desde su invención a finales de la década de 1960, los dispositivos de carga acoplada, también llamados CCD, han encontrado un uso generalizado en aplicaciones de imágenes. Las cámaras electrónicas basadas en la tecnología CCD se utilizan en aplicaciones desde video doméstico hasta imágenes médicas y astronomía. Las cámaras CCD ofrecen varias ventajas sobre las cámaras de película: se pueden conectar directamente a un ordenador, pueden ser muy sensibles a los niveles de poca luz y sus imágenes están disponibles al instante sin el procesamiento de película o sala oscura., a medida que bajan sus costos, los sensores CCD se están convirtiendo en herramientas esenciales para microscopistas y biólogos, aunque muchos usuarios saben muy poco sobre sus características reales y métodos operativos. Cualquier persona que planea comprar uno, sin embargo, necesita entender los conceptos básicos de la tecnología para saber qué tipo se adapta mejor a sus necesidades. un chip CCD es un conjunto de detectores fotoeléctricos construidos sobre una base de silicio utilizando capas de componentes eléctricos, llamados arquitectura, impresos en la superficie., Esta estructura divide la base en una cuadrícula de compartimentos separados, llamados píxeles, que contienen cargas eléctricas. Un píxel se describe por su tamaño y el número de electrones que puede contener. El tamaño de un píxel varía de aproximadamente 6 a 25 µm, y la capacidad, llamada capacidad de pozo completo, varía de aproximadamente 10,000 a 500,000 electrones.
El chip proporciona una matriz bidimensional de fotodetectores que convierten los fotones entrantes en señales eléctricas. Estas señales se envían a una pantalla donde se reconverten en una imagen o a un dispositivo de almacenamiento para su futura reconversión., Este proceso de conversión y recreación supera algunas de las limitaciones del ojo humano y transfiere datos sin utilizar procesos fotográficos.
este dispositivo puede registrar información fuera del rango de visión humana, desde longitudes de onda de rayos X Y UV a través de lo visible hasta el infrarrojo cercano. Un CCD también puede tener tiempos de exposición extremadamente cortos que pueden detener el movimiento de objetos, y puede integrarse durante largos períodos para acumular imágenes que el ojo no puede detectar., Tiene una resolución mucho más baja que el ojo a aumentos iguales, sin embargo, porque cada píxel es más grande que las barras y conos del ojo, que son aproximadamente 1.5 µm en el área donde el ojo tiene su agudeza más alta.
cada chip tiene características que están determinadas por el diseño y la colocación de los componentes eléctricos de la arquitectura del chip. Dado que estos componentes están en la superficie, absorben la luz y reducen la eficiencia con la que el dispositivo convierte los fotones en electrones., Diferentes chips exhiben diferentes características espectrales, es decir, responden a diferentes longitudes de onda de luz con diferentes eficiencias. También exhiben diferentes características de ruido y velocidades en la transferencia de los datos en los píxeles al dispositivo de visualización o computadora.
señales analógicas
el método para obtener los datos de los píxeles en el dispositivo de visualización puede ser analógico como en una cámara de video estándar, o digital como en una interfaz de computadora directa. El propio chip, sin embargo, produce una señal analógica., Esta señal, que se compone de la carga de electrones asociada con cada píxel, pasa a través de un amplificador y luego se transmite a otro dispositivo analógico, como un monitor de video, o a un convertidor analógico a digital para que pueda enviarse a un ordenador.
Una señal analógica se conecta fácilmente a muchos dispositivos ya en la mayoría de los laboratorios, como monitores de video y VCR. Sin embargo, las señales analógicas vienen con desventajas reales: los cables y accesorios de Video tienen mayores pérdidas de señal, y los estándares de video limitan la resolución, especialmente en la dirección vertical.,
Una señal digital tiene pérdida cero durante la transmisión, y solo el tamaño de la memoria del ordenador limita la resolución de la imagen que puede manejar. La desventaja de una señal digital es precisamente la misma que su ventaja: a diferencia del video, no hay una interfaz estándar. Por lo tanto, cada detector requiere una interfaz de software dedicada para transmitir la imagen al ordenador. Una vez en el ordenador, debe reconvertirse a analógico para su visualización en el monitor del ordenador. Todos los dispositivos de visualización son analógicos y están limitados a 256 niveles de gris, ya sea que la cámara sea digital o no.,
por sí mismo, la sensibilidad cruda, la capacidad de un detector para registrar la presencia de un fotón, no es una buena medida de la capacidad de una cámara para hacer una imagen de alta calidad. Más importante es la combinación de propiedades utilizadas para describir un CCD. Estas propiedades producen la figura de la relación señal-ruido que describe la capacidad de un CCD para diferenciar entre los electrones producidos por los fotones entrantes y los electrones extraños causados por factores de ruido.
Un método para mejorar la sensibilidad general de la relación señal-ruido de casi cualquier chip CCD es enfriarlo., El enfriamiento reduce el ruido oscuro (electrones creados por el calor en lugar de fotones entrantes). El enfriamiento se puede lograr utilizando agua circulante, gases líquidos o un enfriador termoeléctrico, que es un tipo de disipador de calor eléctrico que puede reducir la temperatura del chip. Cada 8 ° C de enfriamiento reduce el ruido oscuro a la mitad. Las ventajas del enfriador termoeléctrico son que se puede integrar en el paquete de cámara CCD y no requiere adiciones continuas de materiales de enfriamiento por evaporación.,
Cuando la luz golpea el chip
La Luz que cae en un chip CCD crea una carga eléctrica en cada píxel directamente relacionada con la cantidad de luz que cayó en ese píxel. En un proceso conocido como lectura, la información en el chip se convierte en una señal analógica. Readout transfiere secuencialmente las cargas en cada fila de píxeles, fila por fila en orden vertical, a la fila de píxeles en la parte superior o inferior del chip. Esta fila, llamada fila de lectura, está bloqueada de la luz por una máscara opaca. La transferencia es aproximadamente 99.999 por ciento eficiente y requiere solo unos pocos microsegundos por fila.,
Los microscopistas emplean regularmente cámaras CCD para recopilar imágenes utilizando una variedad de métodos de mejora de contraste. El contraste de interferencia diferencial (arriba a la derecha) revela detalles estructurales finos en una célula pulmonar epitelial de Tritón, mientras que la rodamina (abajo a la derecha) vuelve rojos los filamentos estructurales de actina, y el fluoróforo azul, DAPI, (izquierda) etiqueta los cromosomas de la célula. Cortesía de Ted Salmon, Universidad de Carolina del Norte, Chapel Hill.
Una vez en la fila de lectura, las cargas proceden horizontalmente a través de un amplificador para crear una señal que representa una línea horizontal en la imagen., La secuencia se repite hasta que se transfieren todas las filas y se ha leído toda la imagen. Para acelerar la lectura, algunos chips tienen más de una fila de lectura, llamada múltiples toques. Las filas adicionales requieren amplificadores adicionales que pueden aumentar los costos y pueden causar diferentes niveles de gris en partes de la imagen.
La Luz no debe llegar al detector durante la lectura o producirá efectos similares al avance de la película en una cámara mientras el obturador está abierto: desenfoque, sombreado de imagen o mezcla de imágenes. Las soluciones a este problema pueden afectar la idoneidad de un CCD en particular para una aplicación., Cada método tiene ventajas y desventajas.
métodos de lectura
el método más común para proteger la imagen es un obturador mecánico, similar a los obturadores de una cámara de película normal. El obturador se abre durante un tiempo especificado y luego se cierra. La lectura se produce mientras el obturador está cerrado. Los Chips diseñados para este tipo de lectura generalmente se llaman chips de transferencia de fotograma completo. Casi todas las cámaras CCD utilizan este método, y es posible obtener imágenes de la mayoría de los objetos estacionarios en niveles de luz altos y bajos con este tipo de cámara.,
Este chip es también el tipo principal disponible para aplicaciones de alta resolución que requieren matrices de píxeles mayores de 1000 × 1000. Su eficiencia lo hace adecuado para aplicaciones de fluorescencia con poca luz, pero requiere que el microscopio y el método de montaje sean muy estables. Este tipo de chip es generalmente muy bueno para detectar luz roja e infrarroja porque es espectralmente más sensible a longitudes de onda más largas., Sin embargo, la sensibilidad reducida a longitudes de onda más cortas requiere tiempos de exposición bastante largos que limitan su uso para aplicaciones de fluorescencia como la ratioing de calcio y el marcado de proteínas fluorescentes verdes. Debido a que la mayoría de estos dispositivos tienen una gran capacidad de pozo completo, son buenos para detectar pequeños cambios en señales brillantes o para medir cambios sutiles en la intensidad.
enfriar un chip CCD (derecha) reduce la contribución de ruido térmico (izquierda) a una imagen que de otro modo sería más difícil de leer (centro)., La fluorescencia verde etiqueta la actina filamentosa en una célula renal de rata canguro hembra teñida con Faloidina Alexa 488. Cortesía de Ted Salmon, Universidad de Carolina del Norte, Chapel Hill.
otro método, llamado transferencia de fotogramas, utiliza un chip especial con dos CCD idénticos emparejados; uno está expuesto a la luz y el otro está completamente enmascarado. Dado que la transferencia fila por fila es rápida en comparación con la lectura real, el segundo chip proporciona un lugar para almacenar la imagen desplazándola rápidamente del chip expuesto y luego leyendo el segundo chip a un ritmo más lento., los CCD de transferencia de fotogramas tienen casi las mismas aplicaciones que las unidades de transferencia de fotogramas completos, pero pueden funcionar a velocidades más rápidas. Para los usuarios que necesitan adquirir pares de imágenes en secuencia rápida o múltiples imágenes de áreas que son menores que el área completa del chip, es posible transferir rápidamente pequeñas subregiones del chip expuesto al área enmascarada (ver binning y subarray). Esto podría hacer posible capturar cuatro regiones de 256 × 256 píxeles o 16 regiones de 128 × 128 píxeles rápidamente en un chip que tiene 1024 × 1024 píxeles en el chip primario.,
un tercer método, llamado transferencia interlínea, alterna columnas de píxeles expuestos con columnas de píxeles enmascarados para proporcionar almacenamiento temporal a solo un píxel de distancia de los píxeles de imagen. La transferencia de una imagen a la parte enmascarada requiere solo unos pocos microsegundos, y todos los píxeles de imagen experimentan el mismo tiempo de exposición. hay dos tipos de chips de transferencia interlínea disponibles. El primero es un chip de transferencia interlínea entrelazado que se usa principalmente en cámaras de video y videocámaras estándar., El segundo tipo, el chip de transferencia interlínea de escaneo progresivo, se utiliza principalmente en cámaras de alta resolución y alto rango dinámico del tipo adecuado para imágenes biológicas de alta resolución.
Los desarrollos recientes en chips interline han eliminado casi los problemas de los dispositivos interline más antiguos. La primera mejora es la adición de lentes en chip que refractan los fotones que normalmente caerían en las áreas enmascaradas en los píxeles de imagen. Esto aumenta el área activa a más del 70 por ciento., Un segundo desarrollo, el dispositivo de acumulación de agujeros, ha reducido los niveles de ruido en el chip de modo que con un enfriamiento mínimo, es efectivamente libre de ruido. Con tan bajo nivel de ruido, el dispositivo puede obtener imágenes de una amplia gama de intensidades con una alta relación señal-ruido desde una capacidad de pozo completo más pequeña que muchos de los chips de transferencia de fotogramas completos y transferencia de fotogramas más antiguos.estos chips son más sensibles a longitudes de onda más cortas que los chips de transferencia de fotograma completo, a expensas del rendimiento en las regiones rojas. Los tiempos de exposición de los chips son lo suficientemente rápidos para obtener imágenes de objetos que se mueven rápidamente., Para aplicaciones de contraste de interferencia diferencial y campo claro, ofrecen un funcionamiento rápido y una buena acción de parada para el seguimiento de partículas y la obtención de imágenes de ensamblaje de microtúbulos.
estos chips requieren menos enfriamiento y facilitan la producción de buenas imágenes en aplicaciones con poca luz. Carecen de la gran capacidad de pozo completo necesaria para detectar pequeños cambios en una señal brillante, por ejemplo, cuando se obtienen imágenes de tintes sensibles al voltaje. Por otro lado, sus características de ruido muy bajo son útiles para detectar señales pequeñas en un fondo oscuro.,
Binning y subarray
La mayoría de los CCD comparten dos capacidades que los hacen muy versátiles para la imagen científica: binning y subarray. Estas propiedades pueden aumentar la velocidad de lectura, disminuir los tiempos de exposición o reducir la cantidad total de información que debe transferirse al ordenador.
El término binning se refiere a agrupar los electrones en un grupo de píxeles vecinos. El resultado a veces se llama superpixel, y se puede usar para acortar los tiempos de exposición y aumentar la relación señal-ruido al sacrificar la resolución espacial., Debido a que produce menos datos, aumenta las velocidades de transferencia. El software de la cámara controla el tamaño del superpixel, que puede incluir cualquier número de píxeles en la dirección horizontal o vertical. En imágenes, es conveniente usar números iguales en ambas direcciones para evitar distorsiones. En espectroscopia, hacer números verticales y horizontales desiguales permite al usuario aprovechar la orientación de la salida de un monocromador.
El término subarray se refiere a usar solo una porción del área CCD total para representar una pequeña región de la vista completa., Esto se logra desde dentro de los controles del software dibujando una caja alrededor de la región de interés dentro de la imagen para especificar ciertos píxeles en el CCD. No cambia la resolución del área más pequeña, pero reduce en gran medida la cantidad total de datos que deben leerse y transferirse, y por lo tanto aumenta la velocidad.
El silicio no puede decir la diferencia entre los electrones producidos por fotones de diferentes longitudes de onda, por lo que se necesitan pasos adicionales para crear imágenes en color. Se han elaborado varios planes para lograrlo., hay dos métodos para resolver diferentes colores en un solo chip. Uno es aplicar un filtro mosaico especial compuesto por un patrón alterno de manchas rojas/verdes/azules o cian/magenta/amarillas a la superficie del chip. La aplicación de una ecuación matemática a los valores de gris de cada píxel recrea la imagen original en color real. Esta información se codifica en la señal de vídeo, y el dispositivo de visualización o capturador de fotogramas reconstruye la imagen.,
el segundo método utiliza una rueda de filtro giratoria para exponer todo el chip secuencialmente a rojo, luego verde, luego azul, con lectura que ocurre entre cada exposición. Esto genera tres imágenes separadas que deben ser reconstruidas por una computadora u otro dispositivo de memoria de hardware. otra solución es la cámara a color de tres chips que captura simultáneamente una imagen roja, azul y verde en cada uno de los tres chips a través de una disposición de prismas que actúan como divisores de haz cromáticos., El resultado es tres imágenes separadas pero adquiridas simultáneamente que se pueden mostrar en un monitor de video normal o enviarse a un ordenador como una señal RGB estándar.
La cámara CCD ha demostrado ser útil para los biólogos en el laboratorio debido a su versatilidad y robustez. Además, su sensibilidad y facilidad de uso siguen ganando los elogios de los científicos que prefieren pasar tiempo de laboratorio concentrándose en la ciencia que en el procesamiento de películas fotográficas., A medida que los fabricantes de chips y las compañías de cámaras continúan desarrollando mejores dispositivos con resoluciones más altas, la cámara CCD continuará encontrando un hogar entre los equipos de laboratorio.
parámetros a considerar al elegir una cámara CCD
• tamaño de matriz: el número en cada fila horizontal por el número en cada columna vertical (por ejemplo, 1024 x 1024). Un mayor número de píxeles es útil para una mejor resolución espacial (para obtener detalles finos de la imagen) o un campo de visión más grande.Tamaño de píxel: el tamaño real de cada elemento de detección de luz de una matriz, medido en micras horizontales por micras verticales., Los píxeles más grandes funcionan con tiempos de exposición más cortos a expensas de la resolución, y los píxeles más pequeños proporcionan una mejor resolución espacial, pero requieren exposiciones más largas.rango dinámico Interscene – el rango de valores de exposición total desde el nivel de luz más brillante posible hasta el nivel de luz más tenue en el que el detector puede producir una señal, expresada en lux o fotones por centímetro cuadrado por segundo. ruido oscuro – el número de electrones que el chip produce a una temperatura dada cuando no cae luz sobre él, expresado en electrones a una temperatura establecida en grados celsius por segundo.,ruido de lectura: el número de electrones producidos durante la lectura que no están relacionados con la señal, expresados en electrones.
* velocidad de lectura: la velocidad a la que se leen los píxeles a través del amplificador, expresada como píxeles por segundo.eficiencia cuántica-la fracción de los fotones que golpean el detector que se convierten en electrones, expresada como un porcentaje.capacidad de pozo completo: el número máximo de electrones que puede contener un píxel. Los números más grandes tienden a aumentar el rango dinámico dentro de una imagen y la capacidad de discernir pequeños cambios de señal en señales fuertes.,rango dinámico Intrasceno-el rango de posibles intensidades dentro de una sola imagen, calculado como la capacidad de pozo completo en electrones dividida por el ruido en electrones.analógico o digital: la forma de la salida de datos de la cámara. La salida de las cámaras anteriores siempre era analógica, pero la mayoría de las cámaras ahora vienen con un convertidor analógico a digital incorporado. La resolución de escala de grises de la salida digital depende del número de bits en el convertidor A/D – 8 bits es igual a 28, o 256 niveles de grises; 10 bits es igual a 210, o 1024 niveles de grises; hasta 16 bits, que es 216, o 65.535 niveles de grises.,características espectrales: cómo el color de un fotón afecta la respuesta del detector, expresada como un gráfico de eficiencia cuántica de sensibilidad relativa vs.longitud de onda, sin factores de ruido incluidos.,ILT, colaboradores desarrollan proceso de reparación y recubrimiento láser para componentes metálicos Feb 5, 2021
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