siden deres opfindelse i slutningen af 1960′ erne har ladningskoblede enheder, også kaldet CCD ‘ er, fundet udbredt anvendelse i billeddannelsesapplikationer. Elektroniske kameraer baseret på CCD-teknologi bruges i applikationer fra hjemmevideo til medicinsk billeddannelse til astronomi. CCD-kameraer tilbyder flere fordele i forhold til filmkameraer: de kan tilsluttes direkte til en computer, kan være meget følsomme over for lavt lysniveau, og deres billeder er øjeblikkeligt tilgængelige uden film eller mørke rumbehandling., da deres omkostninger falder, bliver CCD-sensorer vigtige værktøjer for mikroskopister og biologer, selvom mange brugere ved meget lidt om deres faktiske egenskaber og driftsmetoder. Enhver, der planlægger at købe en, Imidlertid, skal forstå det grundlæggende i teknologien for at vide, hvilken type der bedst passer til hans eller hendes behov.
En CCD-chip er en række fotoelektriske detektorer bygget på en siliciumbase ved hjælp af lag af elektriske komponenter, kaldet arkitekturen, trykt på overfladen., Denne struktur opdeler basen i et gitter af separate rum, kaldet pi .els, der holder elektriske ladninger. En PI .el er beskrevet af dens størrelse og antallet af elektroner det kan holde. Størrelsen af en PI .el varierer fra omkring 6 til 25 um, og kapaciteten, kaldet fuld brønd kapacitet, varierer fra omkring 10.000 til 500.000 elektroner.
chippen giver et todimensionelt array af fotodetektorer, der konverterer indkommende fotoner til elektriske signaler. Disse signaler sendes derefter til et display, hvor de konverteres til et billede eller til en lagerenhed til fremtidig konvertering., Denne konverterings-og rekreationsproces overvinder nogle af begrænsningerne i det menneskelige øje og overfører data uden at bruge fotografiske processer.
denne enhed kan registrere information uden for menneskets syn — fra røntgen-og UV-bølgelængder gennem det synlige til nær-IR. En CCD kan også have ekstremt korte eksponeringstider, der kan stoppe med at flytte objekter, og det kan integreres over lange perioder for at akkumulere billeder, som øjet ikke kan registrere., Det har en meget lavere opløsning end øjet lige store forstørrelser, men fordi hver pixel er større end øjets stænger og kegler, som er omkring 1,5 µm i det område, hvor øjet har sin højeste skarphed.
hver chip har egenskaber, der bestemmes af design og placering af de elektriske komponenter i chippens arkitektur. Da disse komponenter er på overfladen, absorberer de lys og reducerer effektiviteten, hvormed enheden konverterer fotoner til elektroner., Forskellige chips udviser forskellige spektrale egenskaber-det vil sige, de reagerer på forskellige bølgelængder af lys med forskellige effektivitet. De udviser også forskellige støjegenskaber og hastigheder ved overførsel af data i Pi .els til displayenheden eller computeren.
analoge signaler
metoden til at få data fra pi .els ind i displayenheden kan enten være analog som i et standardvideokamera eller digital som i en direkte computergrænseflade. Selve chippen producerer imidlertid et analogt signal., Dette signal, som er sammensat af elektronens ladning, der er forbundet med hver pixel, passerer gennem en forstærker og derefter sendes enten til en anden analog enhed, såsom en video skærm, eller til en analog-til-digital omformer så den kan blive sendt til en computer.
et analogt signal forbindes let til mange enheder, der allerede er i de fleste laboratorier, såsom videomonitorer og videobåndoptagere. Imidlertid har analoge signaler reelle ulemper: videokabler og tilbehør har højere signaltab, og videostandarder begrænser opløsningen, især i lodret retning.,
Et digitalt signal har nul tab under transmission, og kun størrelsen på computerens hukommelse begrænser opløsningen af det billede, den kan håndtere. Ulempen ved et digitalt signal er nøjagtigt det samme som dets fordel: i modsætning til video er der ingen standardgrænseflade. Derfor kræver hver detektor en dedikeret soft .aregrænseflade til at overføre billedet til computeren. Når den først er i computeren, skal den konverteres til analog til visning på computerskærmen. Alle displayenheder er analoge og er begrænset til 256 niveauer af grå, uanset om kameraet er digitalt eller ej.,
i sig selv er rå følsomhed, en detektors evne til at registrere tilstedeværelsen af en foton, ikke et godt mål for et kameras evne til at lave et billede af høj kvalitet. Mere vigtigt er kombinationen af egenskaber, der bruges til at beskrive en CCD. Disse egenskaber producerer signal-til-støj-forholdet, der beskriver en CCD ‘ s evne til at skelne mellem elektronerne produceret af indkommende fotoner og fremmede elektroner forårsaget af støjfaktorer.
En metode til forbedring af den samlede følsomhed for signal-til-støjforhold for næsten enhver CCD-chip er at afkøle den., Køling reducerer den mørke støj (elektroner skabt af varme i stedet for indgående fotoner). Køling kan opnås ved hjælp af cirkulerende vand, flydende gasser eller en termoelektrisk køler, som er en type elektrisk køleskab, der kan reducere chippens temperatur. Hver 8 C C afkøling reducerer den mørke støj med halvdelen. Fordelene ved den termoelektriske køler er, at den kan integreres i CCD-kamerapakken, og det kræver ikke løbende tilsætninger af fordampende kølematerialer.,
Når lyset rammer chip
Lys, der falder på en CCD-chip, der skaber en elektrisk ladning i hver pixel direkte relateret til mængden af lys, der faldt på den pågældende pixel. I en proces kendt som udlæsning konverteres information om chippen til et analogt signal. Aflæsning overfører sekventielt afgifterne i hver række af Pi .els, række for række i lodret rækkefølge, til rækken af Pi .els øverst eller nederst på chippen. Denne række, kaldet udlæsningsrækken, er blokeret fra lyset af en uigennemsigtig maske. Overførslen er omkring 99,999 procent effektiv og kræver kun et par mikrosekunder pr.,
Mikroskopister anvender regelmæssigt CCD-kameraer til at indsamle billeder ved hjælp af forskellige kontrastforbedringsmetoder. Forskellen interferens kontrast (øverst til højre) afslører fine strukturelle detaljer i et newt-lunge epitel celle, mens rhodamine (nederst til højre) viser strukturelle actin filamenter rød, og blå fluorophore, DAPI, (venstre) etiketter cellens kromosomer. Med tilladelse fra Ted Salmon, University of North Carolina, Chapel Hill.
En gang i udlæsningsrækken fortsætter ladningerne vandret gennem en forstærker for at skabe et signal, der repræsenterer en vandret linje i billedet., Sekvensen gentages, indtil alle rækker er overført, og hele billedet er blevet læst op. For at fremskynde udlæsningen har nogle chips mere end en udlæsningsrække, kaldet flere vandhaner. Ekstra rækker kræver ekstra forstærkere, der kan øge omkostningerne og kan forårsage forskellige grå niveauer i dele af billedet.
lyset må ikke nå detektoren under udlæsning, da det vil give effekter, der ligner fremføring af filmen i et kamera, mens lukkeren er åben-sløring, billedskygge eller blanding af billeder. Løsningerne på dette problem kan påvirke egnetheden af en bestemt CCD til en applikation., Hver metode har fordele og ulemper.
Udlæsningsmetoder
den mest almindelige metode til beskyttelse af billedet er en mekanisk lukker, der ligner skodder på et almindeligt filmkamera. Lukkeren åbnes i et bestemt tidsrum og lukkes derefter. Aflæsning sker, mens lukkeren er lukket. Chips designet til denne type udlæsning kaldes normalt full-frame transfer chips. Næsten alle CCD-kameraer bruger denne metode, og det er muligt at afbilde de fleste stationære objekter i både høje og lave lysniveauer med denne type kamera.,
denne chip er også den primære type, der er tilgængelig til applikationer i høj opløsning, der kræver pi .elarrayer større end 1000.1000. Dens effektivitet gør den velegnet til fluorescensapplikationer med lavt lys, men det kræver, at mikroskopet og monteringsmetoden er meget stabil. Denne type chip er generelt meget god til at detektere rødt og infrarødt lys, fordi det er spektralt mere følsomt over for længere bølgelængder., Imidlertid, den reducerede følsomhed over for kortere bølgelængder nødvendiggør temmelig lange eksponeringstider, der begrænser dens anvendelse til fluorescens applikationer såsom calcium ratio og grøn fluorescerende protein mærkning. Fordi de fleste af disse enheder har stor fuldbrøndskapacitet, er de gode til at detektere små ændringer i lyse signaler eller til måling af subtile ændringer i intensitet.
afkøling af en CCD-chip (til højre) reducerer det termiske støjbidrag (til venstre) til et billede, der ellers ville være sværere at læse (i midten)., Grøn fluorescens mærker det filamentøse actin i en kvindelig kænguru rotte nyrecelle farvet med Ale .a 488 Phalloidin. Med tilladelse fra Ted Salmon, University of North Carolina, Chapel Hill.
En anden metode, kaldet frame transfer, bruger en speciel chip med to identiske CCD ‘ er parret op; den ene udsættes for lys og den anden er helt maskeret. Da række-for-række-overførslen er hurtig sammenlignet med den faktiske udlæsning, giver den anden chip et sted at gemme billedet ved at flytte det hurtigt fra den udsatte chip og derefter læse den anden chip i et langsommere tempo., CCD ‘ er med Rammeoverførsel har næsten de samme applikationer som full-frame-transfer-enheder, men kan fungere med hurtigere hastigheder. For brugere, der har brug for at erhverve par billeder i hurtig rækkefølge eller flere billeder af områder, der er mindre end chippens fulde område, er det muligt hurtigt at overføre små underregioner af den udsatte chip til det maskerede område (se binning og subarray). Dette kan gøre det muligt at fange fire regioner af 256 × 256 pixels eller 16 regioner af 128 × 128 pixels hurtigt på en chip, som har 1024 × 1024 pixels på den primære chip.,
En tredje metode, der kaldes interline transfer, suppleanter kolonner af udsatte pixels med kolonner af maskeret pixels til at give midlertidig oplagring kun én pixel væk fra imaging pixels. Overførsel af et billede til den maskerede del kræver kun et par mikrosekunder, og alle billeddiagnostiske pixels opleve den samme eksponeringstid.
to typer af interline transfer chips er tilgængelige. Den første er en interlaced interline transfer chip, der bruges mest i standard videokameraer og videokameraer., Den anden type, den progressive scan interlineoverførselschip, bruges primært i højopløsningskameraer med høj dynamisk rækkevidde af den type, der er egnet til biologisk billeddannelse i høj opløsning.
Den seneste udvikling i interline-chips har næsten elimineret problemerne med ældre interline-enheder. Den første forbedring er tilføjelsen af On-chip linser, der bryder de fotoner, der normalt ville falde på de maskerede områder i billeddiagrammerne. Dette øger det aktive område til mere end 70 procent., En anden udvikling, hulakkumuleringsanordningen, har reduceret støjniveauerne i chippen, så den med minimal afkøling effektivt er støjfri. Med så lav støj kan enheden afbilde en lang række intensiteter med et højt signal-til-støj-forhold fra en mindre fuldbrøndskapacitet end mange af de ældre full-frame-transfer-og frame-transfer-chips.
disse chips er mere følsomme over for kortere bølgelængder end full-frame-transfer chips er, på bekostning af ydeevne i de røde områder. De chips ‘ eksponeringstider er hurtige nok til billedet hurtigt bevægelige objekter., For brightfield og differential interferens kontrast applikationer, de tilbyder hurtig betjening og god stop handling for partikel sporing og microtubule samling imaging.
disse chips kræver mindre køling og gør det enklere at producere gode billeder i svagt lys applikationer. De mangler den store fuldbrøndskapacitet, der kræves for at detektere små ændringer i et lyst signal, for eksempel ved billeddannelse af spændingsfølsomme farvestoffer. På den anden side er deres meget lave støjegenskaber nyttige til at detektere små signaler mod en mørk baggrund.,
Binning og subarray
De fleste CCD ‘ er deler to muligheder, der gør dem meget alsidige til videnskabelig billeddannelse: binning og subarray. Disse egenskaber kan øge udlæsningshastigheden, reducere eksponeringstider eller reducere den samlede mængde information, der skal overføres til computeren.
udtrykket binning refererer til at samle elektronerne sammen i en gruppe af nabopi .els. Resultatet kaldes undertiden en SuperPi .el, og det kan bruges til at forkorte eksponeringstider og øge signal-til-støj-forholdet ved ofring af rumlig opløsning., Fordi det producerer færre data, øger det overførselshastighederne. Kameraets soft .are styrer størrelsen af SuperPi .el, som kan omfatte et vilkårligt antal pi .els i enten vandret eller lodret retning. Ved billeddannelse er det praktisk at bruge lige tal i begge retninger for at undgå forvrængninger. Ved spektroskopi giver ulige lodrette og vandrette tal brugeren mulighed for at drage fordel af orienteringen af en monokromators output.
udtrykket subarray refererer til kun at bruge en del af det samlede CCD-område til at afbilde et lille område af fuld visning., Dette opnås inden for soft .arekontrollerne ved at tegne en boks rundt om det interesseområde inden for billedet for at specificere bestemte pi .els på CCD ‘ en. Det ændrer ikke opløsningen af det mindre område, men det reducerer i høj grad den samlede mængde data, der skal læses og overføres, og derved øger hastigheden.
silicium kan ikke fortælle forskellen mellem elektroner produceret af fotoner med forskellige bølgelængder, så der er behov for yderligere trin for at oprette Farvebilleder. Flere ordninger er blevet udtænkt for at opnå dette.,
der er to metoder til at løse forskellige farver på en enkelt chip. Den ene er at anvende et specielt mosaikfilter sammensat af et skiftevis mønster af enten rød/grøn/blå eller cyan/magenta/gule pletter på overfladen af chippen. Anvendelse af en matematisk ligning på de grå værdier for hver pi .el genskaber det originale ægte farvebillede. Disse oplysninger er kodet ind i videosignalet, og displayenheden eller rammegraberen rekonstruerer billedet.,
den anden metode bruger et roterende filterhjul til at udsætte hele chippen sekventielt for rødt, derefter grønt og derefter blåt, med udlæsning, der forekommer mellem hver eksponering. Dette genererer tre separate billeder, der skal rekonstrueres af en computer eller anden hard .arehukommelsesenhed.
En anden løsning er det tre-chip farvekamera, der samtidig fanger et rødt, et blåt og et grønt billede på hver af tre chips gennem et arrangement af prismer, der fungerer som kromatiske stråleplittere., Resultatet er tre separate, men samtidig erhvervede billeder, der kan vises på en almindelig videomonitor eller sendes til en computer som et standard RGB-signal.
CCD-kameraet har vist sig nyttigt for biologer i laboratoriet på grund af dets alsidighed og robusthed. Derudover fortsætter dens følsomhed og brugervenlighed med at vinde anerkendelser fra forskere, der hellere vil bruge laboratorietid på at koncentrere sig om videnskab end på at behandle fotografisk film., Da chipproducenter og kameraselskaber fortsætter med at udvikle bedre enheder med højere opløsninger, vil CCD-kameraet fortsat finde et hjem blandt laboratorieudstyr.
parametre, der skal overvejes, når du vælger et CCD – kamera
• Array-størrelse-tallet i hver vandret række med tallet i hver lodret kolonne (f.eks. 1024 10 1024). Et større antal pi .els er nyttigt for enten bedre rumlig opløsning (til billedet fine detaljer) eller et større synsfelt.
• pi .elstørrelse – den faktiske størrelse af hvert lysdetekteringselement i et array, målt i vandrette mikron med lodrette mikron., Større pixels arbejde med kortere eksponeringstider på bekostning af opløsning, og mindre pixel give en bedre rumlig opløsning, men kræver længere eksponeringer.
* interscene dynamic range-intervallet af de samlede eksponeringsværdier fra det lysest mulige lysniveau til det lysdæmpeste lysniveau, hvor detektoren kan producere et signal, udtrykt i Lu.eller fotoner pr. kvadratcentimeter pr. sekund.
• Mørk støj-antallet af elektroner chippen producerer ved en given temperatur, når der ikke falder lys på det, udtrykt i elektroner ved en angivet temperatur i grader Celsius pr.,
• Udlæsningsstøj – antallet af elektroner produceret under udlæsning, der ikke er relateret til signalet, udtrykt i elektroner.
• Udlæsningshastighed – den hastighed, hvormed pi .els aflæses gennem forstærkeren, udtrykt som Pi .els per sekund.
• Kvanteffektivitet – fraktionen af de fotoner, der rammer detektoren, der omdannes til elektroner, udtrykt som en procentdel.
• fuld-brønd kapacitet – det maksimale antal elektroner en PI .el kan holde. Større tal har en tendens til at øge det dynamiske område inden for et billede og evnen til at skelne små signalændringer i stærke signaler.,
• Intrascene dynamic range – rækken af mulige intensiteter inden for et enkelt billede, beregnet som fuld brønd kapacitet i elektroner divideret med støj i elektroner.
* Analog eller digital-form af kameraets dataudgang• Udgangen fra tidligere kameraer var altid analog, men de fleste kameraer kommer nu med en analog-til-digital konverter indbygget. Den grå-skala opløsning af den digitale output afhænger af antallet af bit i A/D-konverter til 8 bit er lig med 28 eller 256 grå niveau; 10 bit er lig 210, eller 1024 grå niveauer; op til 16 bits, som er 216, eller 65,535 grå niveauer.,
• spektrale egenskaber-hvordan farven på en foton påvirker detektorens respons, udtrykt som en graf over enten kvanteeffektivitet af relativ følsomhed kontra bølgelængde, uden støjfaktorer inkluderet.,ILT, Samarbejdspartnere Udvikle Reparation og Laser-Belægning Proces for Metal Komponenter Feb 5, 2021
Leave a Reply