Od jejich vynálezu v pozdní 1960, charge-coupled zařízení, také volal Ccd, našel široké použití v zobrazovacích aplikací. Elektronické kamery založené na technologii CCD se používají v aplikacích od domácího videa po lékařské zobrazování až po astronomii. CCD kamery nabízejí několik výhod oproti filmovým kamerám: mohou být připojeny přímo k počítači, mohou být vysoce citlivé na nízké úrovně světla a jejich snímky jsou okamžitě k dispozici bez zpracování filmu nebo tmavé místnosti.,
vzhledem k tomu, že jejich náklady klesají, senzory CCD se stávají nezbytnými nástroji pro mikroskopy a biology, ačkoli mnoho uživatelů ví velmi málo o svých skutečných vlastnostech a provozních metodách. Každý, kdo plánuje koupit jeden, Nicméně, musí pochopit základy technologie vědět, který typ nejlépe vyhovuje jeho potřebám.
CCD čip je řada fotoelektrických detektorů postavených na křemíkové základně pomocí vrstev elektrických komponent, nazývaných Architektura, vytištěných na povrchu., Tato struktura rozděluje základnu na mřížku samostatných oddílů, nazývaných pixely, které drží elektrické náboje. Pixel je popsán jeho velikostí a počtem elektronů, které může držet. Velikost pixelu se pohybuje od asi 6 do 25 µm a kapacita, nazývaná full-well kapacita, se pohybuje od asi 10 000 do 500 000 elektronů.
čip poskytuje dvourozměrné pole fotodetektorů, které převádějí příchozí fotony na elektrické signály. Tyto signály jsou pak odeslány na displej, kde jsou přeměněny na obrázek nebo na paměťové zařízení pro budoucí konverzi., Tento proces přeměny a rekreace překonává některá omezení lidského oka a přenáší data bez použití fotografických procesů.
Toto zařízení může zaznamenávat informace mimo rozsah lidského vidění – od rentgenových a UV vlnových délek přes viditelné až po blízké IR. CCD může mít také extrémně krátké expoziční časy, které mohou zastavit pohyblivé objekty, a může se integrovat po dlouhou dobu a hromadit obrázky, které oko nedokáže detekovat., To má mnohem nižší rozlišení než oko ve stejné zvětšení, nicméně, protože každý pixel je větší, než je oko tyčinky a čípky, které jsou asi 1,5 µm v oblasti, kde oko má nejvyšší ostrost.
každý čip má vlastnosti, které jsou určeny konstrukcí a umístěním elektrických součástí architektury čipu. Protože tyto komponenty jsou na povrchu, absorbují světlo a snížit účinnost, s níž přístroj převádí fotony na elektrony., Různé čipy vykazují různé spektrální charakteristiky-to znamená, že reagují na různé vlnové délky světla s různou účinností. Vykazují také různé charakteristiky šumu a rychlosti přenosu dat v pixelech do zobrazovacího zařízení nebo počítače.
analogové signály
způsob získávání dat z pixelů do zobrazovacího zařízení může být buď analogový jako u standardní videokamery, nebo digitální jako v přímém počítačovém rozhraní. Samotný čip však produkuje analogový signál., Tento signál, který je složen z náboj elektronu spojené s každý pixel, prochází přes zesilovač a pak je přenášen buď na další analogové zařízení, jako například monitoru nebo analogový-k-digitální převodník, takže to může být odeslán do počítače.
analogový signál se snadno připojuje k mnoha zařízením již ve většině laboratoří, jako jsou video monitory a videorekordéry. Analogové signály však mají skutečné nevýhody: Video kabely a příslušenství mají vyšší ztráty signálu a video standardy omezují rozlišení, zejména ve svislém směru.,
digitální signál má při přenosu nulovou ztrátu a pouze velikost paměti počítače omezuje rozlišení obrazu, který zvládne. Nevýhoda digitálního signálu je přesně stejná jako jeho výhoda: na rozdíl od videa neexistuje standardní rozhraní. Proto každý detektor vyžaduje vyhrazené softwarové rozhraní pro přenos obrazu do počítače. Jakmile je v počítači, musí být přeměněn na analog pro zobrazení na monitoru počítače. Všechna zobrazovací zařízení jsou analogová a jsou omezena na 256 úrovní šedé, ať už je fotoaparát digitální nebo ne.,
sama o sobě, surová citlivost, schopnost detektoru zaznamenávat přítomnost fotonu, není dobrým měřítkem schopnosti fotoaparátu vytvářet vysoce kvalitní obraz. Důležitější je kombinace vlastností používaných k popisu CCD. Tyto vlastnosti produkovat signál-šum údaj, který popisuje schopnost CCD rozlišovat mezi elektrony produkované příchozí fotony a cizích elektronů způsobené hlukem faktory.
jednou z metod pro zlepšení celkové citlivosti poměru signálu k šumu téměř jakéhokoli CCD čipu je jeho chlazení., Chlazení snižuje tmavý šum (elektrony vytvořené teplem spíše než příchozími fotony). Chlazení lze provést pomocí cirkulující vody, kapalných plynů nebo termoelektrického chladiče, což je typ elektrického chladiče, který může snížit teplotu čipu. Každých 8 °C chlazení snižuje tmavý hluk o polovinu. Výhody termoelektrické chladiče jsou, že to může být integrován do CCD kamerou, a to nevyžaduje neustálé přírůstky odpařovací chlazení materiálů.,
Když světlo zasáhne čip
světlo dopadající na čip CCD vytváří elektrický náboj v každém pixelu přímo související s množstvím světla, které padlo na tento pixel. V procesu známém jako readout se informace o čipu převádějí na analogový signál. Readout postupně přenáší poplatky v každém řádku Pixelů, řádek po řádku ve svislém pořadí, do řady pixelů v horní nebo dolní části čipu. Tento řádek, nazývaný řádek čtení, je zablokován ze světla neprůhlednou maskou. Přenos je asi 99.999 procent efektivní a vyžaduje pouze několik mikrosekund na řádek.,
Mikroskopové pravidelně používají CCD kamery ke sběru obrázků pomocí různých metod vylepšení kontrastu. Diferenciální interferenční kontrast (horní vpravo) odhaluje jemné konstrukční detaily v newt epiteliálních plicních buněk, zatímco rhodamine (vpravo), změní strukturální aktinová filamenta červené a modré fluorophore, DAPI, (vlevo) označení buňky chromozomů. S laskavým svolením Ted Salmon, University of North Carolina, Chapel Hill.
jakmile jsou v řádku pro čtení, poplatky probíhají vodorovně přes zesilovač a vytvářejí signál, který představuje jednu vodorovnou čáru na obrázku., Sekvence se opakuje, dokud nebudou přeneseny všechny řádky a celý obrázek bude přečten. Pro urychlení čtení mají některé čipy více než jeden řádek pro čtení, nazvaný více kohoutků. Další řádky vyžadují další zesilovače, které mohou zvýšit náklady a mohou způsobit různé šedé úrovně v částech obrazu.
Světlo se nesmí dostat do detektoru během odečtu, nebo bude produkovat efekty podobné postupu filmu ve fotoaparátu, zatímco závěrka je otevřená-rozmazání, stínování obrazu nebo míchání obrázků. Řešení tohoto problému může ovlivnit vhodnost konkrétního CCD pro aplikaci., Každá metoda má výhody a nevýhody.
metody čtení
nejběžnější metodou ochrany obrazu je mechanická závěrka, podobná okenicím na běžné filmové kameře. Závěrka se otevře po určitou dobu a poté se zavře. Čtení nastane, když je závěrka zavřená. Čipy určené pro tento typ odečtu se obvykle nazývají full-frame transfer chips. Téměř všechny kamery CCD používají tuto metodu a s tímto typem fotoaparátu je možné obrazovat většinu stacionárních objektů ve vysokých i nízkých světelných úrovních.,
tento čip je také primárním typem dostupným pro aplikace s vysokým rozlišením vyžadující pole Pixelů větší než 1000 × 1000. Díky své účinnosti je vhodný pro aplikace fluorescence s nízkým světlem, ale vyžaduje, aby mikroskop a způsob montáže byly velmi stabilní. Tento typ čipu je obecně velmi dobrý při detekci červeného a infračerveného světla, protože je spektrálně citlivější na delší vlnové délky., Snížená citlivost na kratší vlnové délky však vyžaduje poměrně dlouhé expoziční časy, které omezují jeho použití pro fluorescenční aplikace, jako je poměr vápníku a označení zelených fluorescenčních proteinů. Protože většina těchto zařízení má velkou plnou kapacitu, jsou dobré pro detekci malých změn v jasných signálech nebo pro měření jemných změn intenzity.
chlazení čipu CCD (vpravo) snižuje příspěvek tepelného šumu (vlevo) na obrázek, který by jinak byl hůře čitelný (uprostřed)., Zelená fluorescence označuje vláknitý aktin v ledvinové buňce klokana potkana zbarvené Alexou 488 Phalloidin. S laskavým svolením Ted Salmon, University of North Carolina, Chapel Hill.
Další metoda, nazývaná frame transfer, používá speciální čip se dvěma identickými CCD spárovanými; jeden je vystaven světlu a druhý je zcela maskovaný. Protože řádek-by-řádku převodu je rychlý ve srovnání s aktuální odečet, druhý čip poskytuje místo pro uložení obrazu posunutím rychle z exponovaného čipu, a pak čtení z druhé čipem v pomalejším tempu.,
Frame-transfer CCD mají téměř stejné aplikace jako full-frame-přenos jednotek, ale může pracovat při vyšších rychlostech. Pro uživatele, kteří potřebují získat dvojice snímků v rychlém sledu nebo více snímků z oblastí, které jsou méně než plná plocha čipu, je možné rychle převést malých podoblastech vystaveny čip k maskované oblasti (viz. binning a pole). To by mohlo umožnit rychlé zachycení čtyř oblastí 256 × 256 pixelů nebo 16 oblastí 128 × 128 pixelů na čipu, který má na primárním čipu 1024 × 1024 pixelů.,
třetí způsob, tzv. interline transfer, náhradníci sloupce exponovaných pixelů s sloupce maskovaných pixelů poskytnout dočasné skladování pouze jeden pixel od zobrazovacích pixelů. Přenos obrazu do maskované části vyžaduje pouze několik mikrosekund a všechny zobrazovací pixely mají stejnou dobu expozice.
jsou k dispozici dva typy Interline přenosových čipů. Prvním z nich je prokládaný Interline přenosový čip, který se používá většinou ve standardních videokamer a videokamer., Druhý typ, progressive scan Interline transfer chip, se používá především v kamerách s vysokým rozlišením s vysokým dynamickým dosahem typu vhodného pro biologické zobrazování s vysokým rozlišením.
nedávný vývoj čipů interline téměř odstranil problémy starších zařízení interline. Prvním vylepšením je přidání objektivů na čipu, které lámou fotony, které by normálně spadly na maskované oblasti do zobrazovacích Pixelů. To zvyšuje aktivní oblast na více než 70 procent., Druhý vývoj, zařízení pro akumulaci otvorů, snížil hladinu hluku v čipu tak, že při minimálním chlazení je účinně bez šumu. Při tak nízkém šumu může zařízení zobrazovat širokou škálu intenzit s vysokým poměrem signálu k šumu z menší kapacity plného vrtu než mnoho starších čipů pro přenos a přenos snímků.
Tyto čipy jsou citlivější na kratší vlnové délky, než full-frame-transfer čipy jsou na úkor výkonu v červené oblasti. Doba expozice čipů je dostatečně rychlá, aby zobrazovala rychle se pohybující objekty., Pro kontrastní aplikace brightfield a diferenciální interference nabízejí rychlý provoz a dobrou stop akci pro sledování částic a zobrazování sestav mikrotubulů.
tyto čipy vyžadují menší chlazení a usnadňují vytváření dobrých obrázků v aplikacích s nízkým osvětlením. Chybí jim velká plná kapacita potřebná k detekci malých změn jasného signálu, například při zobrazování barviv citlivých na napětí. Na druhé straně jsou jejich velmi nízké šumové vlastnosti užitečné pro detekci malých signálů na tmavém pozadí.,
Binning a pole
Většina Ccd sdílet dvě schopnosti, které je činí velmi univerzální pro vědecké zobrazování: binning a pole. Tyto vlastnosti mohou zvýšit rychlost odečtu, snížit dobu expozice nebo snížit celkové množství informací, které je třeba přenést do počítače.
termín binning označuje sdružování elektronů ve skupině sousedních pixelů. Výsledek se někdy nazývá superpixel a může být použit ke zkrácení doby expozice a zvýšení poměru signálu k šumu při obětování prostorového rozlišení., Protože produkuje méně dat, zvyšuje přenosové rychlosti. Software fotoaparátu řídí velikost superpixelu, který může obsahovat libovolný počet pixelů ve vodorovném nebo svislém směru. Při zobrazování je vhodné použít stejná čísla v obou směrech, aby se zabránilo zkreslení. Při spektroskopii umožňuje vytváření nerovných vertikálních a horizontálních čísel uživateli využít orientaci výstupu monochromátoru.
termín subarray označuje použití pouze části celkové plochy CCD k zobrazení malé oblasti úplného zobrazení., Toho je dosaženo z ovládacích prvků softwaru nakreslením pole kolem oblasti zájmu v obraze pro určení určitých pixelů na CCD. Nemění rozlišení menší plochy, ale výrazně snižuje celkové množství dat, které je třeba číst a přenášet, a tím zvyšuje rychlost.
křemík nemůže rozeznat rozdíl mezi elektrony produkovanými fotony různých vlnových délek, takže jsou zapotřebí další kroky k vytvoření barevných obrazů. K dosažení tohoto cíle bylo navrženo několik schémat.,
existují dva způsoby řešení různých barev na jednom čipu. Jedním z nich je použití speciálního mozaikového filtru složeného ze střídavého vzoru červené / zelené / modré nebo azurové/purpurové/žluté skvrny na povrch čipu. Použití matematické rovnice na šedé hodnoty každého pixelu obnoví původní obraz v reálné barvě. Tyto informace jsou zakódovány do video signálu a zobrazovací zařízení nebo rám grabber rekonstruuje obraz.,
Druhá metoda používá rotující filtrační kolečko k vystavení celého čipu postupně červené, pak zelené, pak modré, s odečtem vyskytujícím se mezi každou expozicí. To generuje tři samostatné obrázky, které musí být rekonstruovány počítačem nebo jiným hardwarovým paměťovým zařízením.
dalším řešením je tříčipová barevná kamera, která současně zachycuje červený, modrý a zelený obraz na každém ze tří čipů uspořádáním hranolů, které fungují jako chromatické beamsplittery., Výsledkem jsou tři samostatné, ale současně získané obrázky, které lze zobrazit na běžném monitoru videa nebo odeslat do počítače jako standardní signál RGB.
CCD kamera se ukázala jako užitečná pro biology v laboratoři díky své všestrannosti a robustnosti. Kromě toho, jeho citlivost a jednoduchost použití jsou nadále vyhrát ocenění vědců, kteří by raději tráví laboratorní čas soustředit se na vědu než na zpracování fotografického filmu., Jako výrobci čipů a fotoaparát společnosti i nadále rozvíjet lepší zařízení s vyšším rozlišením, CCD kamery bude i nadále najít domov mezi laboratorní vybavení.
parametry, které je třeba vzít v úvahu při výběru CCD kamery
• Velikost pole-číslo v každém vodorovném řádku číslem v každém svislém sloupci (např. 1024 x 1024). Větší počet pixelů je užitečný buď pro lepší prostorové rozlišení (pro zobrazení jemných detailů), nebo pro větší zorné pole.
* Velikost Pixelů-skutečná velikost každého prvku detekce světla pole, měřená ve vodorovných mikronech vertikálními mikronami., Větší pixely pracují s kratšími expozičními časy na úkor rozlišení a menší pixely poskytují lepší prostorové rozlišení, ale vyžadují delší expozice.
• Interscene dynamický rozsah – rozmezí celkové hodnoty expozice z nejjasnější světlo možné úrovni, aby dimmest světlo úrovně, na které detektor může produkovat signál, vyjádřené v luxech nebo fotonů na centimetr čtvereční za sekundu.
• Temný šum – počet elektronů na čipu produkuje při dané teplotě, když žádné světlo padá na něj, vyjádřený v elektronech za stanovené teploty ve stupních celsia za sekundu.,
• čtecí šum-počet elektronů produkovaných během odečtu, které nesouvisejí se signálem, vyjádřený v elektronech.
• Rychlost čtení-rychlost, při které jsou pixely čteny prostřednictvím zesilovače, vyjádřená jako pixely za sekundu.
• kvantová účinnost-zlomek těch fotonů, které zasáhnou detektor, který je přeměněn na elektrony, vyjádřený v procentech.
• Full-well Kapacita-maximální počet elektronů pixel může držet. Větší čísla mají tendenci zvyšovat dynamický rozsah v obraze a schopnost rozeznat malé změny signálu v silných signálech.,
• Intrascene dynamic range – rozsah možných intenzit v rámci jednoho obrazu, počítáno jako full-dobře kapacity v elektronech děleno hlukem v elektronech.
• analogový nebo digitální-forma datového výstupu fotoaparátu. Výstup z dřívějších kamer byl vždy analogový, ale většina fotoaparátů nyní přichází s vestavěným analogově-digitálním převodníkem. Šedé stupnice rozlišení digitální výstup závisí na počtu bitů A/D převodníku – 8 bitů se rovná 28, nebo 256 úrovní šedi; 10 bitů se rovná 210, nebo 1024 úrovní šedi; až 16 bitů, což je 216, nebo do 65 535 šedé úrovně.,
• spektrální charakteristiky-jak barva fotonu ovlivňuje odezvu detektoru, vyjádřenou jako graf kvantové účinnosti relativní citlivosti vs. vlnové délky, bez zahrnutých šumových faktorů.,ILT, Spolupracovníků Rozvíjet Opravy a Laseru-Proces nanášení na Kovové Součásti Feb 5, 2021
Leave a Reply