Seit ihrer Erfindung in den späten 1960er Jahren haben ladungsgekoppelte Geräte, auch CCDs genannt, eine weit verbreitete Verwendung in bildgebenden Anwendungen gefunden. Elektronische Kameras, die auf CCD-Technologie basieren, werden in Anwendungen von Heimvideos über medizinische Bildgebung bis hin zur Astronomie eingesetzt. CCD-Kameras bieten gegenüber Filmkameras mehrere Vorteile: Sie können direkt an einen Computer angeschlossen werden, sind sehr empfindlich gegenüber schlechten Lichtverhältnissen und ihre Bilder sind sofort ohne Film-oder Dunkelraumverarbeitung verfügbar.,
Da ihre Kosten sinken, werden CCD-Sensoren zu unverzichtbaren Werkzeugen für Mikroskopiker und Biologen, obwohl viele Benutzer sehr wenig über ihre tatsächlichen Eigenschaften und Betriebsmethoden wissen. Jeder, der einen kaufen möchte, muss jedoch die Grundlagen der Technologie verstehen, um zu wissen, welcher Typ am besten zu seinen Bedürfnissen passt.
Ein CCD-Chip ist ein Array von photoelektrischen Detektoren auf einer Siliziumbasis unter Verwendung von Schichten von elektrischen Komponenten gebaut, die so genannte Architektur, auf der Oberfläche gedruckt., Diese Struktur teilt die Basis in ein Raster separater Fächer, sogenannte Pixel, die elektrische Ladungen enthalten. Ein Pixel wird durch seine Größe und die Anzahl der Elektronen beschrieben, die es aufnehmen kann. Die Größe eines Pixels variiert zwischen etwa 6 und 25 µm, und die Kapazität, die als volle Wellenkapazität bezeichnet wird, variiert zwischen etwa 10.000 und 500.000 Elektronen.
Der Chip bietet eine zweidimensionale Anordnung von Photodetektoren, die eingehende Photonen in elektrische Signale umwandeln. Diese Signale werden dann an eine Anzeige gesendet, wo sie zu einem Bild oder zu einem Speichergerät für zukünftige Rekonvertierungen rekonvertiert werden., Dieser Konvertierungs-und Erholungsprozess überwindet einige der Einschränkungen des menschlichen Auges und überträgt Daten ohne Verwendung fotografischer Prozesse.
Dieses Gerät kann Informationen außerhalb des Bereichs des menschlichen Sehens aufzeichnen — von Röntgen – und UV-Wellenlängen über das Sichtbare bis zum nahen IR. Ein CCD kann auch extrem kurze Belichtungszeiten haben, die das Bewegen von Objekten stoppen können, und es kann sich über lange Zeiträume integrieren, um Bilder anzusammeln, die das Auge nicht erkennen kann., Es hat jedoch eine viel geringere Auflösung als das Auge bei gleichen Vergrößerungen, da jedes Pixel größer ist als die Stäbchen und Zapfen des Auges, die in dem Bereich, in dem das Auge seine höchste Schärfe hat, etwa 1,5 µm groß sind.
Jeder Chip hat Eigenschaften, die durch das Design und die Platzierung der elektrischen Komponenten der Chip-Architektur bestimmt werden. Da sich diese Komponenten an der Oberfläche befinden, absorbieren sie Licht und verringern die Effizienz, mit der das Gerät Photonen in Elektronen umwandelt., Verschiedene Chips weisen unterschiedliche spektrale Eigenschaften auf — das heißt, sie reagieren auf unterschiedliche Lichtwellenlängen mit unterschiedlichen Wirkungsgraden. Sie weisen auch unterschiedliche Rauscheigenschaften und Geschwindigkeiten bei der Übertragung der Daten in den Pixeln auf das Anzeigegerät oder den Computer auf.
Analoge Signale
Das Verfahren zum Abrufen der Daten von den Pixeln in das Anzeigegerät kann entweder analog wie in einer Standardvideokamera oder digital wie in einer direkten Computerschnittstelle sein. Der Chip selbst erzeugt jedoch ein analoges Signal., Dieses Signal, das aus der Elektronenladung besteht, die jedem Pixel zugeordnet ist, durchläuft einen Verstärker und wird dann entweder an ein anderes analoges Gerät wie einen Videomonitor oder an einen Analog-Digital-Wandler übertragen, so dass es an einen Computer gesendet werden kann.
Ein analoges Signal verbindet sich leicht mit vielen Geräten bereits in den meisten Labors, wie Videomonitore und Videorecorder. Analoge Signale haben jedoch echte Nachteile: Videokabel und Zubehörteile weisen höhere Signalverluste auf, und Videostandards begrenzen die Auflösung, insbesondere in vertikaler Richtung.,
Ein digitales Signal hat null Verlust während der Übertragung, und nur die Größe des Speichers des Computers begrenzt die Auflösung des Bildes verarbeiten kann. Der Nachteil eines digitalen Signals ist genau der gleiche wie sein Vorteil: Im Gegensatz zu Video gibt es keine Standardschnittstelle. Daher benötigt jeder Detektor eine dedizierte Softwareschnittstelle, um das Bild an den Computer zu übertragen. Sobald es sich im Computer befindet, muss es zur Anzeige auf dem Computermonitor auf Analog umgestellt werden. Alle Anzeigegeräte sind analog und auf 256 Graustufen begrenzt, unabhängig davon, ob die Kamera digital ist oder nicht.,
An sich ist die rohe Empfindlichkeit, die Fähigkeit eines Detektors, das Vorhandensein eines Photons aufzuzeichnen, kein gutes Maß für die Fähigkeit einer Kamera, ein qualitativ hochwertiges Bild zu erstellen. Wichtiger ist die Kombination von Eigenschaften, die zur Beschreibung eines CCD verwendet werden. Diese Eigenschaften erzeugen das Signal-Rausch-Verhältnis, das die Fähigkeit eines CCD beschreibt, zwischen den Elektronen zu unterscheiden, die durch einfallende Photonen und durch Rauschfaktoren verursachte Fremdelektronen erzeugt werden.
Eine Methode zur Verbesserung der gesamten Signal-Rausch-Verhältnis Empfindlichkeit von fast jedem CCD-Chip ist es zu kühlen., Kühlung reduziert das dunkle Rauschen (Elektronen, die durch Wärme erzeugt werden, anstatt ankommende Photonen). Die Kühlung kann mit zirkulierendem Wasser, flüssigen Gasen oder einem thermoelektrischen Kühler erfolgen, einem elektrischen Kühlkörper, der die Temperatur des Chips senken kann. Jede 8 °C Kühlung reduziert das dunkle Rauschen um die Hälfte. Vorteile des thermoelektrischen Kühlers sind, dass er in das CCD-Kamerapaket integriert werden kann und keine kontinuierlichen Zusätze von verdampfenden Kühlmaterialien erfordert.,
Wenn Licht auf den Chip trifft
Licht, das auf einen CCD-Chip fällt, erzeugt eine elektrische Ladung in jedem Pixel, die direkt mit der Lichtmenge zusammenhängt, die auf dieses Pixel fällt. In einem Prozess, der als Auslesen bezeichnet wird, werden Informationen auf dem Chip in ein analoges Signal umgewandelt. Das Auslesen überträgt die Ladungen in jeder Pixelreihe nacheinander Zeile für Zeile in vertikaler Reihenfolge auf die Pixelreihe oben oder unten auf dem Chip. Diese Zeile, die so genannte Auslesezeile, wird durch eine undurchsichtige Maske vor dem Licht blockiert. Die Übertragung ist zu 99,999 Prozent effizient und benötigt nur wenige Mikrosekunden pro Reihe.,
Mikroskopiker verwenden regelmäßig CCD-Kameras, um Bilder mit einer Vielzahl von Kontrastverbesserungsmethoden zu sammeln. Der differentielle Interferenzkontrast (oben rechts) zeigt feine strukturelle Details in einer newt epithelialen Lungenzelle, während Rhodamin (unten rechts) strukturelle Aktinfilamente rot macht und der blaue Fluorophor DAPI (links) die Chromosomen der Zelle markiert. Mit freundlicher Genehmigung von Ted Lachs, University of North Carolina, Chapel Hill.
Einmal in der Auslesezeile gehen die Ladungen horizontal durch einen Verstärker, um ein Signal zu erzeugen, das eine horizontale Linie im Bild darstellt., Die Sequenz wird wiederholt, bis alle Zeilen übertragen und das gesamte Bild ausgelesen wurde. Um das Auslesen zu beschleunigen, haben einige Chips mehr als eine Auslesezeile, mehrere Taps genannt. Zusätzliche Zeilen erfordern zusätzliche Verstärker, die die Kosten erhöhen und unterschiedliche Graustufen in Teilen des Bildes verursachen können.
Licht darf den Detektor während des Auslesens nicht erreichen oder es erzeugt ähnliche Effekte wie das Vorrücken des Films in einer Kamera, während der Verschluss geöffnet ist-Unschärfe, Bildschattierung oder Mischen von Bildern. Die Lösungen für dieses Problem können die Eignung eines bestimmten CCD für eine Anwendung beeinflussen., Jede Methode hat Vor – und Nachteile.
Auslesemethoden
Die gebräuchlichste Methode zum Schutz des Bildes ist ein mechanischer Verschluss, ähnlich wie bei einer normalen Filmkamera. Der Verschluss öffnet sich für eine bestimmte Zeit und schließt dann. Das Auslesen erfolgt, während der Verschluss geschlossen ist. Chips, die für diese Art von Anzeige entwickelt wurden, werden normalerweise als Vollformat-Transferchips bezeichnet. Fast alle CCD-Kameras verwenden diese Methode, und es ist möglich, die meisten stationären Objekte sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Lichtverhältnissen mit dieser Art von Kamera abzubilden.,
Dieser Chip ist auch der primäre Typ für hochauflösende Anwendungen, die Pixel-Arrays größer als 1000 × 1000. Seine Effizienz macht es für Fluoreszenzanwendungen bei schlechten Lichtverhältnissen geeignet, erfordert jedoch, dass das Mikroskop und die Montagemethode sehr stabil sind. Diese Art von Chip ist im Allgemeinen sehr gut bei der Erkennung von rotem und infrarotem Licht, da es spektral empfindlicher auf längere Wellenlängen reagiert., Die verringerte Empfindlichkeit gegenüber kürzeren Wellenlängen erfordert jedoch ziemlich lange Belichtungszeiten, die ihre Verwendung für Fluoreszenzanwendungen wie Calciumratioing und grün fluoreszierende Proteinmarkierung einschränken. Da die meisten dieser Geräte eine große volle Brunnenkapazität haben, eignen sie sich gut zum Erkennen kleiner Änderungen in hellen Signalen oder zum Messen subtiler Intensitätsänderungen.
Das Kühlen eines CCD-Chips (rechts) reduziert den thermischen Rauschbeitrag (links) auf ein Bild, das sonst schwerer lesbar wäre (Mitte)., Grüne Fluoreszenz markiert das filamentöse Aktin in einer weiblichen Känguru-Ratten-Nierenzelle, die mit Alexa 488 Phalloidin gefärbt ist. Mit freundlicher Genehmigung von Ted Lachs, University of North Carolina, Chapel Hill.
Eine andere Methode, Frame Transfer genannt, verwendet einen speziellen Chip mit zwei identischen CCDs gepaart; man ist Licht ausgesetzt und die andere ist vollständig maskiert. Da die zeilenweise Übertragung im Vergleich zum tatsächlichen Auslesen schnell ist, bietet der zweite Chip einen Platz, um das Bild zu speichern, indem er es schnell vom belichteten Chip verschiebt und dann den zweiten Chip langsamer ausliest.,
Frame-Transfer CCDs haben fast die gleichen Anwendungen wie Full-Frame-Transfer-Einheiten, können aber mit schnelleren Geschwindigkeiten arbeiten. Für Benutzer, die Bildpaare in schneller Reihenfolge oder mehrere Bilder von Bereichen erfassen müssen, die kleiner als die gesamte Fläche des Chips sind, ist es möglich, kleine Teilbereiche des exponierten Chips schnell auf den maskierten Bereich zu übertragen (siehe Binning und Subarray). Dies könnte es ermöglichen, vier Regionen mit 256 × 256 Pixeln oder 16 Regionen mit 128 × 128 Pixeln schnell auf einem Chip mit 1024 × 1024 Pixeln auf dem Primärchip zu erfassen.,
Eine dritte Methode, genannt interline Transfer, wechselt Spalten von belichteten Pixeln mit Spalten von maskierten Pixeln temporären Speicher nur ein Pixel entfernt von den bildgebenden Pixeln zur Verfügung zu stellen. Die Übertragung eines Bildes auf den maskierten Teil erfordert nur wenige Mikrosekunden, und alle Bildpixel haben die gleiche Belichtungszeit.
Zwei Arten von interline-transfer-chips verfügbar sind. Der erste ist ein Interlaced Interline Transfer Chip, der hauptsächlich in Standard-Videokameras und Camcordern verwendet wird., Der zweite Typ, der Progressive Scan Interline Transfer Chip, wird hauptsächlich in hochauflösenden, hochdynamischen Kameras des Typs verwendet, der für die hochauflösende biologische Bildgebung geeignet ist.
Die jüngsten Entwicklungen in Interline-Chips haben fast die Probleme der älteren Interline-Geräte beseitigt. Die erste Verbesserung ist die Zugabe von On-Chip-Linsen, die die Photonen brechen, die normalerweise auf die maskierten Bereiche in die bildgebenden Pixel fallen würden. Dies erhöht die aktive Fläche auf mehr als 70 Prozent., Eine zweite Entwicklung, die Lochakkumulationsvorrichtung, hat den Geräuschpegel im Chip reduziert, so dass er bei minimaler Kühlung effektiv geräuschfrei ist. Mit solch geringem Rauschen kann das Gerät einen breiten Bereich von Intensitäten mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis von einer kleineren Full-Well-Kapazität als viele der älteren Full-Frame-Transfer-und Frame-Transfer-Chips abbilden.
Diese Chips sind empfindlicher auf kürzere Wellenlängen als Full-Frame-Transfer-Chips sind, auf Kosten der Leistung in den roten Regionen. Die Belichtungszeiten der Chips sind schnell genug, um sich schnell bewegende Objekte abzubilden., Für Hellfeld-und differentielle Interferenzkontrastanwendungen bieten sie einen schnellen Betrieb und eine gute Stoppwirkung für die Partikelverfolgung und die Mikrotubuli-Montageabbildung.
Diese Chips benötigen weniger Kühlung und machen es einfacher, gute Bilder in Low-Light-Anwendungen zu produzieren. Ihnen fehlt die große volle Brunnenkapazität, die erforderlich ist, um kleine Änderungen in einem hellen Signal zu erkennen, beispielsweise bei der Abbildung spannungsempfindlicher Farbstoffe. Andererseits sind ihre sehr rauscharmen Eigenschaften nützlich, um kleine Signale vor einem dunklen Hintergrund zu erkennen.,
Binning und subarray
die Meisten CCDs teilen sich zwei Funktionen, die machen Sie sehr vielseitig für scientific imaging: binning und subarray. Diese Eigenschaften können die Lesegeschwindigkeit erhöhen, die Belichtungszeiten verringern oder die Gesamtmenge an Informationen reduzieren, die an den Computer übertragen werden müssen.
Der Begriff Binning bezieht sich auf das Bündeln der Elektronen in einer Gruppe benachbarter Pixel. Das Ergebnis wird manchmal als Superpixel bezeichnet und kann verwendet werden, um die Belichtungszeiten zu verkürzen und das Signal-Rausch-Verhältnis zum Zeitpunkt der räumlichen Auflösung zu erhöhen., Da es weniger Daten erzeugt, erhöht es die Übertragungsgeschwindigkeiten. Die Software der Kamera steuert die Größe des Superpixels, das eine beliebige Anzahl von Pixeln in horizontaler oder vertikaler Richtung enthalten kann. In der Bildgebung ist es zweckmäßig, gleiche Zahlen in beide Richtungen zu verwenden, um Verzerrungen zu vermeiden. In der Spektroskopie ermöglicht das Erstellen ungleicher vertikaler und horizontaler Zahlen dem Benutzer, die Ausrichtung der Ausgabe eines Monochromators zu nutzen.
Der Begriff Subarray bezieht sich darauf, nur einen Teil der gesamten CCD-Fläche zu verwenden, um einen kleinen Bereich der Vollansicht abzubilden., Dies wird innerhalb der Software-Steuerelemente erreicht, indem ein Feld um den interessierenden Bereich innerhalb des Bildes gezeichnet wird, um bestimmte Pixel auf dem CCD anzugeben. Es ändert nicht die Auflösung des kleineren Bereichs, aber es reduziert die Gesamtmenge an Daten, die ausgelesen und übertragen werden müssen, und erhöht dadurch die Geschwindigkeit.
Silizium kann den Unterschied zwischen Elektronen, die von Photonen unterschiedlicher Wellenlängen erzeugt werden, nicht erkennen, daher sind zusätzliche Schritte erforderlich, um Farbbilder zu erstellen. Um dies zu erreichen, wurden mehrere Systeme entwickelt.,
Es gibt zwei Methoden, um verschiedene Farben auf einem einzigen Chip zu lösen. Eine besteht darin, einen speziellen Mosaikfilter aufzutragen, der aus einem abwechselnden Muster von entweder roten/grünen/blauen oder cyan/magenta/gelben Flecken auf der Oberfläche des Chips besteht. Durch Anwenden einer mathematischen Gleichung auf die Grauwerte jedes Pixels wird das ursprüngliche Echtfarbbild neu erstellt. Diese Informationen werden in das Videosignal codiert, und das Anzeigegerät oder Framegrabber rekonstruiert das Bild.,
Die zweite Methode verwendet ein rotierendes Filterrad, um den gesamten Chip nacheinander rot, dann grün und dann blau auszusetzen, wobei zwischen jeder Belichtung eine Anzeige erfolgt. Dadurch werden drei separate Bilder generiert, die von einem Computer oder einem anderen Hardwarespeichergerät rekonstruiert werden müssen.
Eine weitere Lösung ist die Drei-Chip-Farbkamera, die gleichzeitig ein rotes, ein blaues und ein grünes Bild auf jedem der drei Chips durch eine Anordnung von Prismen, die als chromatische Strahlengeber wirken erfasst., Das Ergebnis sind drei separate, aber gleichzeitig aufgenommene Bilder, die auf einem normalen Videomonitor angezeigt oder als Standard-RGB-Signal an einen Computer gesendet werden können.
Die CCD-Kamera hat sich aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Robustheit als nützlich für Biologen im Labor erwiesen. Darüber hinaus gewinnen seine Sensibilität und Benutzerfreundlichkeit weiterhin die Auszeichnungen von Wissenschaftlern, die lieber Laborzeit damit verbringen, sich auf die Wissenschaft als auf die Verarbeitung von fotografischem Film zu konzentrieren., Da Chiphersteller und Kamerafirmen weiterhin bessere Geräte mit höheren Auflösungen entwickeln, wird die CCD-Kamera weiterhin ein Zuhause unter Laborgeräten finden.
Parameter, die bei der Auswahl einer CCD-Kamera zu berücksichtigen sind
* Array-Größe – die Zahl in jeder horizontalen Zeile durch die Zahl in jeder vertikalen Spalte (z. B. 1024 x 1024). Eine größere Anzahl von Pixeln ist entweder für eine bessere räumliche Auflösung (zum Abbilden feiner Details) oder für ein größeres Sichtfeld nützlich.
• Pixelgröße – die tatsächliche Größe jedes Lichterfassungselements eines Arrays, gemessen in horizontalen Mikrometern durch vertikale Mikrometer., Größere Pixel arbeiten mit kürzeren Belichtungszeiten auf Kosten der Auflösung, und kleinere Pixel bieten eine bessere räumliche Auflösung, erfordern jedoch längere Belichtungen.
* Interscene Dynamic Range-der Bereich der Gesamtbelichtungswerte vom hellsten Lichtpegel möglich bis zum dunkelsten Lichtpegel, bei dem der Detektor ein Signal erzeugen kann, ausgedrückt in Lux oder Photonen pro Quadratzentimeter pro Sekunde.
• Dunkles Rauschen – die Anzahl der Elektronen, die der Chip bei einer bestimmten Temperatur erzeugt, wenn kein Licht darauf fällt, ausgedrückt in Elektronen bei einer angegebenen Temperatur in Grad Celsius pro Sekunde.,
• Ausleserauschen – die Anzahl der Elektronen während des Auslesens erzeugt, die nicht auf das Signal bezogen sind, in Elektronen ausgedrückt.
• Auslesegeschwindigkeit – die Geschwindigkeit, mit der die Pixel durch den Verstärker ausgelesen werden, ausgedrückt als Pixel pro Sekunde.
* Quanteneffizienz – der Anteil jener Photonen, die den Detektor treffen, die in Elektronen umgewandelt werden, ausgedrückt als Prozentsatz.
• Full-Well-Kapazität – die maximale Anzahl von Elektronen ein Pixel halten kann. Größere Zahlen neigen dazu, den Dynamikbereich innerhalb eines Bildes und die Fähigkeit, kleine Signaländerungen in starken Signalen zu erkennen, zu erhöhen.,
* Intrascene Dynamic range-der Bereich der möglichen Intensitäten innerhalb eines einzigen Bildes, berechnet als die volle Wellenkapazität in Elektronen geteilt durch das Rauschen in Elektronen.
* Analog oder digital-die Form der Datenausgabe der Kamera. Die Ausgabe von früheren Kameras war immer analog, aber die meisten Kameras verfügen jetzt über einen eingebauten Analog-Digital-Wandler. Die Graustufen-Auflösung des Digitalausgangs hängt von der Anzahl der Bits im A/D-Wandler ab – 8 Bits entsprechen 28 oder 256 Graustufen; 10 Bits entsprechen 210 oder 1024 Graustufen; bis zu 16 Bits, was 216 oder 65.535 Graustufen entspricht.,
• Spektrale Eigenschaften-wie die Farbe eines Photons beeinflusst die Reaktion des Detektors, ausgedrückt als Graph entweder Quanteneffizienz der relativen Empfindlichkeit vs. Wellenlänge, ohne Rauschfaktoren enthalten.,ILT, Mitarbeiter entwickeln Reparatur-und Laserbeschichtungsverfahren für Metallkomponenten 5. Februar 2021
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