Mivel a találmány az 1960-as évek végén, díj-párosított eszközök, más néven CCDs, talált széleskörű használata a képalkotó alkalmazások. A CCD technológián alapuló elektronikus kamerákat az otthoni videótól az orvosi képalkotásig a csillagászatig alkalmazzák. A CCD kamerák számos előnyt kínálnak a filmkamerákkal szemben: közvetlenül csatlakoztathatók a számítógéphez, nagyon érzékenyek lehetnek a gyenge fényviszonyokra, képeik azonnal elérhetők film vagy sötét helyiség feldolgozása nélkül.,
mivel költségeik csökkennek, a CCD szenzorok alapvető eszközökké válnak a mikroszkópok és a biológusok számára, bár sok felhasználó nagyon keveset tud tényleges jellemzőiről és működési módszereiről. Bárki, aki vásárolni szeretne, azonban, meg kell értenie a technológia alapjait, hogy megtudja, melyik típus felel meg legjobban az igényeinek.
a CCD chip egy szilícium alapra épített fotoelektromos detektorok tömbje, amely elektromos alkatrészek rétegeit használja, az úgynevezett architektúra, a felületre nyomtatva., Ez a szerkezet az alapot különálló rekeszek, pixeleknek nevezett rácsra osztja, amelyek elektromos töltéseket tartanak. A pixelt a mérete és az általa megtartható elektronok száma írja le. A pixel mérete körülbelül 6-25 µm, a teljes kútkapacitásnak nevezett kapacitás pedig körülbelül 10 000-500 000 elektron között változik.
a chip a fotodetektorok kétdimenziós tömbjét biztosítja, amelyek a bejövő fotonokat elektromos jelekké alakítják. Ezeket a jeleket ezután egy olyan kijelzőre küldik, ahol újrakonvertálják őket egy képbe vagy egy tárolóeszközbe a jövőbeli átalakításhoz., Ez a konverziós és rekreációs folyamat legyőzi az emberi szem bizonyos korlátait, és fotográfiai folyamatok használata nélkül továbbítja az adatokat.
Ez az eszköz képes az emberi látás tartományán kívüli információk rögzítésére-a röntgen-és UV-hullámhossztól a láthatón át a közeli infravörös sugárzásig. A CCD-nek rendkívül rövid expozíciós ideje is lehet, amely megállíthatja a mozgó tárgyakat, és hosszú ideig integrálhatja azokat a képeket, amelyeket a szem nem képes észlelni., Sokkal kisebb felbontással rendelkezik, mint a szem egyenlő nagyításnál, mivel minden pixel nagyobb, mint a szem rúdjai és kúpjai, amelyek körülbelül 1,5 µm azon a területen, ahol a szemnek a legnagyobb élessége van.
minden chipnek olyan jellemzői vannak, amelyeket a chip architektúrájának elektromos alkatrészeinek kialakítása és elhelyezése határoz meg. Mivel ezek az összetevők a felszínen vannak, elnyelik a fényt, és csökkentik azt a hatékonyságot, amellyel a készülék a fotonokat elektronokká alakítja., A különböző chipek különböző spektrális jellemzőket mutatnak — vagyis különböző fényhullámokra reagálnak, különböző hatékonysággal. Különböző zajjellemzőket és sebességeket mutatnak a képpontokban lévő adatok megjelenítő eszközre vagy számítógépre történő átvitelében is.
analóg jelek
Az adatok képpontokból történő megjelenítésének módja lehet Analóg, mint egy szabványos videokamerában, vagy digitális, mint egy közvetlen számítógépes felületen. Maga a chip azonban analóg jelet állít elő., Ez a jel, amely áll az elektron töltése kapcsolódó minden pixel, áthalad egy erősítő majd továbbították, vagy egy analóg eszköz, mint például monitor, vagy egy analóg-digitális konverter, így lehet küldeni egy számítógép.
az analóg jel könnyen csatlakoztatható a legtöbb laboratóriumban már működő számos eszközhöz, például videomonitorokhoz vagy Videomonitorokhoz. Az analóg jelek azonban valódi hátrányokkal járnak: a videokábelek és tartozékok nagyobb jelveszteséggel rendelkeznek, a video szabványok pedig korlátozzák a felbontást, különösen függőleges irányban.,
a digitális jelnek az átvitel során nulla vesztesége van, és csak a számítógép memóriájának mérete korlátozza a képes kép felbontását. A digitális jel hátránya pontosan ugyanaz, mint előnye: a videóval ellentétben nincs szabványos interfész. Ezért minden érzékelőnek külön szoftver interfészre van szüksége a kép számítógépre történő továbbításához. Miután belépett a számítógépbe, újra kell konvertálni analógra a számítógép monitorán való megjelenítéshez. Minden megjelenítő eszköz analóg, 256 szürke szintre korlátozódik, függetlenül attól, hogy a kamera digitális-e vagy sem.,
önmagában a nyers érzékenység, a detektor azon képessége, hogy rögzítse a foton jelenlétét, nem jó mércéje annak, hogy a kamera képes-e kiváló minőségű képet készíteni. Sokkal fontosabb a CCD leírására használt tulajdonságok kombinációja. Ezek a tulajdonságok képezik a jel-zaj arány számot, amely leírja a CCD azon képességét, hogy megkülönböztesse a bejövő fotonok és a zajtényezők által okozott idegen elektronok által termelt elektronokat.
a szinte minden CCD chip általános jel-zaj arány érzékenységének javítására szolgáló egyik módszer a hűtés., A hűtés csökkenti a sötét zajt(a hő által létrehozott elektronok, nem pedig a bejövő fotonok). A hűtést keringő vízzel, folyékony gázokkal vagy termoelektromos hűtővel lehet elvégezni, amely egyfajta elektromos hűtőborda, amely csökkentheti a chip hőmérsékletét. Minden 8 °C-os hűtés felére csökkenti a sötét zajt. A termoelektromos hűtő előnye, hogy integrálható a CCD kameracsomagba, és nem igényel folyamatos párologtató hűtőanyagokat.,
amikor a fény eléri a chipet
a CCD Chipre eső fény elektromos töltést hoz létre minden pixelben, amely közvetlenül kapcsolódik az adott pixelre eső fény mennyiségéhez. A folyamat ismert, mint a kiolvasás, információt a chip átalakul egy analóg jel. A leolvasás egymás után továbbítja a díjakat a képpontok minden sorában, egymás után függőleges sorrendben, a chip tetején vagy alján lévő képpontok sorába. Ez a sor, az úgynevezett kiolvasási sor, egy átlátszatlan maszk blokkolja a fényt. Az átadás körülbelül 99,999 százalékos hatékonyságú, soronként csak néhány mikroszekundumot igényel.,
A Mikroszkóposok rendszeresen alkalmaznak CCD kamerákat, hogy különböző kontrasztjavítási módszerekkel gyűjtsék össze a képeket. Differenciál interferencia kontraszt (jobb felső) kiderül, jó szerkezeti részletek a newt epithelialis tüdő sejt, míg rodamin (jobb alsó) fordul strukturális aktin szálak a vörös, a kék fluorophore, DAPI, (bal) a címkéket a sejt kromoszómák. Jóvoltából Ted Salmon, University of North Carolina, Chapel Hill.
a leolvasási sorban a töltések vízszintesen egy erősítőn keresztül haladnak, hogy olyan jelet hozzanak létre, amely egy vízszintes vonalat képvisel a képen., A sorozatot addig ismételjük, amíg az összes sor át nem kerül, és a teljes képet ki nem olvassuk. A leolvasás felgyorsítása érdekében néhány chipnek egynél több leolvasási sora van, több csapnak nevezik. Az Extra sorok extra erősítőket igényelnek, amelyek növelhetik a költségeket, és különböző szürke szinteket okozhatnak a kép egyes részeiben.
A fény nem érheti el az érzékelőt a leolvasás során, vagy olyan hatásokat eredményez, mint a fényképezőgépben lévő film előrehaladása, miközben a redőny nyitva van-elmosódás, kép árnyékolás vagy képek keverése. A probléma megoldása befolyásolhatja egy adott CCD alkalmazáshoz való alkalmasságát., Minden módszernek vannak előnyei és hátrányai.
olvasási módszerek
a kép védelmének leggyakoribb módja egy mechanikus redőny, hasonlóan a normál filmkamera redőnyéhez. A redőny egy meghatározott ideig kinyílik, majd bezáródik. A kiolvasás akkor történik, amikor a redőny zárva van. Az ilyen típusú leolvasáshoz tervezett chipeket általában teljes képkocka-átviteli chipeknek nevezik. Szinte minden CCD kamera használja ezt a módszert, így a legtöbb álló tárgyat mind magas, mind alacsony fényviszonyok mellett képezheti az ilyen típusú kamerával.,
Ez a chip az elsődleges típus, amely nagy felbontású alkalmazásokhoz érhető el, amelyek 1000 × 1000-nél nagyobb pixel tömböket igényelnek. Hatékonysága miatt alkalmas alacsony fényű fluoreszcens alkalmazásokra, de megköveteli, hogy a mikroszkóp és a szerelési módszer nagyon stabil legyen. Ez a fajta chip általában nagyon jól érzékeli a vörös és infravörös fényt, mert spektrálisan érzékenyebb a hosszabb hullámhosszra., A rövidebb hullámhosszra való csökkent érzékenység azonban meglehetősen hosszú expozíciós időket tesz szükségessé, amelyek korlátozzák annak használatát fluoreszcens alkalmazásokhoz, mint például a kalcium-ratioing és a zöld fluoreszkáló fehérje jelölés. Mivel ezeknek az eszközöknek a többsége nagy, teljes kapacitással rendelkezik, alkalmasak a fényes jelek kis változásainak észlelésére vagy az intenzitás finom változásainak mérésére.
a CCD chip hűtése (jobbra) csökkenti a termikus zaj hozzájárulását (balra) egy olyan képhez, amelyet egyébként nehezebb olvasni (középen)., A zöld fluoreszcencia az Alexa 488 Falloidinnal festett nőstény kenguru patkány vesesejtében lévő fonalas aktint jelöli. Jóvoltából Ted Salmon, University of North Carolina, Chapel Hill.
Egy másik módszer, az úgynevezett frame transfer, egy speciális chipet használ, két azonos CCD-vel párosítva; az egyik fénynek van kitéve, a másik pedig teljesen maszkolt. Mivel a soronkénti átvitel gyors a tényleges leolvasáshoz képest, a második chip helyet biztosít a kép tárolására azáltal, hogy gyorsan eltolja a kitett chipről, majd lassabb ütemben olvassa ki a második chipet.,
A Frame-transfer CCD-k szinte ugyanolyan alkalmazásokkal rendelkeznek, mint a teljes képkocka-átviteli egységek, de gyorsabb sebességgel működhetnek. Azoknak a felhasználóknak, akiknek gyors sorrendben kell megszerezniük pár képet vagy több képet azokról a területekről, amelyek kisebbek, mint a chip teljes területe, a kitett chip kis alrégióit gyorsan át lehet vinni az álarcos területre (lásd binning és alarray). Ez lehetővé teheti négy 256 × 256 képpontos vagy 16 128 × 128 képpontos régió gyors rögzítését egy olyan chipen, amelynek 1024 × 1024 képpontja van az elsődleges chipen.,
egy harmadik módszer, az úgynevezett interline transfer, váltakozik oszlopok kitett képpontok oszlopok álarcos Pixel, hogy ideiglenes tárolás csak egy pixel távolságra a képalkotó képpontok. A kép maszkos részre történő átviteléhez csak néhány mikroszekundum szükséges, és minden képalkotó képpont ugyanazt az expozíciós időt tapasztalja.
kétféle interline átviteli chipek állnak rendelkezésre. Az első egy átlapolt interline átviteli chip, amelyet többnyire szabványos videokamerákban és videokamerákban használnak., A második típust, a progresszív scan interline transfer chipet elsősorban nagy felbontású, nagy dinamikatartományú, nagy felbontású biológiai képalkotásra alkalmas fényképezőgépekben használják.
Az interline chipek legújabb fejleményei szinte kiküszöbölték a régebbi interline eszközök problémáit. Az első javulás az on-chip lencsék hozzáadása, amelyek megtörik azokat a fotonokat, amelyek általában a maszkolt területekre esnek a képalkotó képpontokba. Ez növeli az aktív területet több mint 70 százalékra., Egy második fejlesztés, a lyuk akkumulációs eszköz csökkentette a chip zajszintjét, így minimális hűtéssel hatékonyan zajmentes. Ilyen alacsony zajszint, a készülék a képet széles intenzitás magas jel-zaj arány a kisebb teljes-hát kapacitás, mint sok régebbi full-frame-át, illetve keret-át chips.
Ezek a chipek érzékenyebbek a rövidebb hullámhosszokra, mint a teljes képkocka-átviteli chipek, a piros régiók teljesítményének rovására. A chipek expozíciós ideje elég gyors ahhoz, hogy gyorsan mozgó tárgyakat képezzen., A brightfield és a differenciális interferencia kontraszt alkalmazásokhoz gyors működést és jó stop műveletet kínálnak a részecskekövetéshez és a mikrotubulus összeszerelési képalkotáshoz.
Ezek a chipek kevesebb hűtést igényelnek, és egyszerűbbé teszik a jó képek készítését gyenge fényviszonyok között. Hiányzik a nagy teljes jól kapacitás, amely a fényes jel kis változásainak észleléséhez szükséges, például feszültségérzékeny festékek képalkotásakor. Másrészt nagyon alacsony zajjellemzőik hasznosak a kis jelek sötét háttérrel történő észlelésére.,
Binning and subarray
A legtöbb CCD két olyan képességgel rendelkezik, amelyek nagyon sokoldalúvá teszik őket a tudományos képalkotáshoz: binning és subarray. Ezek a tulajdonságok növelhetik az olvasási sebességet, csökkenthetik az expozíciós időt, vagy csökkenthetik a számítógépre továbbítandó információk teljes mennyiségét.
a binning kifejezés az elektronok egyesítésére utal a szomszédos pixelek csoportjában. Az eredményt néha szuperpixelnek nevezik, és az expozíciós idő lerövidítésére és a térfelbontás feláldozásával a jel-zaj arány növelésére is használható., Mivel kevesebb adatot termel, növeli az átviteli sebességet. A kamera szoftvere szabályozza a superpixel méretét, amely tetszőleges számú képpontot tartalmazhat vízszintes vagy függőleges irányban. A képalkotásban mindkét irányban célszerű egyenlő számokat használni a torzulások elkerülése érdekében. A spektroszkópiában az egyenlőtlen függőleges és vízszintes számok lehetővé teszik a felhasználó számára, hogy kihasználja a monokromator kimenetének tájolását.
a subarray kifejezés arra utal, hogy a teljes CCD-területnek csak egy részét használja a teljes nézet egy kis régiójának ábrázolásához., Ezt a szoftvervezérlőkön belül úgy lehet elérni, hogy egy négyzetet rajzol a képen belüli érdeklődési terület köré, hogy bizonyos képpontokat adjon meg a CCD-n. Nem változtatja meg a kisebb terület felbontását, de nagymértékben csökkenti a kiolvasandó és továbbítandó adatok teljes mennyiségét, ezáltal növeli a sebességet.
A Szilícium nem tudja megmondani a különbséget a különböző hullámhosszú fotonok által termelt elektronok között, ezért további lépésekre van szükség a színes képek létrehozásához. Ennek elérésére több rendszert is kidolgoztak.,
két módszer létezik a különböző színek megoldására egyetlen chipen. Az egyik egy speciális mozaikszűrő alkalmazása, amely vörös/zöld/kék vagy cián/bíbor/sárga foltok váltakozó mintájából áll a chip felületére. Matematikai egyenlet alkalmazása az egyes pixelek szürke értékeire újra létrehozza az eredeti valós színű képet. Ezt az információt a videó jelbe kódolják, a megjelenítő eszköz vagy a keretfogó rekonstruálja a képet.,
a második módszer egy forgó szűrőkereket használ, hogy az egész chipet egymás után pirosra, majd zöldre, majd kékre tegye, az egyes expozíciók között leolvasással. Ez három különálló képet generál, amelyeket számítógépnek vagy más hardvermemória-eszköznek kell rekonstruálnia.
egy másik megoldás a három chipes színes kamera, amely egyszerre egy piros, egy kék és egy zöld képet rögzít mindhárom chipen olyan prizmák elrendezésén keresztül, amelyek kromatikus beamsplitterként működnek., Az eredmény három különálló, de egyidejűleg megszerzett kép, amely normál video monitoron megjeleníthető vagy szabványos RGB jelként küldhető a számítógépre.
a CCD kamera sokoldalúsága és rugalmatlansága miatt hasznosnak bizonyult a laboratórium biológusai számára. Ezen túlmenően érzékenysége és könnyű használata továbbra is elnyeri azoknak a tudósoknak az elismerését, akik inkább a tudományra koncentrálnak, mint a fényképészeti film feldolgozására., Mivel a chipgyártók és a fényképezőgép-gyártók továbbra is jobb felbontású eszközöket fejlesztenek, a CCD kamera továbbra is otthont talál a laboratóriumi berendezések között.
a CCD kamera kiválasztásakor figyelembe veendő paraméterek
• tömb mérete-az egyes vízszintes sorokban szereplő szám az egyes függőleges oszlopokban lévő számmal (például 1024 x 1024). Nagyobb számú pixel hasznos a jobb térbeli felbontáshoz (a finom részletek megjelenítéséhez) vagy a nagyobb látómezőhöz.
• Pixel méret-egy tömb minden fényérzékelő elemének tényleges mérete, vízszintes mikronokban mérve függőleges mikronokkal., A nagyobb pixelek rövidebb expozíciós idővel működnek a felbontás rovására, a kisebb pixelek pedig jobb térbeli felbontást biztosítanak, de hosszabb expozíciót igényelnek.
* Interscene dinamikus tartomány-a teljes expozíciós értékek tartománya a lehető legfényesebb fényszinttől a legvékonyabb fényszintig, amelyen az érzékelő másodpercenként lux-ban vagy fotonban kifejezett jelet képes előállítani.
* sötét zaj – azon elektronok száma, amelyeket a chip egy adott hőmérsékleten termel, amikor nincs fény rá, elektronokban kifejezve meghatározott hőmérsékleten, celsius fokon másodpercenként.,
* kiolvasási zaj – a leolvasás során keletkező elektronok száma, amelyek nem kapcsolódnak a jelhez, elektronokban kifejezve.
* leolvasási sebesség – az a sebesség, amellyel a képpontokat az erősítőn keresztül kiolvasztják, másodpercenként pixelként kifejezve.
* Kvantumhatékonyság• azoknak a fotonoknak a frakciója, amelyek az elektronokká átalakított detektort érintik, százalékban kifejezve.
* teljes – jól kapacitás-az elektronok maximális száma, amelyet egy pixel képes tartani. A nagyobb számok általában növelik a kép dinamikus tartományát, valamint képesek felismerni az erős jelek kis jelváltozásait.,
* Intrascene dynamic range-a tartomány a lehetséges intenzitás egyetlen képen belül, számított a teljes jól kapacitás elektronok osztva a zaj elektronok.
* analóg vagy digitális-a fényképezőgép adatkimenetének formája. A kimenet a korábbi kamerák mindig analóg, de a legtöbb kamera most jön egy analóg-digitális átalakító beépített. A digitális kimenet szürke méretű felbontása az A/D konverter bitjeinek számától függ – 8 Bit 28 vagy 256 szürke szint; 10 bit 210 vagy 1024 szürke szint; legfeljebb 16 bit, ami 216 vagy 65,535 szürke szint.,
* spektrális jellemzők-hogyan befolyásolja a foton színe a detektor válaszát, a relatív érzékenység kvantumhatékonyságának grafikonjaként kifejezve vs. hullámhossz, zajtényezők nélkül.,JELENTI, Kollaboránsok Fejlesztése, Javítása, Lézer-Bevonási Folyamat, amelynek során a Fém Alkatrészek Feb 5, 2021
Leave a Reply