1960-luvun lopun keksinnöstään lähtien myös CCD: ksi kutsutut varaukseen kytketyt laitteet ovat saaneet laajaa käyttöä kuvantamissovelluksissa. CCD-teknologiaan perustuvia elektronisia kameroita käytetään sovelluksissa kotivideosta lääketieteelliseen kuvantamiseen tähtitieteeseen. CCD-kamerat tarjoavat useita etuja elokuvakameroihin verrattuna: ne voidaan liittää suoraan tietokoneeseen, ne voivat olla erittäin herkkiä matalille valotasoille ja niiden kuvat ovat heti saatavilla ilman filmiä tai pimeän huoneen käsittelyä.,
kun niiden kustannukset laskevat, CCD-sensoreista on tulossa tärkeitä välineitä mikroskopisteille ja biologeille, vaikka monet käyttäjät tietävät hyvin vähän niiden todellisista ominaisuuksista ja toimintatavoista. Jokaisen, joka aikoo ostaa sellaisen, on kuitenkin ymmärrettävä tekniikan perusteet tietääkseen, mikä tyyppi sopii parhaiten hänen tarpeisiinsa.
CCD-siru on joukko piipohjaan rakennettuja valosähköisiä ilmaisimia, jotka käyttävät pintaan painettuja sähkökomponenttikerroksia, joita kutsutaan arkkitehtuuriksi., Tämä rakenne jakaa pohjan erillisten lokeroiden eli pikselien verkkoon, jossa on sähkövarauksia. Pikseli kuvataan sen koon ja sen hallussa olevien elektronien määrän perusteella. Pikselin koko vaihtelee noin 6-25 µm: n välillä, ja kapasiteetti, jota kutsutaan täyskaivokapasiteetiksi, vaihtelee noin 10 000-500 000 elektronin välillä.
siru tarjoaa kaksiulotteisen joukon fotodetektoreita, jotka muuttavat saapuvat fotonit sähköisiksi signaaleiksi. Nämä signaalit lähetetään sitten näytölle, jossa ne muunnetaan kuvaksi tai tallennuslaitteeseen tulevaa kunnostusta varten., Tämä muuntaminen ja virkistys prosessi voittaa joitakin rajoitukset ihmisen silmä ja siirtää tiedot ilman käyttää valokuvausfilmit prosesseja.
Tämä laite voi tallentaa tietoa ihmisen näkökyvyn ulkopuolella-röntgen-ja UV-aallonpituuksilla näkyvän kautta lähes IR: ään. CCD: llä voi olla myös erittäin lyhyitä valotusaikoja, jotka voivat pysäyttää esineiden liikkumisen, ja se voi integroitua pitkiksi ajoiksi keräämään kuvia, joita silmä ei pysty havaitsemaan., Se on paljon pienempi resoluutio kuin silmä yhtä suurennoksia, kuitenkin, koska jokainen pikseli on suurempi kuin silmän tangot ja käpyjä, jotka ovat noin 1,5 µm: n alueella, jossa silmä on sen korkein näön.
jokaisella sirulla on ominaisuuksia, jotka määräytyvät sirun arkkitehtuurin sähkökomponenttien suunnittelun ja sijoittelun mukaan. Koska nämä komponentit ovat pinnalla, ne imevät valoa ja vähentää tehokkuutta, jolla laite muuntaa fotonit elektronit., Eri pelimerkkejä näytteille eri spektrin ominaisuuksia — että on, ne reagoivat eri valon aallonpituuksia eri tehokkuusetuja. Niillä on myös erilaisia meluominaisuuksia ja nopeuksia pikselitietojen siirtämisessä näyttölaitteeseen tai tietokoneeseen.
analogiset signaalit
menetelmä, jolla pikseleistä saadaan dataa näyttölaitteeseen, voi olla joko analoginen kuten tavallisessa videokamerassa, tai digitaalinen kuten suorassa tietokonerajapinnassa. Siru itse tuottaa kuitenkin analogisen signaalin., Tämä signaali, joka koostuu elektronin varaus liittyy kunkin pikselin, kulkee vahvistimen ja sitten lähetetään joko toinen analoginen laite, kuten video monitor, tai analoginen-digitaali-muunnin, joten se voidaan lähettää tietokoneeseen.
analoginen signaali yhdistää helposti moniin laitteisiin jo useimmissa laboratorioissa, kuten videomonitorit ja Videonauhurit. Kuitenkin analogiset signaalit tulevat todelliset haitat: – Video-kaapelit ja-tarvikkeet on suurempi signaalin tappiot, ja video-standardien raja-resoluutio, erityisesti pystysuunnassa.,
digitaalinen signaali on nolla menetys lähetyksen aikana, ja vain koko tietokoneen muisti rajoittaa kuvan tarkkuutta se voi käsitellä. Haitta digitaalinen signaali on täsmälleen sama kuin sen etu: toisin Kuin video, ei ole standardi käyttöliittymä. Siksi jokainen ilmaisin vaatii oman ohjelmistorajapinnan kuvan välittämiseksi tietokoneelle. Kun tietokone, se on palautettava analoginen näyttö tietokoneen näyttö. Kaikki näyttölaitteet ovat analogisia ja ne rajoittuvat 256 harmaantasoon riippumatta siitä, onko kamera digitaalinen vai ei.,
itsessään raaka herkkyys, ilmaisimen kyky tallentaa fotonin läsnäolo, ei ole hyvä mittari kameran kyvylle tehdä laadukasta kuvaa. Tärkeämpää on CCD: tä kuvaavien ominaisuuksien yhdistelmä. Nämä ominaisuudet tuottavat signaali-kohina-suhde kaavio, joka kuvaa kykyä CCD erottaa elektronit tuotetaan saapuvat fotonit ja ylimääräisiä elektroneja aiheuttama melu tekijät.
Yksi tapa parantaa lähes minkä tahansa CCD-sirun kokonaissignaalin ja melun välisen suhteen herkkyyttä on jäähdyttää sitä., Jäähdytys vähentää pimeää melua (elektronit syntyvät lämmön eikä saapuvien fotonien). Jäähdytys voidaan toteuttaa käyttämällä kiertävä vesi, neste, kaasut tai termosähköiset jäähdytin, joka on eräänlainen sähköinen jäähdytyselementti, joka voi vähentää lämpötilaa siru. Joka 8 °c jäähdytys vähentää pimeää melua puolella. Edut lämpömittarilla jäähdytin on, että se voi olla integroitu CCD-kamera paketti ja se ei vaadi jatkuvaa lisäyksiä haihduttamalla jäähdytys materiaaleja.,
kun valo osuu siruun
CCD-sirulle putoava valo luo jokaiseen pikseliin sähkövarauksen, joka liittyy suoraan siihen valon määrään, joka putosi kyseiselle pikselille. Prosessissa, joka tunnetaan nimellä readout, sirun tiedot muunnetaan analogiseksi signaaliksi. Lukema peräkkäin siirrot, maksut jokainen rivi pikseliä, rivi kerrallaan pystysuoraan järjestyksessä, rivi pikseliä yläreunassa tai alareunassa siru. Tämä rivi, jota kutsutaan lukuriviksi, on estetty valolta läpinäkymättömällä maskilla. Siirto on noin 99,999% tehokas ja vaatii vain muutaman mikrosekunnin per rivi.,
Mikroskopistit käyttävät säännöllisesti CCD-kameroita kuvien keräämiseen erilaisilla kontrastin tehostusmenetelmillä. Ero häiriöitä sijaan (ylä-oikealla) paljastaa hyvin rakenteellisia yksityiskohtia newt keuhkojen epiteelin solu, kun taas rodamiini (alhaalla oikealla) muuttuu rakenteellisia aktiinifilamenttien punainen, ja sininen fluorophore, DAPI, (vasemmalla) merkinnät solun kromosomit. Ted Salmon, Pohjois-Carolinan yliopisto, Chapel Hill.
Kun lukema rivi, maksut edetä horisontaalisesti läpi vahvistimen luoda merkki, joka edustaa yksi vaakasuora viiva kuvan., Sarja toistetaan, kunnes kaikki rivit siirretään ja koko kuva on luettu ulos. Lukeman nopeuttamiseksi joillakin pelimerkeillä on useampi kuin yksi lukurivi, jota kutsutaan useiksi hanoiksi. Ylimääräiset rivit vaativat ylimääräisiä vahvistimia, jotka voivat nostaa kustannuksia ja aiheuttaa erilaisia harmaita tasoja kuvan osissa.
Valo ei saa saavuttaa ilmaisimen aikana lukema tai se tuottaa samankaltaisia vaikutuksia etenee elokuvan kamera, kun suljin on auki — hämärtyminen, kuvan varjostus tai sekoittamalla kuvia. Tämän ongelman ratkaisut voivat vaikuttaa tietyn CCD: n soveltuvuuteen sovellukseen., Jokaisella menetelmällä on etuja ja haittoja.
Readout-menetelmät
yleisin kuvan suojausmenetelmä on mekaaninen suljin, joka muistuttaa tavallisen filmikameran ikkunaluukkuja. Suljin aukeaa tietyn ajan ja sulkeutuu sitten. Lukema tapahtuu sulkimen ollessa suljettuna. Siruja, jotka on suunniteltu tämäntyyppisiin lukemiin, kutsutaan yleensä kokokehyksisiksi siirtosiruiksi. Lähes kaikki CCD-kamerat käyttävät tätä menetelmää, ja on mahdollista, että kuva eniten paikallaan esineitä sekä korkea ja matala valo tasoilla tämän tyyppinen kamera.,
Tämä siru on myös ensisijainen tyyppi saatavilla korkean resoluution sovelluksissa, jotka vaativat pikselin taulukot suurempi kuin 1000 × 1000. Sen tehokkuus tekee siitä sopivan matalan valon fluoresenssisovelluksiin, mutta se edellyttää, että Mikroskooppi ja kiinnitysmenetelmä ovat erittäin vakaita. Tämäntyyppinen siru on yleensä erittäin hyvä havaitsemaan punaista ja infrapunavaloa, koska se on spektrisesti herkempi pidemmille aallonpituuksille., Kuitenkin, vähentää herkkyys lyhyempiä aallonpituuksia edellyttää melko pitkää valotusaikaa, jotka rajoittavat sen käyttöä fluoresenssi sovelluksia, kuten kalsiumia ratioing ja vihreä fluoresoiva proteiini-merkintä. Koska suurin osa näistä laitteista on suuri koko-hyvin kapasiteetti, ne ovat hyviä havaitsemaan pieniä muutoksia kirkas signaaleja tai mittaamiseen hienoisia muutoksia intensiteetti.
CCD-sirun jäähdyttäminen (oikealla) vähentää termisen kohinan osuutta (vasemmalla) kuvaan, joka muuten olisi vaikeampi lukea (keskellä)., Vihreä fluoresenssi tarrat rihmamaiset aktiini naisen kenguru rotta munuaisten solu värjätään Alexa 488 Phalloidin. Ted Salmon, Pohjois-Carolinan yliopisto, Chapel Hill.
Toinen menetelmä, jota kutsutaan runko siirtää, käyttää erityistä siru, jossa on kaksi identtistä CCDs pariksi; toinen on valossa ja toinen on täysin naamioitu. Koska rivi riviltä siirto on nopea verrattuna todellinen lukema, toinen siru tarjoaa paikka tallentaa kuvan siirtämällä se nopeasti pois alttiina siru ja sitten lukemalla toisen siru hitaammin.,
Frame-transfer CCDs on lähes sama, sovellukset, kuten full-frame-transfer-yksikköä mutta voi toimia suuremmilla nopeuksilla. Käyttäjille, joiden on hankittava kuvapareja nopeassa järjestyksessä tai useita kuvia alueista, jotka ovat pienempiä kuin sirun koko alue, on mahdollista siirtää nopeasti pieniä osa-alueita altistuneen sirun naamioalueelle (KS.binning ja subarray). Tämä voisi mahdollistaa neljän 256 × 256 pikselin alueen tai 16 128 × 128 pikselin alueen kuvaamisen nopeasti sirulla, jolla on 1024 × 1024 pikseliä ensisijaisella sirulla.,
kolmas menetelmä, jota kutsutaan interline transfer, varajäsenet sarakkeet alttiina pikseliä sarakkeet naamioitu pikseliä tarjota väliaikaista varastointia vain yhden pikselin päässä imaging pikseliä. Siirtää kuvan naamioitu osa vaatii vain muutaman mikrosekunnin, ja kaikki imaging pikseliä kokemus sama valotus aikaa.
saatavilla on kahdenlaisia interline – siirtosiruja. Ensimmäinen on lomitettu interline-siirtosiru, jota käytetään enimmäkseen tavallisissa videokameroissa ja videokameroissa., Toinen tyyppi, progressive scan-interline transfer-siru, käytetään pääasiassa korkean resoluution, korkea-dynamic-range-kamerat tyyppi sopii korkean resoluution biologinen kuvantaminen.
interline-sirujen viimeaikainen kehitys on lähes poistanut vanhempien interline-laitteiden ongelmat. Ensimmäinen parannus on sirulinssien lisääminen, jotka taittavat kuvapikseleihin ne fotonit, jotka normaalisti putoaisivat naamioiduille alueille. Tämä nostaa aktiivisen alueen yli 70 prosenttiin., Toinen kehitys, reikä kertymistä laitteen, on vähentänyt melua siru niin, että pienellä jäähdytys, se on käytännössä kohinaton. Niin hiljainen, laite voi kuvan laaja valikoima intensiteetit korkea signaali-kohina-suhde pienempi koko sekä kapasiteetti kuin monet vanhemmat full-frame-transfer ja runko-siirtää pelimerkkejä.
Nämä sirut ovat herkempiä lyhyempiä aallonpituuksia kuin full-frame-transfer sirut ovat, suorituskyvyn kustannuksella punainen alueilla. Sirujen valotusajat ovat riittävän nopeita kuvaamaan nopeasti liikkuvia esineitä., Sillä brightfield ja ero häiriöitä sijaan sovelluksia, ne tarjoavat nopea toiminta ja hyvä stop toimintaa hiukkasten seuranta ja microtubule kokoonpano imaging.
nämä sirut vaativat vähemmän jäähdytystä ja tekevät hyvien kuvien tuottamisesta yksinkertaisempaa hämärissä sovelluksissa. Niillä ei ole suurta täysikaivokapasiteettia, jota tarvitaan pienten muutosten havaitsemiseen kirkkaassa signaalissa, esimerkiksi jännitteelle herkkien väriaineiden kuvantamisessa. Toisaalta niiden erittäin alhaiset meluominaisuudet ovat hyödyllisiä pienten signaalien havaitsemiseksi pimeää taustaa vasten.,
Binning ja subarray
Useimmat CCDs jakaa kaksi ominaisuuksia, jotka tekevät niistä erittäin monipuolinen tieteellinen kuvantaminen: binning ja subarray. Nämä ominaisuudet voivat lisätä lukunopeutta, vähentää altistusaikoja tai vähentää tietokoneelle siirrettävän tiedon kokonaismäärää.
binning-termillä tarkoitetaan elektronien yhdistämistä vierekkäisten pikselien ryhmään. Tulos on joskus kutsutaan superpixel, ja se voidaan lyhentää valotusaikaa ja lisää signaali-kohina-suhde uhri spatiaalinen resoluutio., Koska se tuottaa vähemmän dataa, se lisää siirtonopeuksia. Kameran ohjelmisto ohjaa koko superpixel, joka voi sisältää minkä tahansa määrän pikseleitä joko vaaka-tai pystysuunnassa. Kuvantamisessa on kätevää käyttää yhtäläisiä lukuja molempiin suuntiin vääristymien välttämiseksi. Vuonna spektroskopia, jolloin epätasa-pysty-ja vaaka-numerot avulla käyttäjä voi hyödyntää suunta monochromator on lähtö.
termi subarray viittaa siihen, että käytetään vain osaa koko CCD-alueesta kuvaamaan pientä kokonaisnäkymän aluetta., Tämä on accomplished sisällä ohjelmisto ohjaa piirtämällä laatikko ympäri aluetta kiinnostusta kuvan sisällä määrittää tiettyjä pikseliä CCD. Se ei muuta pienemmän alueen resoluutiota, mutta vähentää huomattavasti niiden tietojen kokonaismäärää, jotka on luettava ja siirrettävä, ja siten lisää nopeutta.
Pii voi kertoa eroa elektronit tuotetaan fotonit eri aallonpituuksilla, joten lisätoimia tarvitaan, jotta voidaan luoda värikuvia. Tämän saavuttamiseksi on laadittu useita järjestelmiä.,
on olemassa kaksi tapaa ratkaista eri värit yhdellä sirulla. Yksi on soveltaa erityistä mosaiikki suodatin koostuu vuorotellen kuvio joko punainen/vihreä/sininen tai syaani/magenta/keltainen pilkkuja pintaan siru. Matemaattisen yhtälön soveltaminen kunkin pikselin harmaisiin arvoihin luo alkuperäisen reaalivärikuvan uudelleen. Tämä tieto on koodattu videosignaaliin, ja näyttölaite tai kehyskaappaaja rekonstruoi kuvan.,
toisessa menetelmässä käytetään pyörivää suodatinpyörää, joka altistaa koko sirun peräkkäin punaiselle, sitten vihreälle ja sitten siniselle, jolloin jokaisen altistuksen välillä tapahtuu lukema. Tämä tuottaa kolme erillistä kuvaa, jotka on rekonstruoitava tietokoneella tai muulla laitteistomuistilaitteella.
Toinen ratkaisu on kolme-chip väri kamera, joka samanaikaisesti kaappaa punainen, sininen ja vihreä kuva jokaisesta kolmesta pelimerkkejä kautta järjestely prismat, jotka toimivat kromaattinen beamsplitters., Tuloksena on kolme erillistä, mutta samanaikaisesti hankittua kuvaa, jotka voidaan näyttää tavallisella videomonitorilla tai lähettää tietokoneelle tavallisena RGB-signaalina.
CCD-kamera on osoittautunut hyödylliseksi biologeille laboratoriossa sen monipuolisuuden ja sitkeyden vuoksi. Lisäksi, sen herkkyys ja helppokäyttöisyys ovat edelleen voittaa huomionosoituksia tutkijat, jotka mieluummin viettää laboratorio aikaa keskittyä tieteen kuin käsittely valokuvaus-elokuva., Siruvalmistajien ja kamerayritysten kehittäessä edelleen parempia laitteita suuremmilla resoluutioilla, CCD-kamera löytää jatkossakin kodin laboratoriolaitteiden joukosta.
parametrit, jotka on otettava huomioon valittaessa CCD-kameraa
* Array size – numero kussakin vaakasuorassa rivissä numerolla kussakin pystysarakkeessa (esim.1024 x 1024). Suurempi määrä pikseleitä on hyödyllinen joko paremman paikkatarkkuuden (kuvan hienoihin yksityiskohtiin) tai suuremman näkökentän kannalta.
• Pixel size – todellinen koko kunkin valoa ilmaiseva elementti array, mitataan vaaka mikronia, jonka pystysuora mikronia., Suuremmat pikselit toimivat lyhyemmillä valotusajoilla erotuskyvyn kustannuksella, ja pienemmät Pikselit tarjoavat paremman paikkatarkkuuden, mutta vaativat pidempiä altistuksia.
• Interscene dynamic range – alue yhteensä altistuminen arvot kirkkain valo tasolla mahdollista harmainta valo tasolla, joka tunnistin tuottaa signaalin, joka ilmaistaan lux tai fotonit per neliö senttimetri sekunnissa.
• Tumma kohina – elektronien lukumäärä siru tuottaa tietyssä lämpötilassa, kun ei valo osuu siihen, on ilmaistu elektronit ilmoitettuun lämpötila celsius-asteina sekunnissa.,
• Readout noise-elektronien määrä, joka syntyy elektronien aikana, jotka eivät liity signaaliin, ilmaistuna elektroneina.
• lukunopeus-nopeus, jolla Pikselit luetaan vahvistimen läpi, ilmaistuna pikseleinä sekunnissa.
* Kvanttitehokkuus-niiden fotonien fraktio, jotka iskevät elektroneiksi muunnettuun ilmaisimeen, ilmaistuna prosentteina.
* täysi-hyvin kapasiteetti-maksimimäärä elektroneja pikseli voi pitää. Suurempi määrä yleensä kasvaa dynaamisen alueen kuvan, ja kyky erottaa pieniä signaalin muutokset vahvoja signaaleja.,
• Intrascene dynaaminen alue – valikoima mahdollisia intensiteettejä yhden kuvan, joka lasketaan täysi-hyvin kapasiteetti elektronit jaettuna melua elektroneja.
* analoginen tai digitaalinen-kameran datalähdön muoto. Aiempien kameroiden tuotos oli aina analoginen, mutta useimmissa kameroissa on nyt sisään rakennettu analogia-digitaalimuunnin. Harmaa-asteikon tarkkuus digitaalinen ulostulo riippuu määrä bittiä A/D-muunnin – 8 bittiä vastaa 28, tai 256 harmaan tasoa; 10 bittiä vastaa 210, tai 1024 harmaa tasoilla; jopa 16 bittiä, joka on 216, tai 65,535 harmaa tasoilla.,
• Spektrin ominaisuudet – miten väri fotoni vaikuttaa ilmaisimen vaste, ilmaistuna kuvaajan joko quantum tehokkuutta suhteellinen herkkyys vs. aallonpituus, jolla ei ole melua tekijät mukana.,SE, Yhteistyökumppaneita Kehittää Korjaus-ja Laser-Pinnoite Prosessi, Metalli-Osat Feb 5, 2021
Leave a Reply