그들의 발명 이후 1960 년대 후반에,요금 결합한 장치라고도 하는 CCDs 발견에서 널리 사용 영상 응용 프로그램. CCD 기술을 기반으로 한 전자 카메라는 가정용 비디오에서 의료 이미징,천문학에 이르기까지 응용 분야에 사용됩니다. CCD 카메라 여러 가지 이점을 제공합 필름 카메라 좋은 인상을 만들 수 있습 컴퓨터에 직접 연결되어 있을 수 있습에 매우 민감한 낮은 가벼운 수준과 자신의 이미지는 즉시 사용할 수 있지 않고 영화 또는 어두운 방 처리합니다.,
으로 자신의 비용을 아래로,CCD 센서가 되는 필수적인 도구를 microscopists 과 생물학하지만,많은 사용자에 대해 거의 알고 있는 그들의 실제적 특성 및 운영 방법이 있습니다. 그러나 하나를 구입할 계획 인 사람은 자신의 필요에 가장 잘 맞는 유형을 알기 위해 기술의 기초를 이해해야합니다.
CCD 칩은 표면에 인쇄 된 아키텍처라고 불리는 전기 부품 층을 사용하여 실리콘베이스에 내장 된 광전 검출기의 배열입니다., 이 구조는베이스를 전기 요금을 보유하는 픽셀이라고하는 별도의 구획의 격자로 나눕니다. 픽셀은 크기와 보유 할 수있는 전자의 수에 의해 설명됩니다. 픽셀의 크기는 약 6 에서 25μm 까지 다양하며 풀 웰 용량이라고하는 용량은 약 10,000 에서 500,000 전자까지 다양합니다.
이 칩은 들어오는 광자를 전기 신호로 변환하는 광 검출기의 2 차원 배열을 제공합니다. 그런 다음 이러한 신호는 이미지로 재 변환되는 디스플레이 또는 향후 재 변환을 위해 저장 장치로 전송됩니다., 이 변환 및 레크리에이션 공정을 극복하는 일부의 제한으로 인간의 눈과 데이터를 전송을 사용하지 않고 사진의 프로세스입니다.
이 장치는 x 선 및 UV 파장에서부터 가시 광선 및 근적외선 파장까지 인간의 시야 범위를 벗어난 정보를 기록 할 수 있습니다. CCD 도 있을 수 있는 매우 짧은 노출 시간을 중단할 수 있는 움직이는 물체를,그리고 통합할 수 있습을 통해 오랜 기간 축적 이미지는 눈을 감지할 수 없습니다., 그것은 많은 보다 낮은 해상도의 눈에서 동일한 배율,그러나기 때문에,각 픽셀은 더 큰 것보다는 눈의 막대 및 콘 약 1.5μm 지역에서 눈에는 그것의 가장 높은력이다.
각 칩은 칩의 아키텍처의 전기 부품의 설계 및 배치에 의해 결정되는 특성을 갖는다. 이러한 구성 요소는 표면에 있기 때문에 빛을 흡수하고 장치가 광자를 전자로 변환하는 효율을 감소시킵니다., 다른 칩에 전시 다른 스펙트럼의 특성,즉 그들은 응답을 다른 파장의 빛을 가진 다른 효율을 높일 수 있습니다. 그들은 또한 다른 특성과 소음 속도로 데이터를 전송하기에 픽셀,디스플레이 장치 또는 컴퓨터입니다.
아날로그 신호
의 방법을 얻기에서 데이터의 픽셀로 디스플레이 장치할 수 있는 아날로그에서 같은 표준 비디오 카메라,또는 디지털에서 직접 컴퓨터 인터페이스입니다. 그러나 칩 자체는 아날로그 신호를 생성합니다., 이 신호로 구성되어 전자의 책임과 관련된 각 픽셀,권 증폭기를 통해 다음은 전달되거나 다른 아날로그 장치 등과 같은 비디오 모니터나 아날로그-디지털 변환기할 수 있도록 컴퓨터로 전송.
아날로그 신호는 이미 비디오 모니터 및 Vcr 과 같은 대부분의 실험실에있는 많은 장치에 쉽게 연결됩니다. 그러나,아날로그 신호와 함께 실시 단점:비디오 케이블 및 액세서리가 높은 신호 손실,비디오 표준을 제한 해상도에서,특히 수직 방향입니다.,
디지털 신호는 전송 중에 제로 손실을 가지며 컴퓨터의 메모리 크기 만 처리 할 수있는 이미지의 해상도를 제한합니다. 디지털 신호의 단점은 그 장점과 정확하게 동일합니다:비디오와 달리 표준 인터페이스가 없습니다. 따라서 각 탐지기는 이미지를 컴퓨터로 전송하기 위해 전용 소프트웨어 인터페이스가 필요합니다. 컴퓨터에 들어가면 컴퓨터 모니터에 표시하기 위해 아날로그로 재 변환해야합니다. 모든 디스플레이 장치는 아날로그이며 카메라가 디지털이든 아니든간에 256 레벨의 회색으로 제한됩니다.,
그 자체로,원 감도,능력의 탐지기를 기록의 존재 광양자를,좋은 능력의 척 카메라의 높은 품질의 이미지입니다. 더 중요한 것은 CCD 를 설명하는 데 사용되는 속성의 조합입니다. 이러한 특성 생산 신호 대 노이즈 비율이 그림 설명하는 능력의 CCD 구별하는 전자는 생산에 들어오는 광자와 외부 전자에 의해 발생하는 소음 요소입니다.
거의 모든 CCD 칩의 전체 신호 대 잡음비 감도를 향상시키는 한 가지 방법은 냉각시키는 것입니다., 냉각은 어두운 소음(들어오는 광자보다는 열에 의해 생성 된 전자)을 감소시킵니다. 냉각 사용하여 수행할 수 있습 순환하는 물,가스 또는 액체 열전 냉각기에는 유형의 전동 열 싱크를 줄일 수 있는 온도의 칩이다. 냉각의 8°c 마다 어두운 소음을 절반으로 줄입니다. 의 장점을 열전 냉각기는 그것이 통합될 수 있습으로 CCD 카메라 패키지고 그것을 요구하지 않는 지속적인 추가로 증발 냉각 자료.,
때 빛 칩
떨어지는 빛에 CCD 칩를 만들고,전기전에서 각 화소를 직접 관련이는 빛의 양에 떨어졌다는 픽셀. 판독 값으로 알려진 프로세스에서 칩의 정보는 아날로그 신호로 변환됩니다. 판독을 순차적으로 전송 요금이 각각의 행 픽셀,가로 세로 순서를 행 픽셀의 맨 위나 맨 아래의 칩이다. 판독 행이라고 불리는이 행은 불투명 한 마스크로 빛으로부터 차단됩니다. 전송은 약 99.999%효율적이며 행당 몇 마이크로 초만 필요합니다.,
Microscopists 는 정기적으로 ccd 카메라를 사용하여 다양한 대비 향상 방법을 사용하여 이미지를 수집합니다. Differential interference contrast(오른쪽)여 정밀한 세부 구조에서 뉴 트 폐 상피세포,동 rhodamine(오른쪽)집 구조필라멘트,빨간색 및 파란색 fluorophore,dapi 에서,(왼쪽)레이블을 세포의 염색체가 있습니다. 테드 연어,노스 캐롤라이나 대학,채플 힐의 의례.
에서 한 번 해독을 행 요금 진행을 통해 수평으로 증폭기를 만드는 신호 중 하나를 나타내는 수평 라인은 이미지입니다., 모든 행이 전송되고 전체 이미지가 판독 될 때까지 시퀀스가 반복됩니다. 판독 속도를 높이기 위해 일부 칩에는 다중 탭이라고하는 하나 이상의 판독 행이 있습니다. 추가 행 추가로 필요한 증폭기할 수 있는 증가 비용을 발생할 수 있습 다른 회색 수준에서의 이미지 부분.
가벼운지 검출기에 도달하는 동안 판독하거나 그것은 생산과 유사한 효과를 발전 필름 카메라 셔터가 열려 있는 동안게,이미지,음영 또는 혼합 이미지입니다. 이 문제에 대한 해결책은 응용 프로그램에 대한 특정 CCD 의 적합성에 영향을 줄 수 있습니다., 각 방법에는 장점과 단점이 있습니다.
판독 방법을
가장 일반적인 방법의 이미지를 보호하는 기계식 셔터,유사하에 셔터 일반 필름 카메라가 있습니다. 셔터가 지정된 시간 동안 열린 다음 닫힙니다. 셔터가 닫힌 상태에서 판독 값이 발생합니다. 이러한 유형의 판독 용으로 설계된 칩을 일반적으로 풀 프레임 전송 칩이라고합니다. 거의 모든 CCD 카메라로 이 방법을 사용이 가능한 이미지 대부분의 고정 개체에서 모두 높고 낮은 가벼운 수준과 함께 이 유형의 카메라가 있습니다.,
이 칩은 또한 1000×1000 보다 큰 픽셀 어레이를 필요로하는 고해상도 애플리케이션에 사용할 수있는 기본 유형입니다. 그것의 효율성을 만한 낮은 조명은 형광 응용 프로그램이지만 다음 조건을 충족해야 합니다 현미경으로 설치 방법은 매우 안정적입니다. 이 유형의 칩은 일반적으로 더 긴 파장에 스펙트럼 적으로 더 민감하기 때문에 적색 및 적외선을 감지하는 데 매우 좋습니다., 그러나,감도 감소를 짧은 파장이 필요로 상당히 오랜 노출 시간 제한 하는 그 사용을 위한 형광 응용 프로그램과 같은 칼슘 ratioing 및 녹색형광단백질 표시입니다. 기 때문에 이러한 대부분의 장치는 큰 전 잘 용량,그들은 좋은 검출을 위한 작은 변화에 밝은 신호 또는 측정을 위한 미묘한 변화에 강도입니다.
냉각 CCD chip(오른쪽)을 줄이 열잡음 기여금(왼쪽)하는 이미지 그렇지 않으면 될 것이 더 읽기(센터)., 녹색 형광은 Alexa488Phalloidin 으로 염색 된 암컷 캥거루 쥐 신장 세포에서 선조 액틴에 라벨을 붙입니다. 테드 연어,노스 캐롤라이나 대학,채플 힐의 의례.
는 또 다른 방법이라는 프레임 전송,를 사용한 특별한 칩을 가진 두 개의 동일한 CCDs 짝나 빛에 노출되면 및 기타 전적으로는 마스크되어 있습니다. 이후의 행송은 빠른에 비해 실제 판독,초 칩을 장소를 제공하여 이미지를 저장할 변화에 의해 신속하게 드러낸 칩고 다음을 읽는 두 번째 칩 수 있습니다.,
프레임 전송 CCDs 가 거의 같은 응용 프로그램으로 전체 프레임 전송 단위이지만 운영할 수 있는 속도가 더 빠르기 때문이다. 는 사용자를 위해 취득해야 한 쌍의 이미지에서 신속한 순서나 여러한 이미지의 지역 전체 보다는 더 적은 지역의 칩,그것은 빠르게 전송 작은 구역 노출의 칩을 가면 영역(참조하십시오 범주화과 배열). 이를 통해 256×256 픽셀의 4 개 영역 또는 128×128 픽셀의 16 개 영역을 기본 칩에 1024×1024 픽셀이있는 칩에서 빠르게 캡처 할 수 있습니다.,
세 번째 방법이라는 인터 전송,번갈아 열 노출된 픽셀 열과 함께 가면 픽셀을 제공하는 임시 저장을 단 하나의 픽셀에서 이미징 픽셀이 있습니다. 마스크 된 부분으로 이미지를 전송하는 데는 몇 마이크로 초만 필요하며 모든 이미징 픽셀은 동일한 노출 시간을 경험합니다.
두 가지 유형의 인터 전송 칩을 사용할 수 있습니다. 첫 번째는 표준 비디오 카메라 및 캠코더에서 주로 사용되는 인터레이스 인터 라인 전송 칩입니다., 두 번째 유형,프로그레시브 스캔 인터 전송 칩에 주로 사용되는 고해상도,높은 동적 범위 카메라의 유형에 적합한 고해상도의 생체 이미징.
interline 칩의 최근 개발은 오래된 interline 장치의 문제를 거의 없앴습니다. 첫 번째 개선점은 마스크 된 영역에 정상적으로 떨어질 광자를 이미징 픽셀로 굴절시키는 온칩 렌즈를 추가하는 것입니다. 이것은 활성 영역을 70%이상으로 증가시킵니다., 두 번째 개발,구멍을 축적 장치가 감소하는 소음 수준에 칩도록 최소한의 냉각 효과적으로 소음이 없는 무료입니다. 이와 같은 낮은 소음,할 수 있는 장치 이미지 다양한 범위의 강도와 높은 신호대 잡음비에서 작은 풀을 잘 보다 용량이 많은 오래된 전체 프레임 전송 및 프레임 전송 칩입니다.
이 칩은 적색 영역에서의 성능을 희생시키면서 풀 프레임 전송 칩보다 짧은 파장에 더 민감합니다. 칩의 노출 시간은 빠르게 움직이는 물체를 이미지화하기에 충분히 빠릅니다., 에 대한 시야와 차별섭 응용 프로그램,그들이 제공하는 빠르게 동작하고 좋은지 작업에 대한 입자 추적 및 microtubule 어셈블리 imaging.
이 칩은 더 적은 냉각을 요구하고 저조도 신청에 있는 좋은 이미지를 생성하는 것을 간단하게 합니다. 그들은 예를 들어 전압에 민감한 염료를 이미징 할 때 밝은 신호의 작은 변화를 감지하는 데 필요한 큰 풀 웰 용량이 부족합니다. 반면에,그들의 매우 낮은 잡음 특성은 어두운 배경에 대해 작은 신호를 탐지하는 데 유용합니다.,
Binning 및 subarray
대부분의 Ccd 는 과학적 이미징에 매우 다양한 기능을 제공하는 두 가지 기능을 공유합니다:binning 및 subarray. 이러한 속성은 판독 속도를 높이거나 노출 시간을 줄이거 나 컴퓨터로 전송해야하는 정보의 총량을 줄일 수 있습니다.
binning 이라는 용어는 이웃 한 픽셀 그룹에서 전자를 함께 풀링하는 것을 의미합니다. 결과라고도 합니다 superpixel,그리고 그것을 사용할 수 있습을 단축하 노출 시간이 늘 신호 대 노이즈 비율에서 희생의 공간적 해상도입니다., 더 적은 데이터를 생성하기 때문에 전송 속도가 증가합니다. 카메라의 소프트웨어는 수평 또는 수직 방향으로 임의의 수의 픽셀을 포함 할 수있는 수퍼 픽셀의 크기를 제어합니다. 이미징에서 왜곡을 피하기 위해 양방향으로 동일한 숫자를 사용하는 것이 편리합니다. 분광학에서 불평등 한 수직 및 수평 숫자를 만들면 사용자는 모노 크로 메이터의 출력 방향을 활용할 수 있습니다.
subarray 라는 용어는 전체 뷰의 작은 영역을 이미지화하기 위해 전체 CCD 영역의 일부만 사용하는 것을 의미합니다., 이것은 성취 내에서 소프트웨어 컨트롤 그림으로써 주위에 상자의 영역 내에서 관심 이미지를 지정한 특정 픽셀 CCD. 더 작은 영역의 해상도를 변경하지는 않지만 판독 및 전송해야하는 데이터의 총량을 크게 줄여 속도를 높입니다.
실리콘 차이 말할 수 없습 사이의 전자에 의해 생산의 광양자의 다른 파장 그래서 추가적인 단계가 필요하 컬러 이미지 만들기. 이를 달성하기 위해 여러 가지 계획이 고안되었습니다.,
단일 칩에서 다른 색상을 해결하는 두 가지 방법이 있습니다. 중 하나를 적용하도록 특별한 모자이크는 필터로 구성되는 교류의 패턴을 또는 빨강/녹색/파란색 또는 청록색/자홍색/황색을 표면의 칩이다. 각 픽셀의 회색 값에 수학 방정식을 적용하면 원래의 실제 색상 이미지가 다시 만들어집니다. 이 정보는 비디오 신호로 인코딩되고,디스플레이 장치 또는 프레임 그래버는 이미지를 재구성한다.,
두 번째 방법을 사용 필터 휠이 노출 전체 칩을 순차적으로 다음,빨간색,녹색,파란색,판독 값 사이에서 발생하는 각 노출이 있습니다. 이것은 컴퓨터 또는 다른 하드웨어 메모리 장치에 의해 재구성되어야하는 세 개의 개별 이미지를 생성합니다.
또 다른 솔루션은 세 칩 컬러 카메라는 캡처하는 동시에 빨간색,파란색과 녹색의 이미지는 각각의 세 칩을 통해 배열의 프리즘으로 작동하는 색 beamsplitters., 그 결과 일반 비디오 모니터에 표시하거나 표준 RGB 신호로 컴퓨터로 보낼 수있는 세 개의 별개이지만 동시에 획득 한 이미지입니다.
ccd 카메라는 다양성과 견고성 때문에 실험실에서 생물 학자들에게 유용하다는 것이 입증되었습니다. 외에도,그 감성과 사용 편의성은 계속 우승을 찬사의 과학자들은 오히려 보내는 실험실 시간에 집중하기 보다 과학 처리에 사진 필름입니다., 로 칩 제조업체고 카메라의 기업이 개발하는 것을 계속 더 나은 장치와 높은 해상도 CCD 카메라를 찾을 것입니다 집 중에서 실험실 장비입니다.
Ccd 카메라를 선택할 때 고려해야 할 매개 변수
•배열 크기–각 수직 열의 숫자(예:1024×1024)로 각 수평 행의 숫자. 의 큰 숫자를 픽셀 데 유용한 더 나은 공간적 해상도(이미지를 세밀)또는 더 큰니다.
•픽셀 크기–수직 미크론으로 수평 미크론으로 측정 된 어레이의 각 광 감지 요소의 실제 크기입니다., 큰 픽셀을 일으로 짧은 노출 시간의 비용으로 해결,그리고 작은 픽셀을 제공하는 더 나은 공간적 해상도 필요하지만,더 이상 노출을 지원합니다.
•Interscene 동적 범위–범위의 총 노출 값을에서 가장 밝은 빛 레벨에 가능한 디스플레이에 필터를 적용 할 수 빛 레벨에서 검출기를 생산할 수 있는 신호는 표현에서 럭스 또는 광자 제곱센티미터당합니다.
•진한 소음 수 있는 전자의 칩을 생산하고 주어진 온도에 없을 때 빛에 떨어진,그것을 표현에서의 전자에 명시된 온도는 섭씨습니다.,
•판독 잡음–신호와 관련이없는 판독 중에 생성 된 전자의 수는 전자로 표현됩니다.
•판독 속도-픽셀이 앰프를 통해 판독되는 속도로 초당 픽셀로 표시됩니다.
•양자 효율-백분율로 표현 전자로 변환되는 검출기를 공격 그 광자의 분율.
•Full-well 용량-픽셀이 보유 할 수있는 최대 전자 수입니다. 큰 숫자를 증가하는 경향이있는 동적 범위 내에서 이미지와 구별할 수 있는 능력을 신호의 변화에 강력한 신호를 보낸다.,
•Intrascene 동적인 범위의 범위는 가능한 한도 내에서 하나의 이미지로 계산된 전체라는 용량에서 전자를 나누어로에서 소음을 전자.
•아날로그 또는 디지털-카메라의 데이터 출력 형태. 이전 카메라의 출력은 항상 아날로그 였지만 대부분의 카메라에는 아날로그-디지털 변환기가 내장되어 있습니다. 회색 가늠해상도의 디지털 출력의 수에 따라 비트 A/D 컨버터는 8 비트 equals28,또는 256 회색 수준;10 비트 equals210,또는 1024 회색 수준까지 16 비트는 216,또는 65,535 회색 수준이다.,
•스펙트럼적 특성–는 방법은 컬러의 광양자는 영향을 발견자의 응답으로 표시되는 그래프의 또는 양자의 효율성을 상대적 감도 대 파장으로,소음 없음 요인을 포함됩니다.,ILT,공동 작업을 개발할 수리 및 레이저 코팅 프로세스는 금속 부품 Feb5,2021 년
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