英国安道尔公司高性能光谱解决方案

1、英国安道尔公司高性能光谱解决方案1概括安道尔公司简介最新一代Holospec高通量光谱仪Shamrock光谱仪Mechelle中阶梯光栅光谱仪光谱型CCD相机，新一代iDus 416 BR-DD相机光谱型EMCCD相机ICCD相机光谱仪附件和光谱软件2安道尔公司简介世界顶级科学级CCD/SCMOS相机生产商位于英国北爱尔兰首府贝尔法斯特市1989年由女王大学物理系几位教授创立2004年伦敦交易所上市雇员350人全球16个办公室3非凡的成就1993年第一款全密封 ICCD相机1995年世界第一款真空密封的深度制冷CCD相机2001年世界第一款EMCCD相机2006年中国办事处成立2009年世界第

2、一款SCMOS相机2012年新一代EMCCD相机42013年？成为全球研究和生产高性能弱光测量解决方案领域的领先者为客户探索前沿和未知的科学领域添砖加瓦、保驾护航我们的宗旨5产品一览光谱分析 时间分辨 高能探测 IMARIS多维分析软件 转盘式共聚焦成像系统 活化照明光源科学影像67最新一代高光通量光谱仪-Holospec8F/1.8的超高数值孔径收集效率高于传统CT光谱仪6.5倍体全息相位光栅 (VPH) 高效率、极低杂散光同轴影像校正的光路设计，带来出色的光谱分辨率以及无与伦比的高密度多通道光谱性能无CT光谱仪中的离轴像差现象，比如，常见的彗差大像差校正28mm的焦平面尺寸完全适配Ando

3、r公司所有类型的光谱型探测器CCD/EMCCD/ICCDHolospec主要特点9针对可见和近红外优化版本 最优化的增透膜，最高的效率 430-730 or 800-1,060 nm模块化嵌入式 设计固定宽度的狭缝- 可替代, 从 25 m 到 4 mmSMA 、FC或10mm金属头光纤适配器针对拉曼光谱应用，可选的陷波滤光片附件光谱仪内部整合陷波滤光片，一体化设计，易于使用。Holospec主要特点10高光通量11增加信号收集效率 收集更多的光子: 更好的信噪比更短的曝光时间能够从最常用的光纤（NA=0.22）中收集100%的信号F1.8 数值孔径 相比于传统的300mm焦距的CT光谱仪，

4、收集效率优于6.5倍。F/4.6 CZ (320 mm focal length)F/1.8 HolospecF/4 CZ (300 mm focal length)12体全息相位透射光栅技术极低的杂散光- 平滑的正弦折射率分布带来最纯净的信号水平，增大动态范围和信噪比高效率，平均衍射效率为70%左右，最高衍射效率可达90%针对拉曼光谱优化 斯托克斯/反斯托克斯, 低频 或 高频的光栅选择，13高光通量相比于CT结构320mm焦距的光谱仪，优于5.7倍的通光效率500-600nm光谱范围优化 相同的光源, 光纤组件和探测器相比于CT结构300mm焦距的光谱仪，优于3.9倍的通光效率14卓越的成

5、像性能15杰出的设计 同轴透射光路设计无CT光谱仪中的离轴像差现象，比如，常见的彗差 最佳波长优化的多组镜片设计的准直和聚焦光学镜头大像差校正28mm的焦平面尺寸 平滑的正弦折射率的VPH光栅低杂散光得到干净的，明确的，匀称的光谱轮廓更好的信噪比16光学示意图Flat image planeEntrance slitImaging optics(multi-element lenses)CameraVPH Grating 无移动部件 固定的分辨率 固定的带宽 可替换的光栅最好的成像质量17卓越的的成像质量Newton 970-BV and 19 x 100 m core fiber bundl

6、e delivering light from a HgNe source 在整个探测器范围内均能达到非常优异的成像质量，传统CT光谱仪无法比拟。1825.6 mm6.4 mm1 mm13 mm24 mm出众的多通道成像性能Newton 970-BV and 19 x 100 m core fiber bundle delivering light from a broadband source19光谱分辨率Newton 970-BV (16 m pixel) with 50 m core fiber delivering light from a HgAr source20光谱分辨率 接近传

7、统CT光谱仪的光谱分辨率光谱分辨率vs 带宽性能：HolospecShamrock 163Shamrock 303iShamrock 500iShamrock 7500.07 nm / 31.5 nm0.1 nm / 68 nm0.06 nm / 39 nm0.04 nm / 26 nm0.03 nm / 18 nmHDG-5321800 l/mm 500 nm1800 l/mm 500 nm1800 l/mm 500 nm1800 l/mm 500 nm0.16 nm / 81.7 nm0.17 nm / 117 nm0.10 nm / 67 nm0.06 nm / 40 nm0.04 nm

8、 / 28 nmHSG-532-SA1200 l/mm 500 nm1200 l/mm 500 nm1200 l/mm 500 nm1200 l/mm 500 nm0.61 nm / 276.5 nm0.77 nm / 529 nm0.43 nm / 297 nm0.26 nm / 177 nm0.18 nm / 120 nmHFG-539.5300 l/mm 500 nm300 l/mm 500 nm300 l/mm 500 nm300 l/mm 500 nm21应用领域 固有的弱光实验量子点光致发光，碳纳米光光致发光单细胞显微光谱, 显微拉曼阴极射线荧光等离子体光谱远距离成份分析 曝光时间

9、很短的实验拉曼成像快速动力学光谱分析在线过程控制微流体光谱分析22应用领域需要激光激发功率很小的实验-保护样本寿命，防止光漂白分析活细胞，发光沼气，灵敏的生物材料23总结高光通量 收集效率高于传统CT光谱仪6.5倍无与伦比的多通道光谱性能 ( 在3.3mm高度的探测器上实现20通道的光谱分析)极低的杂散光高分辨率和高光通量在一套系统中得到！整合最灵敏度的探测器，CCD，EMCCD，ICCD等24光谱产品软件相机光谱仪附件单点探测器25光谱分类InGaAs PDAMCT, InSb, PbS SPDPMT, Si SPDICCD (Gen 2)EMCCDICCD (Gen 3)CCD26最短曝光

10、时间分类10s msmssnsps条纹相机ICCD隔行式CCDEMCCD传统CCD传统CCD(快速动力学模式)EMCCDs (快速动力学模式)PMTs27Grating normalNormal to groove faceIncidentlightDiffracted light cone GroovespacingBlazeangleReflexangle衍射光栅Diffracted lightSlit焦距线色散倒数光谱分辨率带宽重复精度和准确度主要参数129数值孔径主要参数2ACCEPTANCE PYRAMID (CONE) For example, 250mmOF THE SPECTR

11、OMETERENTRANCE APERTURE 50 x50 mm=2500mm2“limiting” optic(grating or mirror)e.g. in this case: f/# = 250/50=530主要参数3杂散光stray light 632.8 nm lTHEORYREALITYILISl 10 nm 31线色散倒数Dl (nm/mm)=k n f106Dxk = 衍射级次n = 光栅密度(gr / mm)f = 焦距( in mm ) 线色散公式:32切尔尼-特纳结构Shamrock SR303i, SR500, SR750, SR500i, SR163, SR1

12、63i Shamrock光谱仪34主要特点高达100种光栅可供选择，光谱范围从175nm12um，完全满足各种需求163mm，303mm，500mm和750mm焦距，满足不同分辨率和通光量要求出厂时预准直和校准，用户现场安装简单，仅需连接USB和电源线缆完美的光谱影像光学校正，多通道光谱研究的绝佳解决方案三光栅塔轮设计，即插即用，无需重新做光学校正，实验操作更加方便多种高性能的紫外-可见CCD、InGaAs探测器和独特的EMCCD和ICCD探测器可供选择提供包括校准光源、光纤适配器、影像光纤、滤光片、12mm宽度的动态狭缝等各种附件35Shamrock光谱仪示意图CCDCCDAB正出口侧入口滤

13、光片轮影像校正光学元件超环面光栅聚焦镜准直镜侧出口电动狭缝光栅塔伦电动转折镜光正入口收光角36Shamrock 303i 改进型波长准确度：0.04nm重复精度：4pm杂散光抑制比：2.2 x 10-5优化的超环面反射镜，完美的光谱影像校正，多通道光谱研究的最佳解决方案37Low directed stray-light“光栅塔伦倒转” 设计减少潜在的由于光栅衍射角度较大时所产生的杂散光在较大光栅角度时更好的光通量Shamrock 500i/750 改进型38Mechelle中阶梯光栅光谱仪39LIBS和放电等离子实验研究的最佳选择主要特点无需光栅扫描一次性获取200nm975nm光谱数据全光

14、谱范围内波长解析度高达6000：1专利的光路设计，保证最高的光谱分辨率和极低的串扰1%专利1：离轴的光学元件矫正专利2：双棱镜结构自动温度校正，修正由于温度变化造成棱镜折射率变化而影响测试精度仅需轻轻一点即可标注元素光谱峰位氮气氛围保护，最大的紫外光通量一体化设计，内部无机械移动部件，稳定性高40一次性成谱 保持高光谱分辨率的同时，得到这张从200nm到950nm的谱线图需要多少次放电？CT式光栅光谱仪：100次（如果1s放电一次，也就是需要100s时间）中阶梯光栅光谱仪：1次*谱线与元素对应光谱曲线中有很多峰，这些峰都对应什么元素？对应几价离子？中阶梯光栅光谱仪软件解决了这个问题Hg I-3

15、65.015结构稳定中阶梯光栅光谱仪一次成谱，不需要转动光栅扫描和拼接谱线，光谱仪中没有机械运动的装置，结构更加的稳定光谱精度为0.05nm，远高于CT光谱仪的0.2nm43Mechelle示意图DOUBLE PRISMFOCAL PLANEOUTPUTiSTARPINHOLE/SLITINPUTFOCUSING MIRRORFLATFIELD LENSCORRECTION LENSESECHELLE GRATINGCOLLIMATING MIRRORTEMPERATURE SENSORHigh resolution + large bandpass simultaneously!44数据处理

16、Raw data right and derived spectrum - left45iDus CCD-最畅销光谱型CCD相机USB2.0通讯接口和16位数据采集 UltraVac 真空密封技术，最低热电制冷温度可达-100度 26 m像素尺寸 高满井容量和动态范围 1024 x 128 或 256 像素 采用100 kHz 读出速度，超低噪声水平 背照式芯片均已免费升级成最新发布的条纹抑制技术，显著降低背照式芯片的etaoning干涉条纹现象 光谱响应范围：120nm to 1 m95% 量子效率深耗尽芯片: 最高的近红外量子效率&无etaonling效应46为高速和高分辨率实验而定制的高

17、性能旗舰产品 13.5 & 26 m 像素尺寸 高光谱分辨率2048 x 512 and 1024 x 256 像素 高于1,600 光谱/秒 (Crop Mode & 3 MHz 读出速度) USB2.0通讯接口和16位数据采集 UltraVacTM 真空密封技术，最低热电制冷温度可达-100度背照式芯片均已免费升级成最新发布的条纹抑制技术，显著降低背照式芯片的etanloing干涉条纹现象光谱响应范围：120nm to 1 m95% 量子效率深耗尽芯片: 最高的近红外量子效率&无etaonling效应Newton 高速光谱CCD相机47全新一代背照式和深耗尽（BR-DD）相机BEX2-DD

18、芯片采用最新发布的EX2双层镀膜技术显著增强紫外和可见光量子效率，平均可达90%，完美适用于全波段光谱分析，且近红外波段无etaloning干涉条纹现象全系列背照式芯片均已免费升级成最新发布的条纹抑制技术显著降低背照式芯片的etaonling干涉条纹现象。48EX2双层镀膜技术New与传统BR-DD芯片相比，在320nm750nm量子效率得到显著提高，平均高达90%。该技术可用在iDus和Newton系列1024*256像元的CCD相机。49Deep Depletion (DU420A-BR-DD)Back-thinned (DU420A-BV)Back-thinned + Anti-frin

19、ging(DV401A-BV)650 nm910 nmIntensity (counts)条纹抑制技术Amplitude modulation 5% 10% 30%50背照式，深耗尽芯片95% 量子效率可忽略不计的 etaloning 效应 AIMO（高级反转模式）架构与传统的深耗尽型相机相比，暗噪声优于100倍以上2000 x 256 像素15 m 像素尺寸 高光谱分辨率30 mm 宽度 一次获取更宽的光谱带宽UltraVac 真空密封技术，最低热电制冷温度可达-95度信噪比不低于液氮冷却传统的BRDD相机免维护、长时间真空维持性iDus 416独特的低暗电流深耗尽技术51AIMO架构的优势

20、52NIMO 传统深耗尽(BR-DD)芯片Clocks kept High during CCD exposure高NIR量子效率但是暗电流较高53AIMO 深耗尽（BR-DD）芯片All clocks kept low during exposure高NIR量子效率，暗电流极低54量子效率 & 暗电流vs 制冷温度+25oC-120oC-95oC-70oC-20oC比传统“NIMO”架构的深耗尽CCD低10倍暗电流 无需更低的制冷温度= NIR量子效率更少的损失 = 不需要深度制冷级可达到最好的信噪比55低暗电流对于信噪比的优势弱光条件: 每2分钟每个像素1个光子LDC-DD, -95oCS

21、td BI-DD, -95oC更短的时间，信噪比=10LDC-DD 需要更多的曝光时间以达到相同的信噪比56热电制冷 vs 液氮制冷弱光条件:每2分钟每个像素1个光子LDC-DD, -95oCStd BI-DD, -120oC-95oC 热电制冷LDC-DD达到同样的信噪比57可见-近红外拉曼/SERS/TERS低温光致发光和拉曼光谱 (量子点、碳纳米管等)合频、差频等非线性光学光谱吸收/反射/透射光谱显微拉曼/荧光主要应用58SensorDescriptionWavelength range (nm)Peak QE (%)Fringe-suppressFringing modulationD

22、ark currentAndor platformFIFront-illuminated400 1,10050% 710 nmNot necessary0%Very lowiDus 401Newton 940,970,971OEOpen-electrode200 1,10058% 770 nmNot necessary0%Very lowiDus 420Newton 920BVBI, back-thinnedVis-optimized200 1,10097% 550 nmNo20-40%LowiDus 420Newton 920,940,970,971BVFBI, back-thinnedVi

23、s-optimized200 1,10097% 550 nmYes5-10%LowiDus 401,420Newton 920,970BR-DDBI-DDNIR-optimized200 1,10095% 800 nmYes1-5%HighiDus 420Newton 920BEX2-DDBI-DDbroadband300 1,10092% 800 / 420 nmYes1-5%HighiDus 420Newton 920LDC-DDBI-DDNIR-optimized200 1,10095% 800 nmYes1-5%LowiDus 416Andor光谱型CCD相机平台591.7um和2.2

24、um截止两种芯片可供选择 UltraVacTM 真空密封技术，最低热电制冷温度可达-90度 USB2.0通讯接口和16位数据采集100 kHz 读出速度，最高的信噪比 25mm&12.5mm芯片尺寸，25 and 50 m 像素尺寸最短曝光时间短至2.9us极短的插入损耗1.7 siDus InGaAs 红外光谱探测器60iDus InGaAs 量子效率61InGaAs灵敏度限制2种来源的暗噪声需要考虑: 芯片暗电流 “物体” 黑体辐射Short Wave Near Infrared (SWIR) detectionTyp. 100s e-Typ. 10s ke-Proportional to

25、 QE62探测器暗噪声的影响 物体温度对暗噪声有着重要的影响 当更低的制冷时黑体辐射是主要的噪声来源*63黑体辐射来源芯片真空密封，如窗片和密封外壳光路耦合元件，如透镜、光谱仪聚焦镜等黑体辐射发射源SensorSensor housingSpectrograph focusing mirrorEntrance window64极微弱光，高分辨率&快速光谱采集 采用电子倍增技术，小于1e-读出噪声 UltraVacTM 真空密封技术，最低热电制冷温度可达-90度 高达 95%的量子效率 16um像素尺寸 高光谱分辨率1600 x 200 or 400 像素 电子倍增 和传统 读出通道 真正的一机

26、两用 超过 1,500 幅的光谱采集速度 USB2.0通讯接口和16位数据采集背照式芯片均已免费升级成最新发布的条纹抑制技术，显著降低背照式芯片的etanloing干涉条纹现象Newton EM EMCCD光谱型探测器65“超快显微光谱，多通道光谱和高光谱成像的最佳选择”采用电子倍增技术，小于1e-读出噪声UltraVacTM 真空密封技术，最低热电制冷温度可达-90度高达 95%的量子效率高达13.3 mm芯片高度，高密度多通道光谱的最佳选择最快可达57幅的帧频512*512iXon series EMCCD成像型探测器66EMCCD 原理 67Electron Multiplication

27、68电子倍增技术69传统模式50s 曝光时间 = 电子倍增1s曝光时间电子倍增技术70弱光探测比较针对中等强度和微弱信号比较电子倍增模式和传统模式Newton DU971P-BV和SR500i光谱仪，单次曝光，垂直合并微弱信号通过中性衰减片Andor 相机的独特优势所有CCD及EMCCD相机采用单窗片技术透过率较双窗口相机高8%TE制冷至-100无需液氮既可以制冷到-100最低暗电流和时钟诱导电荷（CIC） UltraVacTM真空金属硬密封技术全金属密封真空窗防止泄漏、结露等现象同时具备风冷和水冷极限制冷温度灵活的使用方式光栅光谱仪典型光谱应用-稳态透射/吸收/反射光谱发射光谱拉曼光谱荧光光

28、谱低温光致发光光谱73Andor有超过18年的ICCD制造经验基于夜视像增强技术像增强器提供1,000倍放大倍数，和超快的光学快门(ns)ICCD = CCD 芯片 + 像增强器什么是像增强CCD(ICCD) ?低增益高增益75ICCD原理CCD光锥耦合像增强器输入信号像增强器76SEM image of MCPICCD工作原理光子 电子 电子 光子 电子光电阴极 MCP 荧光屏 光纤束/透镜 CCD芯片 高压 高压 高压纳秒时间分辨New iStar -速度、灵敏度、分辨率和多功能的完美组合USB2.0接口，即插即用，方便、快捷5MHz读出速度，快速的帧频和光谱速度；单一的读出放大器，完美的

29、影像均一性独特的Crop模式和Fast Kinetics模式，采集速度超过48,700Hz(Burst) 采用100%填充因子的CCD芯片，提高信号收集效率Gen II和Gen III像增强器，量子效率最高可达50%，光谱范围覆盖120nm-1100nm真实的光学门宽2ns，精准捕捉每一个瞬间内置新一代的时间延迟发生器，极低的抖动和最高的门控时间精度-40C热电制冷温度，最低的暗电流和热像素点智能和精确的MCP门控，紫外关断比优于10-8:1两年的质保78典型的系统配置Mechelle中阶梯光栅光谱仪和ICCDShamrock光谱仪和ICCDICCD+镜头79-E3Gen II 光阴极量子效率

30、 宽光谱响应范围：下至120nm（VUV）上至900nm（NIR）-E3 选项 : 高UV量子效率和超快纳米门宽（2ns）最好的结合 MgF2窗口拓展到120nm的灵敏度-05型号石英窗口拓展到180nm-03，-04和-83型号80-C3-93在可见光波段高达50%的量子效率，不适合UV波段-C3 option : 基于Lumogen材料的UV响应和超快纳秒门宽( 2 ns)-93 option : InGaAs 材料 探测器下限可达1.1um，同时具备超快纳秒门宽 (光子转换效率P46 : 2 微妙衰减时间，更好的时间分辨率，快速动力学模式最佳选择82芯片选择 独家提供高帧频版本512*5

31、12像素以及高分辨率版本2048*512像素100%填充因子，最大的收集效率312T320T334T340TArray format512 x 5121024 x 2551024 x 10242048 x 512Array size24 x 24 m26 x 26 m13 x 13 m13.5 x 13.5 mEffective area (vs. image intensifier ) 18 mm int.12.3 x 12.3 mm 18 mm int.18 x 6.6 mm 25 mm int.25 x 6.6 mm 18 mm int.13.3 x 13.3 mm 18 mm int.

32、18 x 6.9 mm 25 mm int.25 x 6.9 mmRecommended applicationsUltrafast, high dynamic range imagingUltrafast, narrowband spectroscopyUltra-fast kinetics & multi-trackRapid, broadband spectroscopyUltrafast , broadband multi-track spectroscopyHigh resolution imagingHigh resolution, narrowband spectroscopyE

33、xtended fast kinetics series & multi-trackHigh resolution, broadband spectroscopyBroadband, multi-track spectroscopy83智能的和快速的自定义区域读出模式：物理遮挡选取离寄存区最近的区域最快的连续光谱和影像采集“连续光谱采集速度 1,000s Hz 和 影像速度 100s Hz完全的软件控制Cropped Mode 最快的连续采集84将快速采集速度推向极致:最快的突发采集速度：取决于垂直转移速度（数微妙量级）和所选择的芯片行数使用芯片的感光区作为临时存储区域高达数万帧的影像或者光谱

34、采样频率，直到整个芯片被存满完全软件控制Fast Kinetics 最快的采集速度85紫外波段光阴极管段效率低至1:104 即便是光电阴极处于”关闭”状态,高能紫外光子直接在微通道板内产生光生电子，降低了开关比 超快MCP门控 与光阴极门控同时关闭增加UV-VUV波段关断效率1:108Intelligate 获得最好的紫外关断比86捕捉激光产生的每个信号:在CCD一次曝光时间里光阴极“追踪”脉冲激光器的频率并多次累积由激光产生的信号（最高可达500KHz）更短的采集序列，更低的激光能量，更高的重复频率可以避免对样品产生”光漂白”作用最好的信噪比Integrate-on-Chip 获取最好的信噪

35、比时间87CCD热电制冷到-40oC使得持续时间较长的片上积分采集达到最好的信噪比在光子计数中尤为重要，要求所有的噪声来源不得不大幅度降低最小的EBI噪声EBI是限制ICCD的灵敏度的重要噪声来源干燥气体吹扫（例如氩气），以得到最小的EBI噪声在光子计数等弱光探测中尤为重要如何有效减少热噪声88LIBSPLIF等离子体诊断燃烧研究ICCD典型应用时间分辨拉曼光谱时间分辨荧光光谱激光雷达瞬态吸收光谱89光谱仪附件光纤(i.e. SMA, FC or ferrule接口)样品室显微镜连接附件(i.e. C-mount, 笼式连接盒)信号输入(i.e 电动狭缝，滤光片轮，光纤F/#匹配器等) CCD法兰(i.e. Newton,iXon)单点探测器(i.e. PMT, MCT, InSb)90显微光谱配置E : C-mount适配器接口F : 中继光路系统G：显微镜C-MountH : 显微镜垫脚1