Fin dalla loro invenzione alla fine del 1960, i dispositivi ad accoppiamento di carica, chiamati anche CCDs, hanno trovato un uso diffuso nelle applicazioni di imaging. Le telecamere elettroniche basate sulla tecnologia CCD sono utilizzate in applicazioni dall’home video all’imaging medico all’astronomia. Le telecamere CCD offrono diversi vantaggi rispetto alle telecamere a pellicola: possono essere collegate direttamente a un computer, possono essere altamente sensibili ai livelli di scarsa illuminazione e le loro immagini sono immediatamente disponibili senza pellicola o elaborazione in camera oscura.,
Come i loro costi scendono, sensori CCD stanno diventando strumenti essenziali per microscopisti e biologi, anche se molti utenti sanno molto poco circa le loro caratteristiche reali e metodi operativi. Chiunque abbia intenzione di acquistarne uno, tuttavia, deve comprendere le basi della tecnologia per sapere quale tipo si adatta meglio alle sue esigenze.
Un chip CCD è una matrice di rivelatori fotoelettrici costruito su una base di silicio utilizzando strati di componenti elettrici, chiamato l’architettura, stampato sulla superficie., Questa struttura divide la base in una griglia di compartimenti separati, chiamati pixel, che contengono cariche elettriche. Un pixel è descritto dalla sua dimensione e dal numero di elettroni che può contenere. La dimensione di un pixel varia da circa 6 a 25 µm e la capacità, chiamata capacità a pieno pozzo, varia da circa 10.000 a 500.000 elettroni.
Il chip fornisce una matrice bidimensionale di fotorivelatori che convertono i fotoni in ingresso in segnali elettrici. Questi segnali vengono quindi inviati a un display dove vengono riconvertiti in un’immagine o in un dispositivo di archiviazione per la riconversione futura., Questo processo di conversione e ricreazione supera alcune delle limitazioni dell’occhio umano e trasferisce i dati senza utilizzare processi fotografici.
Questo dispositivo può registrare informazioni al di fuori della gamma di visione umana — da raggi X e lunghezze d’onda UV attraverso il visibile al vicino-IR. Un CCD può anche avere tempi di esposizione estremamente brevi che possono fermare gli oggetti in movimento e può integrarsi per lunghi periodi per accumulare immagini che l’occhio non può rilevare., Ha una risoluzione molto più bassa dell’occhio a parità di ingrandimenti, tuttavia, perché ogni pixel è più grande dei bastoncelli e dei coni dell’occhio, che sono circa 1,5 µm nell’area in cui l’occhio ha la sua più alta acuità.
Ogni chip ha caratteristiche che sono determinate dalla progettazione e dal posizionamento dei componenti elettrici dell’architettura del chip. Poiché questi componenti sono sulla superficie, assorbono la luce e riducono l’efficienza con cui il dispositivo converte i fotoni in elettroni., Diversi chip presentano caratteristiche spettrali diverse, ovvero rispondono a diverse lunghezze d’onda della luce con diverse efficienze. Presentano anche diverse caratteristiche di rumore e velocità nel trasferimento dei dati nei pixel al dispositivo di visualizzazione o al computer.
Segnali analogici
Il metodo per ottenere i dati dai pixel nel dispositivo di visualizzazione può essere analogico come in una videocamera standard, o digitale come in un’interfaccia diretta del computer. Il chip stesso, tuttavia, produce un segnale analogico., Questo segnale, che è composto dalla carica elettronica associata a ciascun pixel, passa attraverso un amplificatore e quindi viene trasmesso a un altro dispositivo analogico come un monitor video o a un convertitore analogico-digitale in modo che possa essere inviato a un computer.
Un segnale analogico si collega facilmente a molti dispositivi già nella maggior parte dei laboratori, come monitor video e videoregistratori. Tuttavia, i segnali analogici presentano degli svantaggi reali: i cavi video e gli accessori hanno perdite di segnale più elevate e gli standard video limitano la risoluzione, specialmente nella direzione verticale.,
Un segnale digitale ha perdita zero durante la trasmissione e solo la dimensione della memoria del computer limita la risoluzione dell’immagine che può gestire. Lo svantaggio di un segnale digitale è esattamente lo stesso del suo vantaggio: a differenza del video, non esiste un’interfaccia standard. Pertanto, ogni rilevatore richiede un’interfaccia software dedicata per trasmettere l’immagine al computer. Una volta nel computer, deve essere riconvertito in analogico per la visualizzazione sul monitor del computer. Tutti i dispositivi di visualizzazione sono analogici e sono limitati a 256 livelli di grigio, indipendentemente dal fatto che la fotocamera sia digitale o meno.,
Di per sé, la sensibilità grezza, la capacità di un rivelatore di registrare la presenza di un fotone, non è una buona misura della capacità di una fotocamera di realizzare un’immagine di alta qualità. Più importante è la combinazione di proprietà utilizzate per descrivere un CCD. Queste proprietà producono la figura del rapporto segnale-rumore che descrive la capacità di un CCD di differenziare tra gli elettroni prodotti dai fotoni in ingresso e gli elettroni estranei causati da fattori di rumore.
Un metodo per migliorare la sensibilità complessiva del rapporto segnale-rumore di quasi tutti i chip CCD è quello di raffreddarlo., Il raffreddamento riduce il rumore scuro (elettroni creati dal calore piuttosto che dai fotoni in arrivo). Il raffreddamento può essere realizzato utilizzando acqua circolante, gas liquidi o un dispositivo di raffreddamento termoelettrico, che è un tipo di dissipatore di calore elettrico che può ridurre la temperatura del chip. Ogni 8 °C di raffreddamento riduce il rumore scuro della metà. I vantaggi del dispositivo di raffreddamento termoelettrico sono che può essere integrato nel pacchetto della telecamera CCD e non richiede aggiunte continue di materiali di raffreddamento evaporanti.,
Quando la luce colpisce il chip
La luce che cade su un chip CCD crea una carica elettrica in ogni pixel direttamente correlata alla quantità di luce che cadeva su quel pixel. In un processo noto come lettura, le informazioni sul chip vengono convertite in un segnale analogico. Readout trasferisce sequenzialmente le cariche in ogni riga di pixel, riga per riga in ordine verticale, alla riga di pixel nella parte superiore o inferiore del chip. Questa riga, chiamata riga di lettura, è bloccata dalla luce da una maschera opaca. Il trasferimento è di circa 99.999 per cento efficiente e richiede solo pochi microsecondi per riga.,
I microscopisti utilizzano regolarmente telecamere CCD per raccogliere immagini utilizzando una varietà di metodi di miglioramento del contrasto. Il contrasto di interferenza differenziale (in alto a destra) rivela dettagli strutturali fini in una cellula polmonare epiteliale del tritone, mentre la rodamina (in basso a destra) trasforma i filamenti strutturali di actina in rosso e il fluoroforo blu, DAPI, (a sinistra) etichetta i cromosomi della cellula. Per gentile concessione di Ted Salmon, Università della Carolina del Nord, Chapel Hill.
Una volta nella riga di lettura, le cariche procedono orizzontalmente attraverso un amplificatore per creare un segnale che rappresenta una linea orizzontale nell’immagine., La sequenza viene ripetuta fino a quando tutte le righe vengono trasferite e l’intera immagine è stata letta. Per accelerare la lettura alcuni chip hanno più di una riga di lettura, chiamata più rubinetti. Le righe aggiuntive richiedono amplificatori aggiuntivi che possono aumentare i costi e possono causare diversi livelli di grigio in porzioni dell’immagine.
La luce non deve raggiungere il rivelatore durante la lettura o produrrà effetti simili all’avanzamento del film in una fotocamera mentre l’otturatore è aperto — sfocatura, ombreggiatura dell’immagine o miscelazione delle immagini. Le soluzioni a questo problema possono influenzare l’idoneità di un particolare CCD per un’applicazione., Ogni metodo ha vantaggi e svantaggi.
Metodi di lettura
Il metodo più comune per proteggere l’immagine è un otturatore meccanico, simile alle persiane su una normale fotocamera a pellicola. L’otturatore si apre per un tempo specificato e quindi si chiude. La lettura avviene mentre l’otturatore è chiuso. I chip progettati per questo tipo di lettura sono solitamente chiamati chip di trasferimento full-frame. Quasi tutte le telecamere CCD utilizzano questo metodo, ed è possibile immagine più oggetti stazionari in entrambi i livelli di luce alta e bassa con questo tipo di fotocamera.,
Questo chip è anche il tipo primario disponibile per applicazioni ad alta risoluzione che richiedono array di pixel più grandi di 1000 × 1000. La sua efficienza lo rende adatto per applicazioni a fluorescenza a bassa luminosità, ma richiede che il microscopio e il metodo di montaggio siano molto stabili. Questo tipo di chip è generalmente molto bravo a rilevare la luce rossa e infrarossa perché è spettralmente più sensibile alle lunghezze d’onda più lunghe., Tuttavia, la ridotta sensibilità a lunghezze d’onda più corte richiede tempi di esposizione abbastanza lunghi che ne limitano l’uso per applicazioni di fluorescenza come il rapporto calcio e la marcatura di proteine fluorescenti verdi. Poiché la maggior parte di questi dispositivi ha una grande capacità a pozzo pieno, sono utili per rilevare piccoli cambiamenti nei segnali luminosi o per misurare sottili cambiamenti di intensità.
Il raffreddamento di un chip CCD (a destra) riduce il contributo del rumore termico (a sinistra) a un’immagine che altrimenti sarebbe più difficile da leggere (al centro)., La fluorescenza verde identifica l’actina filamentosa in una cellula renale di ratto canguro femminile macchiata con Alexa 488 falloidina. Per gentile concessione di Ted Salmon, Università della Carolina del Nord, Chapel Hill.
Un altro metodo, chiamato frame transfer, utilizza un chip speciale con due CCD identici accoppiati; uno è esposto alla luce e l’altro è interamente mascherato. Poiché il trasferimento riga per riga è veloce rispetto alla lettura effettiva, il secondo chip fornisce un posto per memorizzare l’immagine spostandola rapidamente dal chip esposto e quindi leggendo il secondo chip ad un ritmo più lento.,
I CCD Frame-transfer hanno quasi le stesse applicazioni delle unità full-frame-transfer ma possono funzionare a velocità più elevate. Per gli utenti che hanno bisogno di acquisire coppie di immagini in rapida sequenza o più immagini di aree che sono inferiori all’intera area del chip, è possibile trasferire rapidamente piccole subregioni del chip esposto all’area mascherata (vedere binning e subarray). Questo potrebbe rendere possibile catturare quattro regioni di 256 × 256 pixel o 16 regioni di 128 × 128 pixel rapidamente su un chip che ha 1024 × 1024 pixel sul chip primario.,
Un terzo metodo, chiamato interline transfer, alterna colonne di pixel esposti con colonne di pixel mascherati per fornire una memorizzazione temporanea a un solo pixel di distanza dai pixel di imaging. Il trasferimento di un’immagine nella porzione mascherata richiede solo pochi microsecondi e tutti i pixel di imaging hanno lo stesso tempo di esposizione.
Sono disponibili due tipi di chip di trasferimento interline. Il primo è un chip di trasferimento interline interlacciato che viene utilizzato principalmente nelle videocamere e videocamere standard., Il secondo tipo, il chip di trasferimento interline a scansione progressiva, viene utilizzato principalmente in telecamere ad alta risoluzione e ad alta gamma dinamica del tipo adatto per l’imaging biologico ad alta risoluzione.
I recenti sviluppi nei chip interline hanno quasi eliminato i problemi dei vecchi dispositivi interline. Il primo miglioramento è l’aggiunta di lenti su chip che rifrangono i fotoni che normalmente cadono sulle aree mascherate nei pixel di imaging. Ciò aumenta l’area attiva a oltre il 70 percento., Un secondo sviluppo, il dispositivo di accumulo del foro, ha ridotto i livelli di rumore nel chip in modo che con un raffreddamento minimo, sia effettivamente privo di rumore. Con un rumore così basso, il dispositivo può immaginare un’ampia gamma di intensità con un elevato rapporto segnale-rumore da una capacità a pozzetto più piccola rispetto a molti dei vecchi chip full-frame-transfer e frame-transfer.
Questi chip sono più sensibili alle lunghezze d’onda più brevi di chip full-frame-transfer sono, a scapito delle prestazioni nelle regioni rosse. I tempi di esposizione dei chip sono abbastanza veloci per l’immagine di oggetti in rapido movimento., Per applicazioni di contrasto con campo luminoso e interferenze differenziali, offrono un funzionamento rapido e una buona azione di arresto per il tracciamento delle particelle e l’imaging dell’assemblaggio di microtubuli.
Questi chip richiedono meno raffreddamento e rendono più semplice per produrre buone immagini in applicazioni di scarsa illuminazione. Essi non hanno la grande capacità full-well necessaria per rilevare piccoli cambiamenti in un segnale luminoso, per esempio, quando l’imaging coloranti sensibili alla tensione. D’altra parte, le loro caratteristiche di rumore molto basso sono utili per rilevare piccoli segnali su uno sfondo scuro.,
Binning e subarray
La maggior parte dei CCD condividono due funzionalità che li rendono molto versatili per l’imaging scientifico: binning e subarray. Queste proprietà possono aumentare la velocità di lettura, ridurre i tempi di esposizione o ridurre la quantità totale di informazioni che devono essere trasferite al computer.
Il termine binning si riferisce a mettere insieme gli elettroni in un gruppo di pixel vicini. Il risultato è talvolta chiamato superpixel e può essere utilizzato per ridurre i tempi di esposizione e aumentare il rapporto segnale-rumore al sacrificio della risoluzione spaziale., Poiché produce meno dati, aumenta la velocità di trasferimento. Il software della fotocamera controlla la dimensione del superpixel, che può includere qualsiasi numero di pixel in direzione orizzontale o verticale. Nell’imaging, è conveniente utilizzare numeri uguali in entrambe le direzioni per evitare distorsioni. In spettroscopia, la creazione di numeri verticali e orizzontali disuguali consente all’utente di sfruttare l’orientamento dell’uscita di un monocromatore.
Il termine subarray si riferisce all’utilizzo solo di una parte dell’area CCD totale per l’immagine di una piccola regione della vista completa., Ciò si ottiene dall’interno dei controlli software disegnando una scatola attorno alla regione di interesse all’interno dell’immagine per specificare determinati pixel sul CCD. Non cambia la risoluzione dell’area più piccola, ma riduce notevolmente la quantità totale di dati che devono essere letti e trasferiti, e quindi aumenta la velocità.
Silicio non può dire la differenza tra elettroni prodotti da fotoni di diverse lunghezze d’onda, quindi sono necessari ulteriori passaggi per creare immagini a colori. A tal fine sono stati ideati diversi programmi.,
Ci sono due metodi per risolvere diversi colori su un singolo chip. Uno è quello di applicare uno speciale filtro a mosaico composto da un motivo alternato di rosso/verde/blu o ciano/magenta/macchie gialle sulla superficie del chip. L’applicazione di un’equazione matematica ai valori di grigio di ciascun pixel ricrea l’immagine originale a colori reali. Questa informazione è codificata nel segnale video e il dispositivo di visualizzazione o il frame grabber ricostruisce l’immagine.,
Il secondo metodo utilizza una ruota filtro rotante per esporre l’intero chip in sequenza al rosso, poi verde, poi blu, con lettura che si verificano tra ogni esposizione. Questo genera tre immagini separate che devono essere ricostruite da un computer o altro dispositivo di memoria hardware.
Un’altra soluzione è la fotocamera a colori a tre chip che cattura simultaneamente un’immagine rossa, blu e verde su ciascuno dei tre chip attraverso una disposizione di prismi che fungono da beamsplitters cromatici., Il risultato sono tre immagini separate ma acquisite simultaneamente che possono essere visualizzate su un normale monitor video o inviate a un computer come segnale RGB standard.
La telecamera CCD si è rivelata utile ai biologi in laboratorio per la sua versatilità e robustezza. Inoltre, la sua sensibilità e facilità d’uso stanno continuando a vincere i riconoscimenti di scienziati che preferirebbero dedicare del tempo in laboratorio a concentrarsi sulla scienza piuttosto che sull’elaborazione di pellicole fotografiche., Mentre i produttori di chip e le aziende di fotocamere continuano a sviluppare dispositivi migliori con risoluzioni più elevate, la telecamera CCD continuerà a trovare una casa tra le apparecchiature di laboratorio.
Parametri da considerare quando si sceglie una telecamera CCD
• Dimensione array – il numero in ogni riga orizzontale per il numero in ogni colonna verticale (ad esempio, 1024 x 1024). Un numero maggiore di pixel è utile per una migliore risoluzione spaziale (per l’immagine di dettagli fini) o un campo visivo più ampio.
* Pixel size – la dimensione effettiva di ogni elemento di rilevamento della luce di un array, misurata in micron orizzontali da micron verticali., I pixel più grandi funzionano con tempi di esposizione più brevi a scapito della risoluzione, mentre i pixel più piccoli forniscono una migliore risoluzione spaziale ma richiedono esposizioni più lunghe.
• Intervallo dinamico interscenico – intervallo di valori di esposizione totale dal livello di luce più brillante possibile al livello di luce più debole al quale il rivelatore può produrre un segnale, espresso in lux o fotoni per centimetro quadrato al secondo.
• Rumore scuro – il numero di elettroni che il chip produce ad una data temperatura quando nessuna luce cade su di esso, espresso in elettroni ad una temperatura dichiarata in gradi celsius al secondo.,
• Rumore di lettura-il numero di elettroni prodotti durante la lettura che non sono correlati al segnale, espresso in elettroni.
• Velocità di lettura – la velocità alla quale i pixel vengono letti attraverso l’amplificatore, espressa in pixel al secondo.
• Efficienza quantistica – la frazione di quei fotoni che colpiscono il rivelatore che vengono convertiti in elettroni, espressa in percentuale.
• Full-well capacity-il numero massimo di elettroni che un pixel può contenere. Numeri più grandi tendono ad aumentare la gamma dinamica all’interno di un’immagine e la capacità di discernere piccoli cambiamenti di segnale in segnali forti.,
• Gamma dinamica intrascene – la gamma di intensità possibili all’interno di una singola immagine, calcolata come la capacità del pieno pozzo in elettroni divisa per il rumore in elettroni.
• Analogico o digitale – la forma di uscita dei dati della fotocamera. L’uscita dalle fotocamere precedenti era sempre analogica, ma la maggior parte delle fotocamere ora è dotata di un convertitore analogico-digitale integrato. La risoluzione della scala di grigi dell’uscita digitale dipende dal numero di bit nel convertitore A/D: 8 bit equivalgono a 28 o 256 livelli di grigio; 10 bit equivalgono a 210 o 1024 livelli di grigio; fino a 16 bit, ovvero 216 o 65.535 livelli di grigio.,
• Caratteristiche spettrali – come il colore di un fotone influenza la risposta del rivelatore, espressa come un grafico dell’efficienza quantistica della sensibilità relativa rispetto alla lunghezza d’onda, senza fattori di rumore inclusi.,ILT, Collaboratori a Sviluppare la Riparazione e la Laser-Processo di Rivestimento per i Componenti Metallici Feb 5, 2021
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