1960年代後半の発明以来、Ccdとも呼ばれる電荷結合デバイスは、イメージングアプリケーションで広く使 CCD技術をベースにした電子カメラは、ホームビデオから医療画像、天文学までの用途に使用されています。 CCDのカメラはフィルムのカメラ上の複数の利点がある:それらはコンピュータに直接接続することができ、低照度のレベルに感度が高く、イメージはフィルムか暗室の処理なしで直ちに利用できる。,
コストが下がるにつれて、CCDセンサーは顕微鏡家や生物学者にとって不可欠なツールになっていますが、多くのユーザーは実際の特性や操作方法についてほとんど知っていません。 しかし、購入を計画している人は、どのタイプが自分のニーズに最も適しているかを知るために、技術の基礎を理解する必要があります。
CCDチップは、表面に印刷されたアーキテクチャと呼ばれる電気部品の層を使用してシリコンベース上に構築された光電検出器の配列です。, この構造は、電荷を保持するピクセルと呼ばれる別々の区画のグリッドにベースを分割します。 ピクセルは、そのサイズとそれが保持できる電子の数によって記述されます。 ピクセルのサイズは約6から25μmまで変化し、フルウェル容量と呼ばれる容量は約10,000から500,000電子まで変化する。
このチップは、入ってくる光子を電気信号に変換する光検出器の二次元配列を提供する。 その後、これらの信号はディスプレイに送られ、そこで画像に再変換されるか、または将来の再変換のために記憶装置に送られる。, この変換、保養過程を克服の制限、人間の眼振のデータを使用せずに写真プロセス。
このデバイスは、人間の視覚の範囲外の情報を記録することができます—x線およびUV波長から可視光から近赤外光まで。 CCDはまた動く目的を停止できる目が検出できないイメージを集めるために長い期間に統合できる非常に短い露光時間を過すことができます。, しかし、各ピクセルは、眼が最も鋭敏である領域で約1.5μmの眼の棒および円錐よりも大きいため、等倍率で眼よりもはるかに低い解像度を有する。
各チップは、チップのアーキテクチャの電気部品の設計と配置によって決定される特性を持っています。 これらの成分は表面上にあるので、光を吸収し、デバイスが光子を電子に変換する効率を低下させる。, 異なるチップは異なるスペクトル特性を示します—すなわち、異なる波長の光に異なる効率で応答します。 それらはまた表示装置かコンピュータにピクセルのデータを移すことの異なった雑音特徴そして速度を表わす。
アナログ信号
ピクセルからディスプレイデバイスにデータを取得する方法は、標準のビデオカメラのようにアナログ、または直接コンピュータインター しかし、チップ自体はアナログ信号を生成します。, この信号は、各ピクセルに関連付けられた電子電荷で構成され、増幅器を通過し、ビデオモニタなどの別のアナログデバイスまたはアナログ-デジタルコンバータのいずれかに送信され、コンピュータに送信することができる。
アナログ信号を簡単接続に多くのデバイスは既に多くの研究所などのビデオモニターズ. しかし、アナログ信号には本当の欠点があります：ビデオケーブルとアクセサリは信号損失が高く、ビデオ規格は特に垂直方向の解像度を制限します。,
デジタル信号は伝送中に損失がゼロであり、コンピュータのメモリのサイズだけが処理できる画像の解像度を制限します。 デジタル信号の欠点は、ビデオとは異なり、標準インターフェイスがないという利点とまったく同じです。 そのため、検出器が必要で専用のソフトウェアインターフェイスに送信する画像をパソコンに取り込む 一度にコンピュータが必要ですが再変換アナログ表示用のコンピュータモニタです。 すべての表示装置はアナログであり、カメラがデジタルであるかどうか、灰色の256のレベルに限られる。,
それ自体では、生の感度、光子の存在を記録する検出器の能力は、高品質の画像を作るカメラの能力の良い尺度ではありません。 より重要なのは、CCDを記述するために使用される特性の組み合わせです。 これらの特性は、入射光子によって生成される電子と雑音因子によって引き起こされる外来の電子を区別するCCDの能力を記述する信号対雑音比図
ほぼすべてのCCDチップの全体的な信号対雑音比感度を改善するための一つの方法は、それを冷却することです。, 冷却は、ダークノイズ（入ってくる光子ではなく熱によって生成される電子）を減少させる。 冷却は、循環水、液体ガス、またはチップの温度を下げることができる電気ヒートシンクの一種である熱電冷却器を使用して達成することができる。 冷却のあらゆる8°Cは半分によって暗い騒音を減らす。 熱電冷却器の利点は、CCDカメラパッケージに組み込むことができ、蒸発冷却材料を継続的に追加する必要がないことです。,
光がチップに当たると
CCDチップに落ちる光は、そのピクセルに落ちた光の量に直接関連する各ピクセルに電荷を作成します。 読み出しとして知られているプロセスでは、チップ上の情報はアナログ信号に変換されます。 読み出しは、ピクセルの各行の電荷を、チップの上部または下部のピクセルの行に垂直順に行ごとに順次転送します。 読み出し行と呼ばれるこの行は、不透明なマスクによって光から遮断されます。 転送効率は約99.999パーセントで、行ごとに数マイクロ秒しか必要ありません。,
顕微鏡家は定期的にCCDカメラを使用して、さまざまなコントラスト強化方法を使用して画像を収集します。 差分干渉コントラスト（右上）はイモリ上皮肺細胞の細かい構造の詳細を明らかにし、ローダミン（右下）は構造アクチンフィラメントを赤くし、青い蛍光色素、DAPI（左）は、細胞の染色体をラベル付けする。 テッド-サーモン、ノースカロライナ大学、チャペルヒルの礼儀。
読み出し列に入ると、電荷はアンプを通って水平に進み、画像内の水平線を表す信号を作成します。, このシーケンスは、すべての行が転送され、画像全体が読み出されるまで繰り返されます。 読み出しを高速化するために、一部のチップには複数の読み出し行があり、マルチタップと呼ばれます。 余分な行には余分なアンプが必要で、コストが増加し、画像の一部で異なるグレーレベルが発生する可能性があります。
読み出し中に光が検出器に到達してはならないか、シャッターが開いている間にカメラでフィルムを進めるのと同様の効果を生み出す—ぼかし、画像 この問題への解決は適用のための特定CCDの適合性に影響を与えることができる。, それぞれの方法には長所と短所があります。
読み出し方法
画像を保護する最も一般的な方法は、通常のフィルムカメラのシャッターに似た機械的なシャッターです。 シャッターは指定された時間開き、次に閉まります。 読み出しが発生したシャッターが閉じられます。 このタイプの読み出し用に設計されたチップは、通常、フルフレーム転送チップと呼ばれ ほとんどすべてのCCDカメラがこの方法を使用しており、このタイプのカメラでは、高光レベルと低光レベルの両方でほとんどの静止物体を画像化,
このチップは、1000×1000よりも大きなピクセルアレイを必要とする高解像度アプリケーションに利用可能な主要なタイプです。 その効率はそれを微光の蛍光性の適用のために適したようにするが、顕微鏡および土台方法が非常に安定しているように要求する。 このタイプのチップは一般的に良の検出には赤と赤外光でspectrallyより高感度な波長の光, 但し、より短い波長への減らされた感受性はカルシウムratioingおよび緑の蛍光蛋白質の印のような蛍光性の適用のための使用を限るかなり長い露光時間 これらのデバイスのほとんどはフルウェル容量が大きいため、明るい信号の小さな変化を検出したり、強度の微妙な変化を測定したりするのに適
CCDチップ（右）を冷却すると、読みにくい画像（中央）への熱ノイズの寄与（左）が減少します。, 緑色の蛍光は、Alexa488ファロイジンで染色された雌のカンガルーラット腎臓細胞における糸状アクチンを標識する。 テッド-サーモン、ノースカロライナ大学、チャペルヒルの礼儀。
フレーム転送と呼ばれるもう一つの方法は、二つの同一のCcdがペアになった特殊なチップを使用します。 行ごとの転送は実際の読み出しと比較して高速であるため、第二のチップは、露出したチップから素早くシフトし、次に遅いペースで第二のチップを読み出すことによって、画像を保存する場所を提供する。,
フレーム転送Ccdは、フルフレーム転送ユニットとほぼ同じアプリケーションを持っていますが、より速い速度で動作することがで 画像のペアを迅速な順序で取得する必要があるユーザーや、チップの全面積よりも小さい領域の複数の画像を取得する必要があるユーザーの場合、露出したチップの小さなサブ領域をマスクされた領域に迅速に転送することができます（ビニングとサブアレイを参照）。 これにより、256×256ピクセルの四つの領域または16の128×128ピクセルの領域を、プライマリチップ上に1024×1024ピクセルのチップ上に素早くキャプチャ,
インターライン転送と呼ばれる第三の方法は、露出したピクセルの列をマスクされたピクセルの列と交互に、撮像ピクセルから一つのピクセルだけ マスクされた部分に画像を転送するには、わずか数マイクロ秒しか必要とせず、すべての撮像画素が同じ露光時間を経験する。
インターライン転送チップの二つのタイプが利用可能です。 最初は、主に標準的なビデオカメラやビデオカメラで使用されるインターレースインターライン転送チップです。, 第二のタイプであるプログレッシブスキャンインターライン転送チップは，主にresolution解能生体イメージングに適したタイプの高解像度，高ダイナミックレンジカメラで使用される。
最近のインターラインチップの開発は、古いインターラインデバイスの問題をほぼ解消しました。 最初の改善は、通常、マスクされた領域に落ちる光子をイメージングピクセルに屈折させるオンチップレンズの追加です。 これにより、アクティブ領域が70％以上に増加します。, 第二の開発である穴蓄積デバイスは、チップ内のノイズレベルを低減し、最小限の冷却で効果的にノイズフリーになりました。 このような低ノイズにより、デバイスは、古いフルフレーム転送チップおよびフレーム転送チップの多くよりも小さいフルウェル容量から、高い信号対ノイズ比で広い範囲の強度を画像化することができる。
これらのチップは、赤色領域での性能を犠牲にして、フルフレーム転送チップよりも短い波長に対してより敏感である。 チップの露光時間は、急速に移動する物体を画像化するのに十分な速さです。, Brightfieldおよび差動干渉の対照の適用のために、それらは粒子の追跡および微小管アセンブリイメージ投射のための速い操作そしてよい停止行為を提供
これらのチップを必要と冷却が簡単になりを出していかなくてはいけない画像の低照願います。 それらは、例えば電圧感受性色素を撮像するときに、明るい信号の小さな変化を検出するために必要な大きなフルウェル容量を欠いている。 一方、それらの非常に低い雑音特性は、暗い背景に対して小さな信号を検出するのに有用である。,
ビニングとサブアレイ
ほとんどのCcdは、ビニングとサブアレイ：それらは科学的なイメージングのために非常に汎用性を作る二つの機能を共有して これらの特性は、読み出し速度を増加させ、露光時間を減少させ、またはコンピュータに転送する必要がある情報の総量を減少させることができる。
ビニングという用語は、隣接するピクセルのグループ内の電子を一緒にプールすることを指します。 この結果はスーパーピクセルと呼ばれることもあり、空間分解能を犠牲にして露光時間を短縮し、信号対雑音比を高めるために使用することができます。, 生成されるデータが少ないため、転送速度が向上します。 カメラのソフトウェアは、水平方向または垂直方向の任意の数のピクセルを含めることができるスーパーピクセルのサイズを制御します。 イメージングでは、歪みを避けるために両方向に等しい数を使用すると便利です。 分光、不平等縦数のユーザでおすすめのエッチングによる分光器の出力に出力します。
サブアレイという用語は、全景の小さな領域を画像化するために、CCDの総面積の一部のみを使用することを指します。, これは、ＣＣＤ上の特定のピクセルを指定するために画像内の関心領域の周りにボックスを描画することによって、ソフトウェア制御内から達成される。 より小さな領域の解像度は変わりませんが、読み出して転送する必要のあるデータの総量を大幅に削減し、それによって速度を向上させます。
シリコンは波長の異なる光子によって生成される電子の違いを見分けることができないため、カラー画像を作成するために追加の手順が必要です。 複数のスキームを考案されたことにある。,
単一のチップ上で異なる色を解決するには二つの方法があります。 一つは、チップの表面に赤/緑/青またはシアン/マゼンタ/黄色の斑点の交互パターンで構成される特別なモザイクフィルタを適用することです。 各ピクセルのグレー値に数式を適用すると、元のリアルカラー画像が再作成されます。 この情報はビデオ信号に符号化され、表示装置またはフレームグラバは画像を再構成する。,
第二の方法は、回転するフィルターホイールを使用して、チップ全体を赤、緑、青に順番に露出させ、各露光の間に読み出しが発生します。 を含むに関連して発生する三つの別々の画像の再構築により、コンピュータやその他のハードウェアメモリ装置です。
もう一つの解決策は、クロマチックビームスプリッタとして機能するプリズムの配置を介して、三つのチップのそれぞれに赤、青、緑の画像を同時にキャプチャするスリーチップカラーカメラです。, その結果、通常のビデオモニターに表示したり、標準のRGB信号としてコンピュータに送信したりすることができる三つの別々で同時に取得された画像です。
CCDカメラは、その汎用性と耐久性のために、実験室の生物学者にとって有用であることが証明されています。 さらに、その感度と使いやすさは、写真フィルムの処理よりも科学に集中する研究室の時間を費やしたい科学者の賞賛を獲得し続けています。, 破片の製造業者およびカメラの会社がより高い決断のよりよい装置を開発し続けると同時にCCDのカメラは実験装置の中の家を見つけ続けます。
CCDカメラを選択する際に考慮すべきパラメータ
•配列サイズ–各垂直列の数によって各水平行の数（例えば、1024×1024）。 より多くのピクセル数は、より良い空間解像度（詳細を画像にするため）またはより大きな視野のいずれかに役立ちます。*ピクセルサイズ–アレイの各光検出素子の実際のサイズで、水平ミクロン単位で垂直ミクロン単位で測定されます。, 大きいピクセルは解像度を犠牲にして露光時間が短くなり、小さいピクセルは空間分解能が良くなりますが、より長い露出が必要です。
•インターシーンダイナミックレンジ–検出器が信号を生成することができる最も明るい光レベルから最も暗い光レベルまでの総露出値の範囲で、ルクスまたは毎秒平方センチメートル当たりの光子で表されます。
•ダークノイズ–光が当たらないときにチップが特定の温度で生成する電子の数は、毎秒摂氏温度で指定された温度で電子で表されます。,
•読み出しノイズ-読み出し中に生成される電子の数で、信号に関係しないものを電子で表します。
•読み出し速度–ピクセルがアンプを介して読み出される速度、毎秒のピクセルとして表されます。
•量子効率-電子に変換される検出器に当たる光子の割合は、パーセンテージで表されます。
•フルウェル容量–ピクセルが保持できる電子の最大数。 数値を大きくすると、画像内のダイナミックレンジが増加し、強い信号の小さな信号変化を識別する能力が増加する傾向があります。,
•イントラシーンダイナミックレンジ–単一画像内の可能な強度の範囲は、電子のフルウェル容量を電子のノイズで割ったものとして計算されます。
•アナログまたはデジタル–カメラのデータ出力の形式。 以前のカメラからの出力は常にアナログでしたが、ほとんどのカメラにはアナログデジタルコンバータが内蔵されています。 デジタル出力のグレースケール分解能は、A/Dコンバータのビット数によって異なります-8ビットは28、または256のグレーレベル、10ビットは210、または1024のグレーレベル、最大16ビットは216、または65,535のグレーレベルです。,
•スペクトル特性–光子の色が検出器の応答にどのように影響するか、ノイズ要因を含まない相対感度と波長の量子効率のグラフとして表されます。,ILT、共同研究者は、金属部品の修理およびレーザーコーティングプロセスを開発Feb5,2021
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