购买CCD系统时应考虑什么

在选择科学相机时，还应评估其他参数，以确保相机能够在最广泛的应用范围内提供最佳性能。万博电脑网页版登录这些包括:

• 传感器读出优化选项
• 冷却的选项
• 同步信号
• 计算机接口选项

为了让相机为最广泛的应用进行优化，重要的是有相机读数选项，这些包括;万博电脑网页版登录

• 传感器前置放大器选项
• 可变像素速度选项
• 可变垂直换挡速度选项
• 分箱和子图像选项

下面几节将解释这些选项及其选择的原因。

CCD传感器的动态范围比目前数码相机中可用的A/D转换器和信号处理电路所能真实再现的范围大得多。为了获得从最小到最大的信号范围，并优化相机性能，有必要允许不同的前置放大器增益。让我们以一个传感器为例，它有各种各样的选项来理解问题，看看如何使用不同的前置放大器增益让我们做出最佳选择。如果我们考虑DU920N-BV光谱相机，传感器的读出噪声< 4e-。单个像素的全阱容量为500Ke-，如果我们将传感器放入容器，则其有效全阱容量为1,000Ke-。单像素动态范围为125,000 ~ 1，分箱动态范围为250,000 ~ 1。带有16位模数转换器(ADC)的相机只有65536个不同的电平，因此我们立即陷入困境。ADC不能覆盖CCD的全部动态范围。如果我们将相机前置放大器的增益设置为4e-，那么噪声将约为1计数，但ADC将在~262Ke-饱和。如果我们将相机前置放大器的增益设置为~16e-，那么ADC将在~ 1000ke饱和，但现在在单个ADC计数内将丢失最低电平的信号。 The limited range of the ADC effectively creates a new noise source. The ADC produces discrete output levels and a range of analog inputs can produce the same output. If we consider the quantization noise that arises from the imperfect transformation of analog signals to digital signal sby the ADC the uncertainty of error produces an effective noise given by:

其中Nwell是像素电子的有效全阱容量，n是ADC的比特数。如果我们将此噪声与4e的噪声底正交，我们可以看到这限制了系统的动态范围。

您可以立即看到，除非前置放大器的增益设置得足够高，否则来自ADC的噪声会显著增加整个系统的噪声。为了达到最高的灵敏度或最低的噪声，重要的是有一个前置放大器设置，允许ADC噪声可以忽略不计。这可以通过设置一个增益来实现，其中读噪声远小于a /D的1个计数(在上面的情况下是一半)。设置增益的下一个逻辑点是优化ADC以匹配单个像素的全阱，即最高计数水平等于全阱深度。前置放大器增益的第三个逻辑设置是将最高ADC计数匹配到读出寄存器的完整阱深(通常是单像素深度的2倍)。该电平允许最高的信噪比。

获得	饱和	ADC噪声	总噪声	评论
2 e - / ADC	~ 130000	0.6	4.0	最高灵敏度
8 e - / ADC	~ 524000	2．3	4.6	单像素的最佳信噪比
16 e - / ADC	~ 1000000	4.4	5.9	最好的S/N比的二进制像素

水平读出速率定义从移位寄存器读取像素的速率。水平读出速率越快，所能达到的帧速率就越高。改变像素读出速度的能力对于实现相机操作的最大灵活性非常重要。较慢的读取通常允许较低的读取噪声，但以较慢的帧速率为代价。取决于相机，可能有几种可能的读出速率可用。

垂直移动速度:将帧垂直移动一行到移位寄存器所花费的时间。改变垂直位移速度的能力很重要，原因有几个。使用不同的垂直速度可以更好地将帧速率与外部事件(如共焦旋转圆盘)同步。更快的垂直位移速度也有利于降低时钟诱导电荷，特别是对于EMCCD的ixon3 EMCCD相机。垂直位移速度较快的缺点是电荷转移效率降低。这对于明亮信号尤其重要，因为具有大信号的像素可能会留下大量电荷，从而导致空间分辨率下降。您可以从CCD设置采集对话框的下拉列表框中选择垂直移位速度(电荷在读取之前沿CCD芯片向下移动的速度)。速度实际上是垂直移动一条线所花费的微秒时间，即较短的时间=较高的速度。较慢的垂直时钟可以确保更好的变化传输效率，但会导致较慢的最大帧速率和可能更高的井深。为了提高传输效率，可以使用垂直时钟电压振幅设置提高时钟电压。 However, the higher the voltage, the higher the clock-induced charge. The user must make a measured judgement as to which setting work best for their situation. At vertical clocks of 4µs or longer the "Normal" voltage setting should be suitable.

提高帧率只能通过有效地减少要读取的像素总数来实现。有两种主要的方法来实现更高的帧速率，要么通过分箱，要么通过子图像或裁剪模式读出。分组是将一组像素的电荷加在一起的过程。除了实现更快的帧率，这增加了信噪比，但它也降低了图像分辨率，因为总和像素作为一个大的超级像素。在读出像素之前将像素加在一起可以减少像素的数量。子图像或裁剪模式是将活动图像的一部分读出或裁剪并丢弃周围的无关图像的过程。子图像区域可以是传感器的任何较小的矩形区域，子区域越小，要读出的像素就越少，因此帧速率就越快。还可以结合使用子区域和将它们分箱的技术来实现更快的帧速率。另一种实现超快帧率的方法是使用一种特殊形式的作物模式，称为隔离作物模式，以进一步加快帧率在特殊情况下。如果只有传感器的左下角被照亮，则传感器的其余部分可以忽略，并且由于最接近读出寄存器的子图像被读出，因此摄像机不需要在再次读出子图像之前丢弃图像的其余部分。 This saves time and speeds the cropped mode up even faster.

冷却传感器可以降低噪声，这对于高灵敏度测量非常重要。相机的性能随着温度的降低而提高，这不仅是因为暗电流的降低，而且是因为瑕疵的影响减少了。将传感器冷却到-100ºC以下的好处有限，低于-120ºC的许多传感器不再工作。冷却可以通过使用专有的热电冷却器或焦耳汤普森冷却器如Cyrotiger来实现。历史上，传感器的冷却一直是用液氮(LN2)完成的。使用LN2作为冷却剂，充其量是不方便的。维护、运行成本、偏远地区的可用性以及材料的危险性质都限制了ln2冷却装置的实用性。在不同温度下操作冷却的能力是有用的。当需要最高灵敏度时，将温度设置为最低是最好的。为了使传感器获得最佳的长期稳定性和最低漂移设置，应将温度设置为可能的最低温度的大约四分之三。 To operate the sensor at the most efficient power setting the sensor should be set to approximately half the minimum temperature.To cool the sensor it must be operated in a vacuum. To efficiently cool it, the sensor should be the coldest component in the camera, unfortunately that means if the sensor is not in a very good vacuum the sensor now becomes the surface of choice for condensates such as moisture and hydrocarbons. Condensates degrade the sensor and damage its performance particularly it's quantum efficiency. Andor has developed our proprietary UltraVac™ enclosure to ensure the highest vacuum possible and one that remains for a minimum of 5 years guaranteed.

我们的相机是在贝尔法斯特的生产工厂生产的，该工厂拥有10000级洁净室，这对于构建高质量的永久真空系统至关重要——这意味着每立方米小于1万个尺寸小于0.5微米的颗粒。Andor创新的真空密封设计意味着只需在传感器前面设置一个窗口，即可实现最大的光子吞吐量。该设计适用于在光子匮乏条件下运行的高端CCD相机。抗反射涂层也是进一步提高性能的一种选择，MgF2窗口可用于120nm以下的操作。我们都知道事情远比这复杂。像素大小需要考虑在内，减少暗电流是真正的目标，即使这对于传感器和制造商来说也会有所不同，但是值得考虑不同的冷却选项，以便我们可以最好地配置我们的系统解决方案。在冷却传感器时，应该认识到TE冷却器会从传感器中去除热量，现在必须将这些热能从相机中移除，以使相机将传感器保持在适当的温度。这可以通过使用空气或水来去除相机的多余热量来实现。使用空气是一个很好的和有效的方法从CCD散热。

风冷的优点:
-方便:不依赖任何额外的电源或设备
-没有与液氮相关的问题或危险
-不存在使用低于环境露点的冷却水的问题

空气冷却的缺点:
-探测器设计变得大而笨重
-电力需求将大大增加
-风扇的振动可能会影响测量

水也是一种很好的有效的方式来消除多余的热量。水作为一种介质，从相机头部内部带走热量，多余的热量随后可以转移到空气冷却中。水可以来自任何清洁水源，如水龙头或水循环器。

使用循环水器的优点:
-这是一个紧凑和有效的冷却辅助
-一旦水被添加到循环器:不需要自来水供应，使单位非常便携
-凝结通常不是问题

使用循环水器的缺点:
在系统设置中增加了另一件设备

水也可以来自冷水机。冷水机组可以在更大的温度范围内使用，以达到最佳的冷却性能。冷却装置设定可靠的相机体温，减少漂移。然而，要注意的一个问题是，冷却水的温度不能低于周围大气的露点。例如，在一个25°C，湿度40%的房间里，露点是8.5°C，所以用10°C的水冷却就可以了。如果你使用低于8.5°C的水，那么水分就会开始凝结在头部的电子设备上，这可能会导致严重的损坏。

通常需要将相机的读取与外部硬件相协调。外部硬件的例子是声光开关激光源或像机械快门一样简单。Andor相机有几种机制来允许这种情况发生。首先，摄像头可以在内部触发，即摄像头作为主机并发出信号，让其他硬件意识到它正在进行扫描。运行时，相机在“FIRE”信号连接器上发送TTL脉冲。该摄像头可作为外围设备操作，并可外部触发。在这种情况下，相机在拍摄曝光前等待EXT TRIG连接器上的TTL信号。

摄像头或个人电脑本身并不是特别有用。其价值在于能够将它们连接起来，然后使用它们各自的属性来做更多的事情。照相机可以捕捉图像，个人电脑可以将这些图像转换成真实的信息。我们将在这里回顾各种可用于连接相机到PC的接口。
一种总线标准
USB
火线1394
互联网

通用串行总线的最初版本，即USB 1.1，大约在2000年开始出现。USB端口现在在新的Windows和Macintosh电脑上是通用的。USB 1.1传输数据的速度可达每秒12兆比特(Mbps)。对于许多设备来说，这已经足够了，但有些设备——比如扫描仪、摄像机、外置硬盘驱动器和外置CD驱动器——从更快的速度中获益良多。因此，一个名为USB实施者论坛的行业组织将USB 2.0作为第二代标准。USB 2.0比其前身快40倍，能够以480 Mbps的速度传输数据。

火线接口是由苹果电脑公司在20世纪90年代中期开发的，并在IEEE 1394计算机接口标准之后被一个名为1394贸易协会的独立贸易协会采用。另一个主要的支持者是使用i.Link名称的索尼。火线可以作为同步设备运行，允许短时间内高速带宽。最近与1394一起推出的数据传输速度现在可以达到800mbps，比USB 2.0还要快。苹果(Apple)和索尼(Sony)在所有电脑上都安装了1394个端口;其他一些制造商，尤其是康柏，在一些高端机型上安装了1394，但该接口的使用没有USB 2.0那么广泛。

PCI (Peripheral Component Interconnect)总线于1991年由Intel首次推出，以取代ISA/EISA总线。总线不是热插拔的，需要打开计算机才能访问插槽。后来由PCI特殊兴趣小组(PCI- sig)接管，他们在1993年修订了协议。总线提供了1gb /s的总可用带宽，但这是在插槽之间共享的，这意味着高需求的设备可以很快饱和带宽。1997年，这个问题通过实现一个单独的AGP插槽(加速图形端口)和专用带宽得到了部分缓解。在集成组件的同时，还在芯片级别采取了其他步骤，这有助于扩展PCI的可行性。然而，随着SATA、RAID、千兆以太网和其他高要求设备的出现，需要新的架构。PCI总线预计将在2006年逐步淘汰，为PCI快速总线让路。

PCI Express是一种可扩展的I/O(输入/输出)串行总线技术，用于取代并行PCI总线，后者是90年代初制造的主板上的标准。在2005年下半年，PCI Express插槽开始与标准插槽一起出现，开始逐步过渡。PCI Express不仅对用户而且对制造商都有几个优点。它可以实现为台式机、移动设备、服务器和工作站的统一I/O结构，并且在板级实现它比PCI或AGP更便宜。这使得消费者的成本很低。它还被设计为与现有的操作系统和PCI设备驱动程序兼容。一种总线标准Express is a point-to-point connection, meaning it does not share bandwidth but communicates directly with devices via a switch that directs data flow. It also allows for hot swapping or hot plugging and consumes less power than PCI.The initial rollout of PCI-Express provides three consumer flavors: x1, x2, and x16. The number represents the number of lanes: x1 has 1 lane; x2 has 2 lanes, and so on. Each lane is bi-directional and consists of 4 pins. Lanes have a delivery transfer rate of 2 Gbs in each direction for a total of 500 GBs per lane.