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ImagEM X2-1K EM-CCD camera

ImagEM-X2-1K-EM-CCD-camera-01.jpg ImagEM X2-1K (C9100-24B)은 Full frame에서 18.5fps가 가능하고 고감도(1024x1024 pixel)의 다용도 카메라입니다. 어두운 조건에서 매우 높은 S/N와 극도로 낮은 dark current의 특징을 지닌 ImagEM X2-1K는 long integration time과 high speed로 ultra-low light imaging을 실현합니다. EM gain off로 full well capacity는 가장 낮은 contrast bright image로부터 정보를 추출해낼 수 있습니다. 추가적인 특징으로는 camera triggering 최적화, EM gain protection 기능 탑재, IEEE1394b I/F를 통한 연결, 개선된 S/N 그리고 non-EM dynamic range의 향상 등이 있습니다. Hamamatsu 사는 1024X1024 EM-CCD sensor를 채택하여 최대의 speed와 정밀한 performance를 실현하도록 재 고안 하였습니다.

Hungry for Photons

Large pixels, 높은 양자효율, zero readout noise로 EM-CCD technology는 미세한 빛의 조건에서도 수행할 수 있습니다. sample과 background 사이에 10 photon보다 더 적은 빛을 취했을 때, EM-CCD는 어떠한 camera technology에 비하여도 가장 최고의 SNR을 실현합니다. ImagEM X2 series는 super-fast 노출이 가능하며 좋은 감도와 미세한 빛의 조건에서도 선명한 image를 제공합니다.

New Features

Faster readout

Pixel readout을 22 MHz로 clocking 함으로써 ImagEM X2-1K는 full frame resolution으로 18.5 fps의 획득이 가능합니다. 이는 이전 버전보다 2배 정도가 빠르며 같은 센서를 장착하는 타 제품과 비교하였을 때도 빠릅니다.

Clock: 22 MHz

Binning Effective vertical width (Sub-array)
1024 512 256 128 64 32 16
1×1 18.5 34.9 62.7 104 156 208 249
2×2 34.7 62.5 104 155 207 248 275
4×4 61.8 102 154 205 245 272 288

(Unit : frames/s)

Corner readout

Sensor의 끝부분에서 선택적으로 imaging 함으로써 chip의 read register에 가장 근접하게 되고 이는 small ROI의 speed를 더 증가시킬 수 있습니다.

Clock: 22 MHz

Binning Effective vertical width (Sub-array)
1024×1024 512×512 256×256 128×128 64×64 32×32 16×16
1×1 18.5 34.9 79.5 161 237 237 298
2×2 34.7 62.5 126 215 274 274 307
4×4 61.8 102 179 256 293 293 305

(Unit : frames/s)

Lower readout noise

이미지 센서에서 빠른 readout은 readout noise의 증가를 의미합니다. 그러나 EM gain으로 인해 readout noise는 EM-CCD와 관련이 없습니다. EM gain을 적용하기 이전에 ImagEM X2-1K는 이전과는 두드러지게 빠른 speed와 낮은 read noise의 특징을 가집니다. 그러나 readout noise가 EM-CCD와 관련이 없다고 말할 수 있을까요? 네, SNR 방정식에서 이는 사실입니다. 그렇지만, 만약 EM gain의 주요 목적이 readout noise를 극복하기 위함이라면 이는 ImagEM X2-1K에서의 less gain, EM register에서의 less voltage, 이론상으로 더욱 안정적인 EM gain calibration으로의 변경 그리고 향상된 sensor 수명 등으로 성취될 수 있습니다.

Readout noise (rms) (typ.) EM-CCD readout EM gain 4× 15 electrons (at 22 MHz)
10 electrons (at 11 MHz)
3 electrons (at 0.6875 MHz)
EM gain 1200× 1 electron max.
NORMAL CCD readout 10 electrons (at 0.6875 MHz)

Mechnical shutter

ImagEM X2-1K는 EM gain degradation으로부터 camera를 보호하고 잔상 효과를 줄이기 위해 통합된 mechanical shutter를 내장하고 있습니다. Mechanical shutter는 software로 제어합니다.

IEEE 1394b connectivity

ImagEM X2-1K의 data는 1394b 연결에 적합하게 고안 되었습니다.

SMA triggering ports

ImagEM X2-1K는 하나의 입력용 외부 trigger와 다른 device로 연결되는 세개의 출력 trigger가 SMA port 형태로 고안 되었습니다. 이 port는 세가지 추가 기능을 포함하여 triggering option의 array를 access할 수 있습니다: programmable trigger input/output, trigger delay and trigger ready. EM-CCD technology는 ultra-low light imaging에 대해 최고의 SNR을 제공하고 ImagEM X2-1K는 기술 향상으로 가장 빠른 speed를 제공합니다.

Direct electron display

Application software에서 출력신호는 pixel AD counts를 대신하여 “electrons”로 나타납니다.

Black Clip / White Clip function

상위 또는 하위의 intensity의 threshold 설정을 가능하게 합니다. 만일 image 상에서 sample 부분이 밝거나 어두운 부분이 존재한다면 이 기능은 Auto LUT 기능을 효율적으로 하기 위하여 intensity의 upper limit 또는 lower limit을 잘라냅니다.

Cooling status output

Target으로 하는 cooling temperature에 도달하면 신호로 나타냅니다.

High Sensitivity

High QE

ImagEM-X2-1K-EM-CCD-camera-02.jpg

최대 1200x의 High EM gain

ImagEM-X2-1K-EM-CCD-camera-03.jpg EM gain 특징은 짧은 노출 시간과 감소된 여기 광 수준에 의해 live cell 이미징에 적합합니다.

Low Noise

Dark noise를 최소화 시키는 것은 안정적인 cooling performance의 또 다른 장점입니다.

CCD의 dark current는 온도에 기인하며 온도가 약 7~8°C 가량 줄어들 때 반으로 줄어듭니다. 그러므로 CCD cooling은 dark current noise를 줄이는 데 매우 효과적인 방법입니다. ImagEM X2-1K의 cooling은 안정적인 output을 가져오고 water cooling은 dark current를 최소화 시킵니다.

수냉식 또는 공기압 cooling을 통한 sensor 온도의 안정된 control

수냉식 또는 공기압 cooling은 어떠한 application에서든지 선택 가능하며 최적의 cooling 온도를 각 cooling mode에서 설정할 수 있습니다.

Optimized sensor drive methods significantly reduce the clock induced charge (CIC)

ImagEM-X2-1K-EM-CCD-camera-04.jpg Dark current는 thermal charge와 clock induced charge(CIC)로 구성되어 있습니다. CIC는 짧은 노출 시간일 때 dark charge를 image 상에서 지배할 것이고 긴 노출 시간에서 thermal charge가 dark charge를 지배하게 될 것입니다. Camera는 scan speed에 적합한 optimized drive method를 사용하기 위하여 조정됩니다. 사용자는 카메라가 그것을 자동적으로 변환하기 때문에 길고 짧은 노출에 대한 CIC optimization을 고려할 필요가 없습니다.

Great Stability

Cooling temperature control에 의해 안정화 된 EM gain

안정된 cooling 온도를 유지하는 것은 오랜 시간에 걸쳐 imaging하고 분석하는데 우수한 performance를 수행하기 위해서 안정적인 gain 설정에 필수적인 요소 입니다. Cooling temperature의 정확하게 조절이 가능한 것은 ImagEM X2-1K의 특장점 입니다.
ImagEM-X2-1K-EM-CCD-camera-05.jpg

Stability of mean bias value (Digitizer Offset)

ImagEM-X2-1K-EM-CCD-camera-06.jpg Base line은 장시간 측정에 대하여 안정적인 신호를 제공하는 constant over time입니다.

EM gain protection

Gain aging rate을 최소화 시키고 camera의 수명 연장 방법은 camera를 조작하는 데 있어 중요합니다. ImagEM X2-1K는 EM gain을 두 개의 level로 보호합니다: EM gain warning, EM gain protection. Sensor에 damage를 줄 만큼의 과도한 output이 발생하면 EM gain protection mode는 EM gain register로 전하가 이동하는 것을 막아줍니다.

EM gain readjustment *

모든 EM-CCD camera는 시간이 초과하면 gain degradation을 나타냅니다. EM gain은 multiplying register 내의 voltage 상승을 통해 다시 조정될 수 있습니다. EM gain 재조정은 software로 수행될 수 있지만 재조정될 수 있는 EM gain의 횟수가 제한되어 있습니다.
* 이 특징은 camera가 DCAM-API로 작동될 시에만 유효합니다. (DCAM-API는 HAMAMATSU digital camera에 제공되는 software driver입니다.)

Selectable Readout Modes

Sample 밝기 또는 희망 frame rate 또는 노출시간에 기반하여 최적의 image 획득을 위하여 readout mode를 선택하십시오.
ImagEM-X2-1K-EM-CCD-camera-07.jpg
EM-CCD technology의 간과되는 장점 중 하나는 standard CCD로서 camera를 이용하는 것입니다. Non-EM mode에서는 지나친 noise 효과가 없고 large full well capacity와 high dynamic range가 bright light application에 대해 이상적입니다. ImagEM X2-1K는 이와 같은 application에 대하여 최선의 선택일 수 있는 non-EM mode에서 낮은 read noise를 제공합니다.

Photon Imaging Mode

ImagEM-X2-1K-EM-CCD-camera-08.jpg Electron multiplying process로부터 초과 noise factor의 제한을 극복하기 위한 미세한 빛에서 image quality를 향상시키기 위한 고도의 기술이 있습니다. 이 mode는 최대 EM gain이 미세하여 signal이 거의 없는 수준의 신호에 대해서 유용합니다. 이 mode는 quantitative linear signal output을 보존하고 매우 낮은 수준의 빛에서 spatial resolution을 개선시켜 줍니다.

On-board Image Processing

아래와 같은 real time processing 기능이 가능합니다.

• Background subtraction

Image배경에서 형광을 감소시키는데 효과적입니다.

• Shading correction

현미경 image의 그늘지거나 고르지 않은 조명 또는 다른 조명 system을 수정할 수 있습니다.

• Recursive filter

가중된 시간에 의한 image상의 임의의 noise를 제거합니다.

• Frame averaging

Simple frame averaging에 의한 image 상의 noise를 제거하고 순환 필터보다 더 잔상 효과를 줄여 줍니다.

• Spot noise reducer

들어오는 image를 비교함으로써 intensity의 임의의 점을 제거하고 번쩍이는 광선과 같은 요소의 noise를 제거합니다.

Application

ImagEM-X2-1K-EM-CCD-camera-09.jpg · Protein-protein interaction · Calcium waves in cell networks and intracellular ion flux · Real time spinning disk confocal microscopy · Single molecule imaging with TIRF microscopy · Fluorescence in-vivo blood cell microscopy · Gene expression imaging using luminescence

Configuration

ImagEM-X2-1K-EM-CCD-camera-10.jpg

Specifications

Type number C9100-24B
Camera head type Hermetic vacuum-sealed air/water-cooled head*1
Window Anti-reflection (AR) coatings on both sides, single window
AR mask No
Imaging device Electron Multiplying Back-Thinned Frame Transfer CCD
Effective number of pixels 1024 (H)×1024 (V)
Cell size 13 μm (H)×13 μm (V)
Effective area 13.3 mm (H) × 13.3 mm (V)
Pixel clock rate (EM-CCD readout) 22 MHz, 11 MHz, 0.6875 MHz
Pixel clock rate (NORMAL CCD readout) 0.6875 MHz
EM (electron multiplying) gain 1×, 10× to 1200× (typ.)*2
Ultra low light detection Photon Imaging mode (1, 2, 3)
Fastest readout speed 18.5 frames/s to 314 frames/s*3
Readout noise (EM-CCD readout) 15 electrons (EM gain 4×, at 22 MHz) (rms) (typ.)
10 electrons (EM gain 4×, at 11 MHz) (rms) (typ.)
3 electrons (EM gain 4×, at 0.6875 MHz) (rms) (typ.)
1 electron max. (EM gain 1200×) (rms) (typ.)
Readout noise (NORMAL CCD readout) 10 electrons (at 0.6875 MHz) (rms) (typ.)
Full well capacity EM-CCD readout: 400 000 electrons (Max. 800 000 electrons) (typ.)*4
NORMAL CCD readout: 50 000 electrons (typ.)
Analog gain EM-CCD readout (22 MHz): 1×
EM-CCD readout (11 MHz/0.6875 MHz): 0.5×, 1×
Normal CCD readout: 1×, 2×, 3×, 4×, 5×
Cooling temperature (Forced-air cooled) At temperature control: -50 ℃ (Room temperature 0 ℃ to +30 ℃, at 22 MHz)
At temperature control: -55 ℃ ((Room temperature 0 ℃ to +30 ℃, 11 MHZ, 0.6875 MHz. Normal CCD readout)
At maximum cooling (typ.): -65 ℃ (Room temperature: stable at +20 ℃)
Cooling temperature (Water cooled) At temperature control: -65 ℃ (Water temperature: +20 ℃, at 22 MHz)
At temperature control: -70 ℃ (Water temperature: +20 ℃, 11 MHZ, 0.6875 MHz. Normal CCD readout)
At maximum cooling (typ.): -80 ℃ (Water temperature: lower than +10 ℃)
Temperature stability (Forced-air cooled) ±0.01 ℃ (typ.)
Temperature stability (Water cooled) ±0.01 ℃ (typ.)
Dark current (Forced-air cooled) 0.01 electron/pixel/s (-65 ℃) (typ.)
Dark current (Water cooled) 0.001 electron/pixel/s (-80 ℃) (typ.)
Clock induced charge 0.01 events/pixel/frame (typ.)
Exposure time (Internal sync mode) 52.7 ms to 1 s (22 MHz)
103.2 ms to 2 h (11 MHz)
1616.9 ms to 2 h (0.6875 MHz)
Exposure time (External trigger mode) 10 μs to 1 s (22 MHz)
10 μs to 2 h (11 MHz, 0.6875 MHz)
A/D converter 16 bit
Output signal/External control IEEE1394b
Sub-array Every 16 lines (horizontal, vertical) size, position can be set
Binning 2×2, 4×4
External trigger mode Edge trigger, Level trigger, Start trigger, Synchronous readout trigger
Trigger output Exposure timing output, Programmable timing output (Delay and pulse length are variable.), Trigger ready output
Image processing features (real-time) Background subtraction, Shading correction, Recursive filter, Frame averaging, Spot noise reducer*5
EM gain protection EM warning mode, EM protection mode
EM gain readjustment Available
Lens mount C-mount
Power supply AC 100 V to 240 V, 50 Hz / 60 Hz
Power consumption Approx. 140 VA
Ambient storage temperature -10 °C to + 50 °C
Ambient operating temperature 0 °C to + 40 °C
Performance guaranteed temperature 0 °C to + 30 °C
Ambient operating/storage humidity 70 % max. (with no condensation)

Spectral response

ImagEM-X2-1K-EM-CCD-camera-11.jpg

Dimensions

ImagEM-X2-1K-EM-CCD-camera-12.jpg