспозицией могут быть частью одного кадра.

Перейдем от однофотонных сцен (рис.11) к слабоосвещенным (1 % от номинальной экспозиции). Как и в предыдущем случае, слева  фрагмент кадра, полученный камерой НАНОГЕЙТ-38 при экспозиция 1100 от номинальной, справа  фрагмент такого же пиксельного размера камеры PCO.Dicam C1^© при напряжении на МКП 700 В (равная фотонная экспозиция). Ниже приведены фрагменты меньшего размера в 14 габарита изображения (512512 пикселей).

 Рис. 11 Слабоосвещенные сцены

В этом случае становится особенно заметной разница в структуре шумов. Шум камеры НАНОГЕЙТ-38 типичен для «классических» квантовых флуктуаций. А у камеры PCO.Dicam C1^© шум носит кластерный характер, свойственный МКП. Такой шум делает невозможным уверенную регистрацию небольших объектов малого контраста.

И снова отметим, что для регистрации сцены с данной экспозицией для камеры pco.dicam C1^© пришлось «подбирать» напряжение МКП, а камера НАНОГЕЙТ-38 регистрирует сцену «как есть».

Здесь следует отметить факт недобросовестной рекламы камер с затворами на базе ЭОП с МКП. Производители таких камер декларируют «огромный» динамический диапазон. На самом деле имеется в виду совершенно другое  диапазон регистрации. Отличие  принципиальное. Да, камеры с ЭОП с МКП способны регистрировать и сцены, формируемые отдельными фотонами, и очень яркие сцены. Но, при этом приходится менять коэффициент усиления МКП. То есть, одновременная регистрация «темного» и «яркого» принципиально невозможна.

Камера НАНОГЕЙТ-38 избавлена от такого недостатка и способна регистрировать по-настоящему контрастные сцены в одном единственном кадре.

Области применения

Ядерная физика. Обладая высокой чувствительностью и большим динамическим диапазоном, камера НАНОГЕЙТ-38 применима как для прямой регистрации изображений со сцинтилляционных детекторов, так и для получения теневых изображений с трековых детекторов (камера Вильсона, пузырьковая камера и другие). Используя затворные свойства камеры, можно получить информацию в интервале времени, представляющем наибольший интерес. Например, в нейтронографии формирование потока нейтронов сопровождается гамма-вспышкой, которую можно «пропустить», открыв затвор непосредственно перед моментом прихода на детектор нейтронов. При этом особо следует отметить, что камера НАНОГЕЙТ-38 за счет своей линейности позволяет измерять энергетические параметры процесса, что невозможно с применением ЭОП с МКП.

Импульсная рентгенография. Процесс взаимодействия рентгеновского излучения с веществом носит экспоненциальный характер, поэтому изображения, получаемые в импульсной рентгенографии, могут иметь как очень большой, так и чрезвычайно малый контраст. В обоих случаях камера НАНОГЕЙТ-38 позволит получить изображения требуемого качества. Линейность камеры позволяет корректировать неравномерность экспозиционного пучка. Это делает возможным измерение массовой нагрузки объекта (рентгенографической толщины). Для получения высокого временного разрешения можно воспользоваться затвором и «вырезать» только часть зондирующего рентгеновского импульса.

Исследование быстропротекающих процессов. Здесь камера НАНОГЕЙТ-38 может найти самое широкое применение. Простота масштабирования измерительных комплексов на ее основе позволяет использовать несколько камер для многокадровой регистрации процесса, а так же получать стереопары для анализа трехмерной структуры объекта. Линейность камеры после соответствующей калибровки позволяет проводить пирометрические исследования, то есть, получать температурную картину объекта исследований.

Пример применения: протонография. Ниже приведен пример применения камеры НАНОГЕЙТ-38 в составе протонографического комплекса Института Физики Высоких Энергий, г. Протвино, Московская область.

В качестве зондирующего излучения используются протоны с энергией 50 ГэВ. Каждый из 28‑ми протонных пакетов (банчей) формирует на сцинтилляторе вспышку длительностью 40 нс. Время между банчами  165 нс. Затвор камеры (затворный фактор более 1000) исключает влияние остальных банчей изображение, регистрируемое камерой НАНОГЕЙТ-38.

Затворный фактор ЭОП регистрации. Ниже приведен результат регистрации теневого протонного изображения тестового клина и его представление в псевдоцветах:

Регистрации теневого протонного изображения тестового клина и его представление в псевдоцветах

 Анализ относительных амплитуд ступеней клина подтвердил, что нелинейность передаточной характеристики не превышает 0,5 % (измеренное значение  0,39 %). Но особое внимание следует обратить на четыре выточки небольшого размера. Они присутствуют на всех ступенях клина и имеют контраст относительно ступени 11000, 1/500, 1330, 1200 (от нижнего левого угла ступени по часовой стрелке). Понятно, что подобные объекты не могут быть замечены на черно-белом представлении кадра. Даже на представлении кадра в псевдоцветах их видность не очень высока. Тем не менее, все выточки регистрируются камерой НАНОГЕЙТ-38.

Ниже приведен результат регистрации штриховой миры для контроля пространственного разрешения (слева) и его фрагмент (справа).

Регистрация штриховой миры

Нижний центральный штриховой участок имеет контраст 18 % относительно амплитуды миры и соответствует пространственному разрешению 560 линий на изображение. Штриховой участок над ним визуально неразличим, тем не менее, контраст его штрихов составляет 0,7 % и соответствует разрешению в 1025 линий на изображение. К сожалению, шаг этой миры достаточно грубый, а регистрация ее в разных масштабах  дело затратное. С учетом того, что теневой контраст миры 22 % (из-за огромной проникающей способности протонов высоких энергий невозможно получить теневое изображение 100 % контраста), расчет пространственного разрешения, приведенный к критерию 5 % контраста стандарта Государственного Оптического Института РФ, дает 950 линий на изображение. Это не противоречит данным, полученным ранее в ходе оптических испытаний.