Depuis leur invention à la fin des années 1960, les dispositifs couplés à la charge, également appelés CCD, ont trouvé une utilisation répandue dans les applications d’imagerie. Les caméras électroniques basées sur la technologie CCD sont utilisées dans des applications allant de la vidéo domestique à l’imagerie médicale en passant par l’astronomie. Les caméras CCD offrent plusieurs avantages par rapport aux caméras film: elles peuvent être connectées directement à un ordinateur, peuvent être très sensibles aux niveaux de faible luminosité et leurs images sont instantanément disponibles sans film ni traitement en chambre noire.,
à mesure que leurs coûts diminuent, les capteurs CCD deviennent des outils essentiels pour les microscopistes et les biologistes, bien que de nombreux utilisateurs en sachent très peu sur leurs caractéristiques réelles et leurs méthodes de fonctionnement. Quiconque envisage d’en acheter un, cependant, doit comprendre les bases de la technologie pour savoir quel type correspond le mieux à ses besoins.
Une puce CCD est un ensemble de détecteurs photoélectriques construits sur une base de silicium utilisant des couches de composants électriques, appelées architecture, imprimées sur la surface., Cette structure divise la base en une grille de compartiments séparés, appelés pixels, qui contiennent des charges électriques. Un pixel est décrit par sa taille et le nombre d’électrons qu’il peut contenir. La taille d’un pixel varie d’environ 6 à 25 µm, et la capacité, appelée pleine capacité, varie d’environ 10 000 à 500 000 électrons.
la puce fournit un réseau bidimensionnel de photodétecteurs qui convertissent les photons entrants en signaux électriques. Ces signaux sont ensuite envoyés à un écran où ils sont reconvertis en image ou à un périphérique de stockage pour une reconversion future., Ce processus de conversion et de récréation surmonte certaines des limites de l’œil humain et transfère des données sans utiliser de processus photographiques.
Cet appareil peut enregistrer des informations en dehors de la portée de la vision humaine — des rayons X et des longueurs d’onde UV à travers le visible au proche-IR. Un CCD peut également avoir des temps d’exposition extrêmement courts qui peuvent arrêter les objets en mouvement, et il peut s’intégrer sur de longues périodes pour accumuler des images que l’œil ne peut pas détecter., Il a cependant une résolution beaucoup plus faible que l’œil à grossissements égaux, car chaque pixel est plus grand que les bâtonnets et les cônes de l’œil, qui sont d’environ 1,5 µm dans la zone où l’œil a sa plus grande acuité.
chaque puce a des caractéristiques qui sont déterminées par la conception et le placement des composants électriques de l’architecture de la puce. Étant donné que ces composants sont à la surface, ils absorbent la lumière et réduisent l’efficacité avec laquelle l’appareil convertit les photons en électrons., Des puces différentes présentent des caractéristiques spectrales différentes, car ils répondent à différentes longueurs d’onde de la lumière avec des efficacités différentes. Ils présentent également des caractéristiques de bruit et des vitesses différentes dans le transfert des données dans les pixels vers le dispositif d’affichage ou l’ordinateur.
signaux analogiques
la méthode pour obtenir les données des pixels dans le dispositif d’affichage peut être analogique comme dans une caméra vidéo standard, ou numérique comme dans une interface informatique directe. La puce elle-même, cependant, produit un signal analogique., Ce signal, qui est composé de la charge électronique associée à chaque pixel, traverse un amplificateur puis est transmis soit à un autre dispositif analogique tel qu’un moniteur vidéo, soit à un convertisseur analogique-numérique afin qu’il puisse être envoyé à un ordinateur.
Un signal analogique se connecte facilement à de nombreux appareils déjà dans la plupart des laboratoires, tels que les moniteurs vidéo et les magnétoscopes. Cependant, les signaux analogiques présentent de réels inconvénients: les câbles et Accessoires Vidéo ont des pertes de signal plus élevées, et les normes vidéo limitent la résolution, en particulier dans la direction verticale.,
Un signal numérique n’a aucune perte pendant la transmission, et seule la taille de la mémoire de l’ordinateur limite la résolution de l’image qu’il peut gérer. L’inconvénient d’un signal numérique est précisément le même que son avantage: contrairement à la vidéo, il n’y a pas d’interface standard. Par conséquent, chaque détecteur nécessite une interface logicielle dédiée pour transmettre l’image à l’ordinateur. Une fois dans l’ordinateur, il doit être reconverti en analogique pour l’affichage sur le moniteur de l’ordinateur. Tous les appareils d’affichage sont analogiques et sont limités à 256 niveaux de gris, que l’appareil photo soit numérique ou non.,
en soi, la sensibilité brute, la capacité d’un détecteur à enregistrer la présence d’un photon, n’est pas une bonne mesure de la capacité d’une caméra à produire une image de haute qualité. Plus important est la combinaison des propriétés utilisées pour décrire un CCD. Ces propriétés produisent la figure de rapport signal sur bruit qui décrit la capacité d’un CCD à différencier les électrons produits par les photons entrants et les électrons étrangers causés par des facteurs de bruit.
Une méthode pour améliorer la sensibilité globale du rapport signal / bruit de presque toutes les puces CCD consiste à la refroidir., Le refroidissement réduit le bruit sombre (électrons créés par la chaleur plutôt que par les photons entrants). Le refroidissement peut être accompli utilisant l’eau de circulation, les gaz liquides ou un refroidisseur thermoélectrique, qui est un type de radiateur électrique qui peut réduire la température de la puce. Chaque 8 °C de refroidissement réduit le bruit sombre de moitié. Les avantages du refroidisseur thermoélectrique sont qu’il peut être intégré dans le boîtier de la caméra CCD et qu’il ne nécessite pas d’ajouts continus de matériaux de refroidissement par évaporation.,
lorsque la lumière frappe la puce
la lumière tombant sur une puce CCD crée une charge électrique dans chaque pixel directement liée à la quantité de lumière tombée sur ce pixel. Dans un processus appelé lecture, les informations sur la puce sont converties en un signal analogique. La lecture transfère séquentiellement les charges de chaque rangée de pixels, rangée par rangée dans l’ordre vertical, à la rangée de pixels en haut ou en bas de la puce. Cette ligne, appelée ligne de lecture, est bloquée à la lumière par un masque opaque. Le transfert est d’environ 99,999%, efficace et ne nécessite que quelques microsecondes par ligne.,
Les Microscopistes utilisent régulièrement des caméras CCD pour collecter des images en utilisant une variété de méthodes d’amélioration du contraste. Le contraste d’interférence différentielle (en haut à droite) révèle de fins détails structurels dans une cellule pulmonaire épithéliale de Triton, tandis que la rhodamine (en bas à droite) transforme les filaments d’actine structuraux en rouge, et le fluorophore bleu, DAPI, (à gauche) marque les chromosomes de la cellule. Avec L’aimable autorisation de Ted Salmon, Université de Caroline du Nord, Chapel Hill.
Une fois dans la ligne de lecture, les charges passent horizontalement à travers un amplificateur pour créer un signal qui représente une ligne horizontale dans l’image., La séquence est répétée jusqu’à ce que toutes les lignes soient transférées et que l’image entière ait été lue. Pour accélérer la lecture, certaines puces ont plus d’une ligne de lecture, appelée plusieurs taps. Les lignes supplémentaires nécessitent des amplificateurs supplémentaires qui peuvent augmenter les coûts et provoquer différents niveaux de gris dans certaines parties de l’image.
La Lumière ne doit pas atteindre le détecteur pendant la lecture ou elle produira des effets similaires à l’avancement du film dans un appareil photo lorsque l’obturateur est ouvert — flou, ombrage d’image ou mélange d’images. Les solutions à ce problème peuvent affecter la pertinence d’un CCD particulier pour une application., Chaque méthode présente des avantages et des inconvénients.
méthodes de lecture
la méthode la plus courante pour protéger l’image est un obturateur mécanique, similaire aux obturateurs d’un appareil photo argentique ordinaire. L’obturateur s’ouvre pendant une durée spécifiée, puis se ferme. La lecture se produit lorsque l’obturateur est fermé. Les puces conçues pour ce type de lecture sont généralement appelées puces de transfert plein format. Presque toutes les caméras CCD utilisent cette méthode, et il est possible d’imaginer la plupart des objets fixes à des niveaux de lumière élevés et faibles avec ce type de caméra.,
cette puce est également le type principal disponible pour les applications haute résolution nécessitant des tableaux de pixels supérieurs à 1000 × 1000. Son efficacité le rend adapté aux applications de fluorescence à faible luminosité, mais il nécessite que le microscope et la méthode de montage soient très stables. Ce type de puce est généralement très bon pour détecter la lumière rouge et infrarouge car il est spectralement plus sensible aux longueurs d’onde plus longues., Cependant, la sensibilité réduite aux longueurs d’onde plus courtes nécessite des temps d’exposition assez longs qui limitent son utilisation pour des applications de fluorescence telles que le rationnement du calcium et le marquage des protéines fluorescentes vertes. Parce que la plupart de ces appareils ont une grande capacité de puits complet, ils sont bons pour détecter de petits changements dans les signaux lumineux ou pour mesurer des changements subtils d’intensité.
Le refroidissement d’une puce CCD (à droite) réduit la contribution du bruit thermique (à gauche) à une image qui serait autrement plus difficile à lire (au centre)., La fluorescence verte marque l’actine filamenteuse dans une cellule rénale de rat kangourou femelle colorée avec Alexa 488 Phalloïdine. Avec L’aimable autorisation de Ted Salmon, Université de Caroline du Nord, Chapel Hill.
Une autre méthode, appelée frame transfer, utilise une puce spéciale avec deux CCD identiques appariés; l’un est exposé à la lumière et l’autre est entièrement masqué. Étant donné que le transfert ligne par ligne est rapide par rapport à la lecture réelle, la deuxième puce fournit un endroit pour stocker l’image en la décalant rapidement de la puce exposée, puis en lisant la deuxième puce à un rythme plus lent.,
Les CCD Frame-transfer ont presque les mêmes applications que les unités full-frame-transfer mais peuvent fonctionner à des vitesses plus rapides. Pour les utilisateurs qui ont besoin d’acquérir des paires d’images en séquence rapide ou plusieurs images de zones inférieures à la surface complète de la puce, il est possible de transférer rapidement de petites sous-régions de la puce exposée vers la zone masquée (voir binning et subarray). Cela pourrait permettre de capturer rapidement quatre régions de 256 × 256 pixels ou 16 régions de 128 × 128 pixels sur une puce qui a 1024 × 1024 pixels sur la puce primaire.,
Une troisième méthode, appelée transfert interligne, alterne des colonnes de pixels exposés avec des colonnes de pixels masqués pour fournir un stockage temporaire à un seul pixel des pixels d’imagerie. Le transfert d’une image vers la partie masquée ne nécessite que quelques microsecondes et tous les pixels d’imagerie bénéficient du même temps d’exposition.
deux types de puces de transfert interligne sont disponibles. Le premier est une puce de transfert interligne entrelacée qui est principalement utilisée dans les caméras vidéo et les caméscopes standard., Le deuxième type, la puce de transfert interligne à balayage progressif, est principalement utilisé dans les caméras à haute résolution et à plage dynamique élevée du type adapté à l’imagerie biologique à haute résolution.
Les récents développements dans les puces interlignes ont presque éliminé les problèmes des anciens dispositifs interlignes. La première amélioration est l’ajout de lentilles sur puce qui réfractent les photons qui tomberaient normalement sur les zones masquées dans les pixels d’imagerie. Cela augmente la zone active à plus de 70%., Un deuxième développement, le dispositif d’accumulation de trous, a réduit les niveaux de bruit dans la puce de sorte qu’avec un refroidissement minimal, elle est effectivement sans bruit. Avec un tel faible bruit, l’appareil peut Imager une large gamme d’intensités avec un rapport signal sur bruit élevé à partir d’une capacité de puits complet plus petite que la plupart des anciennes puces de transfert d’images et de transfert d’images.
ces puces sont plus sensibles aux longueurs d’onde plus courtes que les puces à transfert plein format, au détriment des performances dans les régions rouges. Les temps d’exposition des puces sont assez rapides pour imaginer des objets en mouvement rapide., Pour les applications de contraste de champ lumineux et d’interférence différentielle, ils offrent un fonctionnement rapide et une bonne action d’arrêt pour le suivi des particules et l’imagerie de l’assemblage de microtubules.
ces puces nécessitent moins de refroidissement et il est plus simple de produire de bonnes images dans des applications à faible luminosité. Ils n’ont pas la grande capacité de puits complet requise pour détecter de petits changements dans un signal lumineux, par exemple, lors de l’imagerie de colorants sensibles à la tension. D’autre part, leurs caractéristiques de bruit très faible sont utiles pour détecter de petits signaux sur un fond sombre.,
Binning et subarray
La Plupart Des CCD partagent deux capacités qui les rendent très polyvalents pour l’imagerie scientifique: binning et subarray. Ces propriétés peuvent augmenter la vitesse de lecture, diminuer les temps d’exposition ou réduire la quantité totale d’informations à transférer à l’ordinateur.
Le terme binning fait référence à la mise en commun des électrons dans un groupe de pixels voisins. Le résultat est parfois appelé un superpixel, et il peut être utilisé pour raccourcir les temps d’exposition et augmenter le rapport signal sur bruit au sacrifice de la résolution spatiale., Parce qu’il produit moins de données, il augmente les vitesses de transfert. Le logiciel de la caméra contrôle la taille du superpixel, qui peut inclure n’importe quel nombre de pixels dans la direction horizontale ou verticale. En imagerie, il est pratique d’utiliser des nombres égaux dans les deux sens pour éviter les distorsions. En spectroscopie, faire des nombres verticaux et horizontaux inégaux permet à l’utilisateur de tirer parti de l’orientation de la sortie d’un monochromateur.
Le terme subarray se réfère à l’utilisation d’une partie seulement de la zone CCD totale pour l’image d’une petite région de la vue complète., Ceci est accompli à partir des commandes du logiciel en dessinant une boîte autour de la région d’intérêt dans l’image pour spécifier certains pixels SUR LE CCD. Cela ne change pas la résolution de la plus petite zone, mais cela réduit considérablement la quantité totale de données à lire et à transférer, et augmente ainsi la vitesse.
Le silicium ne peut pas faire la différence entre les électrons produits par des photons de différentes longueurs d’onde, de sorte que des étapes supplémentaires sont nécessaires pour créer des images en couleur. Plusieurs dispositifs ont été mis au point pour y parvenir.,
Il existe deux méthodes pour résoudre différentes couleurs sur une seule puce. La première consiste à appliquer un filtre Mosaïque spécial composé d’un motif alternatif de taches rouge/vert/bleu ou cyan/magenta/jaune à la surface de la puce. L’application d’une équation mathématique aux valeurs de gris de chaque pixel recrée l’image originale en couleur réelle. Ces informations sont codées dans le signal vidéo et le dispositif d’affichage ou la capture d’images reconstruit l’image.,
La deuxième méthode utilise une roue de filtre rotative pour exposer la puce entière séquentiellement au rouge, puis au vert, puis au bleu, avec une lecture se produisant entre chaque exposition. Cela génère trois images distinctes qui doivent être reconstruites par un ordinateur ou un autre périphérique de mémoire matérielle.
Une autre solution est la caméra couleur à trois puces qui capture simultanément une image rouge, bleue et verte sur chacune des trois puces grâce à un arrangement de prismes qui agissent comme des séparateurs de faisceaux chromatiques., Le résultat est trois images distinctes mais acquises simultanément qui peuvent être affichées sur un moniteur vidéo ordinaire ou envoyées à un ordinateur en tant que signal RVB standard.
la caméra CCD s’est avérée utile aux biologistes en laboratoire en raison de sa polyvalence et de sa robustesse. De plus, sa sensibilité et sa facilité d’utilisation continuent de gagner les éloges des scientifiques qui préfèrent passer du temps en laboratoire à se concentrer sur la science plutôt que sur le traitement du film photographique., Alors que les fabricants de puces et les sociétés de caméras continuent de développer de meilleurs appareils avec des résolutions plus élevées, la caméra CCD continuera de trouver une maison parmi les équipements de laboratoire.
Paramètres À prendre en compte lors du choix d’une caméra CCD
• taille du tableau – le nombre dans chaque ligne horizontale par le nombre dans chaque colonne verticale (par exemple, 1024 x 1024). Un plus grand nombre de pixels est utile pour une meilleure résolution spatiale (pour visualiser des détails fins) ou un plus grand champ de vision.
• taille de Pixel – la taille réelle de chaque élément de détection de lumière d’un réseau, mesurée en microns horizontaux par microns verticaux., Les pixels plus grands fonctionnent avec des temps d’exposition plus courts au détriment de la résolution, et les pixels plus petits offrent une meilleure résolution spatiale mais nécessitent des expositions plus longues.
• plage dynamique Interscène-plage de valeurs d’exposition totale allant du niveau de lumière le plus lumineux possible au niveau de lumière le plus faible auquel le détecteur peut produire un signal, exprimé en lux ou en photons par centimètre carré par seconde.
• bruit sombre-le nombre d’électrons que la puce produit à une température donnée lorsqu’aucune lumière ne tombe dessus, exprimé en électrons à une température indiquée en degrés celsius par seconde.,
• bruit de lecture-le nombre d’électrons produits pendant la lecture qui ne sont pas liés au signal, exprimé en électrons.
• vitesse de lecture – la vitesse à laquelle les pixels sont lus à travers l’amplificateur, exprimée en pixels par seconde.
• efficacité quantique-la fraction de ces photons qui frappent le détecteur qui sont convertis en électrons, exprimée en pourcentage.
* pleine capacité-le nombre maximum d’électrons qu’un pixel peut contenir. Les nombres plus grands ont tendance à augmenter la plage dynamique dans une image et la capacité de discerner de petits changements de signal dans les signaux forts.,
• plage dynamique Intrascène-la gamme des intensités possibles dans une seule image, calculée comme la capacité de puits complet en électrons divisée par le bruit en électrons.
• analogique ou numérique – la forme de la sortie de données de la caméra. La sortie des caméras antérieures était toujours analogique, mais la plupart des caméras sont maintenant équipées d’un convertisseur analogique-numérique intégré. La résolution en échelle de gris de la sortie numérique dépend du nombre de bits dans le convertisseur A/N – 8 bits sont égaux à 28 ou 256 niveaux de gris; 10 bits sont égaux à 210 ou 1024 niveaux de gris; jusqu’à 16 bits, soit 216 ou 65 535 niveaux de gris.,
• caractéristiques spectrales-comment la couleur d’un photon affecte la réponse du détecteur, exprimée sous la forme d’un graphique de l’efficacité quantique de la sensibilité relative par rapport à la longueur d’onde, sans facteurs de bruit inclus.,Horiba France ouvre un site R& D; HORIBA acquiert un fournisseur de solutions de tests cliniques 5 février 2021
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