Siden sin oppfinnelse i slutten av 1960-tallet, charge-coupled enheter, også kalt CCDs, har funnet utstrakt bruk i bildebehandlingsprogrammer. Elektroniske kameraer basert på CCD-teknologi er brukt i søknader fra home video til medisinsk bildebehandling til astronomi. CCD-kameraer tilbyr flere fordeler over filmkameraer: De kan være koblet direkte til en datamaskin, kan være svært sensitive for lave-lys nivåer og deres bilder er umiddelbart tilgjengelig uten film eller mørke rom behandling.,
Som sine kostnader kommer ned, CCD-sensorer er blitt viktige verktøy for microscopists og biologer, selv om mange brukere vet svært lite om deres faktiske egenskaper og driftsmetoder. Alle som planlegger å kjøpe en, men trenger å forstå det grunnleggende av teknologi for å få vite hvilken type som passer best for hans eller hennes behov.
EN CCD-brikken er en rekke fotoelektriske detektorer som er bygget på en silisium base ved hjelp av lag av elektriske komponenter, kalles arkitektur, trykt på overflaten., Denne strukturen deler base i et rutenett av separate lommer, som kalles piksler, som holder elektriske ladninger. En piksel er beskrevet av sin størrelse og antall elektroner den kan holde. Størrelsen på en pixel varierer fra rundt 6 til 25 µm, og kapasitet, kalt full-brønner, varierer fra ca 10 000 til 500 000 elektroner.
chip gir et to-dimensjonalt array av photodetectors som konverterer innkommende fotoner, til elektriske signaler. Disse signalene blir så sendt til en skjerm hvor de er reconverted inn et bilde eller en lagringsenhet for fremtiden reconversion., Denne konverteringen og rekreasjon prosessen overvinner noen av begrensningene for det menneskelige øyet og overfører data uten å bruke fotografiske prosesser.
Denne enheten kan registrere informasjon utenfor rekkevidden av menneskelig visjon — fra x-ray og UV bølgelengder gjennom synlig for nær-IR. En CCD også kan ha ekstremt korte eksponeringstider som kan stoppe objekter i bevegelse, og det kan integrere over lange perioder for å samle bilder som øyet ikke kan oppdage., Den har en mye lavere oppløsning enn øyet på lik forstørrelse, men fordi hver piksel er større enn øyet er stenger og kjegler, som er ca 1,5 mikrometer i området hvor øyet har sin høyeste skarphet.
Hver brikke har egenskaper som er bestemt av utforming og plassering av de elektriske komponentene av chip ‘ s arkitektur. Siden disse komponentene er på overflaten, de absorberer lys og redusere effektiviteten med enheten konverterer fotoner til elektroner., Forskjellige chips har ulike spektrale egenskaper — som er, de reagerer på forskjellige bølgelengder av lys med forskjellige effektivitet. De kan også ha forskjellige støy egenskaper og hastigheter i å overføre data i punkter på displayet enheten eller datamaskinen.
Analoge signaler
metode for å få data fra punkter i displayet enheten kan være enten analog som i en standard video-kamera, eller digitale som i en direkte datamaskin-grensesnitt. Chip selv, men produserer et analogt signal., Dette signalet, som er sammensatt av elektronet kostnad forbundet med hver piksel, passerer gjennom en forsterker, og så blir enten overført til en annen analog enhet, for eksempel en video skjermen, eller til en analog-til-digital omformer slik at det kan sendes til en datamaskin.
Et analogt signal kobles enkelt til mange enheter som allerede er i de fleste laboratorier, for eksempel video skjermer og Opptakere. Imidlertid, analoge signaler kommer med reelle ulemper: Video-kabler og tilbehør har høyere signal tap, og video standarder begrense oppløsning, spesielt i vertikal retning.,
Et digitalt signal har null tap ved overføring, og bare størrelsen av datamaskinens minne begrenser oppløsningen på bildet er det en kan håndtere. Ulempen med en digital signal er nøyaktig det samme som sin fordel: i Motsetning til video, det er ingen standard grensesnitt. Derfor, hver detektor krever en dedikert programvare grensesnitt for å overføre bildet til datamaskinen. En gang i datamaskinen, må det reconverted til analoge for visning på dataskjerm. Alle skjermer er analog og er begrenset til 256 nivåer av grått, uansett om kameraet er digital eller ikke.,
Av seg selv, rå sensitivitet, evne til en detektor for å registrere tilstedeværelse av et foton, er ikke et godt mål på muligheten av et kamera for å få en høy kvalitet på bildet. Mer viktig er kombinasjonen av egenskaper som brukes for å beskrive en CCD. Disse egenskapene produsere signal-til-støy-forhold figur som beskriver muligheten for en CCD å skille mellom elektroner produsert av innkommende fotoner og unødvendig elektroner forårsaket av støy faktorer.
En metode for å forbedre den generelle signal-til-støy-forhold følsomhet av nesten alle CCD-brikken er å kjøle den ned., Avkjøling reduserer mørke støy (elektroner skapt av varme snarere enn innkommende fotoner). Kjøling kan gjøres ved hjelp av sirkulerende vann, flytende gasser eller et termoelektrisk kjøligere, som er en type elektrisk varme vask som kan redusere temperaturen på brikken. Hver 8 °C kjøling reduserer mørke støy med halvparten. Fordeler av termoelektrisk kulere er at det kan være integrert i CCD kamera pakke, og det ikke krever kontinuerlig tilgang fordamper kjøling materialer.,
Når lyset treffer brikken
Lys som faller på en CCD-brikke skaper en elektrisk ladning i hver pixel er direkte knyttet til mengden av lys som faller på at piksel. I en prosess som er kjent som viste informasjonen på brikken konverteres til et analogt signal. Avlesing sekvensielt overfører kostnader i hver rad av punkter, rad etter rad i loddrett rekkefølge, til rekken av punkter på toppen eller bunnen av chip. Dette rad, kalt avlesing rad, blokkeres fra lyset av en ugjennomsiktig maske. Overføringen er om 99.999 prosent effektiv og krever bare noen få mikrosekunder per rad.,
Microscopists jevnlig sysselsetter CCD-kameraer til å samle bilder ved hjelp av en rekke kontrast ekstrautstyr metoder. Differensial forstyrrelser kontrast (øverst til høyre) viser fine strukturelle detaljer i en salamander epithelial lunge celle, mens rhodamine (nederst til høyre) slår strukturelle actin filamenter rød, og blå separeres fluoroforen, DAPI, (til venstre) etiketter cellens kromosomer. Gjengitt med tillatelse av Ted Laks, University of North Carolina, Chapel Hill.
en Gang i avlesing rad, kostnader fortsette horisontalt gjennom en forsterker til å opprette et signal som representerer en horisontal linje i bildet., Sekvensen gjentas til alle radene er overført, og hele bildet er lest ut. For å øke hastigheten på avlesing noen chips har mer enn én avlesing rad, kalt flere kraner. Ekstra rader krever ekstra forsterkere som kan øke kostnadene og kan føre til forskjellige grå nivåer i deler av bildet.
Lys må ikke nå detektoren under avlesing eller det vil gi effekter som ligner på fremmarsj filmen i kameraet mens lukkeren er åpen — uskarphet, bilde skyggelegging eller til å blande bilder. Løsningene på dette problemet kan påvirke hensiktsmessigheten av en bestemt CCD for et program., Hver metode har sine fordeler og ulemper.
Avlesing metoder
Den vanligste metoden for å beskytte bildet er en mekanisk lukker, lik skodder på et vanlig filmkamera. Lukkeren åpner for en bestemt tid, og deretter avsluttes. Avlesing skjer mens lukkeren er lukket. Chips som er laget for denne type avlesing er vanligvis kalt full-ramme overføre chips. Nesten alle CCD-kameraer bruker denne metoden, og det er mulig å avbilde de fleste stasjonære objekter i både høy og lav lys nivåer med denne type kamera.,
Denne brikken er også den primære typen tilgjengelige for høy oppløsning programmer som krever pixel-matriser som er større enn 1000 × 1000. Dens effektivitet gjør det egnet for lav-lys fluorescens programmer, men det krever at mikroskopet og montering av metode være svært stabil. Denne type av chip er generelt veldig flinke til å oppdage rødt og infrarødt lys fordi det er spektralt mer følsomme for lengre bølgelengder., Men, redusert følsomhet for kortere bølgelengder krever ganske lang eksponeringstid som begrenser dens bruk for fluorescens-programmer, for eksempel kalsium ratioing og grønt fluorescerende protein-merking. Fordi de fleste av disse enhetene har stor full-brønner, de er bra for å oppdage små endringer i lyse signaler eller for å måle små endringer i intensitet.
Kjøling en CCD-brikke (høyre) reduserer den termiske støyen bidrag (til venstre) til et bilde som ellers ville være vanskeligere å lese (i midten)., Grønn fluorescens etiketter trådformede actin på en kvinnelig kangaroo rotte nyre celle farget med Alexa 488 Phalloidin. Gjengitt med tillatelse av Ted Laks, University of North Carolina, Chapel Hill.
en Annen metode, kalles rammen transfer, bruker en spesiell chip med to identiske CCDs koblet opp; man er utsatt for lys, og den andre er helt maskert. Siden rad for rad overføring er raskt sammenlignet med den faktiske avlesning, den andre brikken gir et sted for å lagre bildet ved å flytte det raskt av utsatt chip, og deretter lese ut den andre brikken i et langsommere tempo.,
Ramme-overføring CCDs har nesten de samme programmene som full-frame-overføring enheter, men kan operere i høyere hastigheter. For brukere som har behov for å erverve par bilder i rask rekkefølge eller flere bilder av områder som er mindre enn hele området av chip, er det mulig å raskt overføre små underregionene av utsatt chip til den maskerte området (se gruppering og subarray). Dette kan gjøre det mulig å fange opp fire regioner av 256 × 256 piksler eller 16 regioner på 128 × 128 piksler raskt på en brikke som har 1024 × 1024 piksler på primær-chip.,
En tredje metode, som kalles interline transfer, alternativt kolonner av utsatte punkter med kolonner av maskerte punkter til å gi midlertidig lagring bare én piksel bort fra imaging punkter. Å overføre et bilde til den maskerte delen krever bare noen få mikrosekunder, og alle imaging punkter oppleve den samme eksponeringen tid.
To typer interline transfer chips er tilgjengelig. Den første er en sammenflettet interline transfer-brikke som brukes for det meste i standard video kameraer og videokameraer., Den andre typen, den progressive scan interline transfer chip, brukes hovedsakelig i høy oppløsning, høy dynamisk rekkevidde kameraer av typen som er egnet for høy-oppløsning biologiske bildebehandling.
Siste utviklingen i interline chips har nesten eliminert problemene med eldre interline-enheter. Den første forbedringen er tillegg av on-chip objektiver som refract fotoner som normalt ville falle på den maskerte områder i bildebehandling punkter. Dette øker den aktive området til mer enn 70 prosent., En annen utvikling, hullet akkumulering enheten har redusert støynivå i brikken slik at minimalt med kjøling, det er effektivt støy-gratis. Med en slik lav støy, kan enheten bildet et bredt spekter av intensitet med et høyt signal-til-støy-forhold fra en mindre full-godt kapasitet enn mange av de eldre full-frame-overføring og ramme-overføring chips.
Disse brikkene er mer følsomme for kortere bølgelengder enn full-frame-overføring chips er, på bekostning av ytelse i de røde områdene. Chips’ eksponering ganger er rask nok til bildet raskt bevegelige objekter., For brightfield og differensial forstyrrelser kontrast programmer, de tilbyr rask betjening og god stop action for partikkel-sporing og microtubule montering bildebehandling.
Disse brikkene krever mindre kjøling og gjøre det enklere å produsere gode bilder i dårlig lys programmer. De mangler den store full-vel nødvendige kapasitet til å oppdage små endringer i en lys signal, for eksempel, når imaging spenning-sensitive fargestoffer. På den annen side, deres meget lav støy egenskaper er nyttig for å oppdage små signaler mot en mørk bakgrunn.,
Gruppering og subarray
de Fleste CCDs dele to muligheter som gjør dem svært allsidig for scientific imaging: gruppering og subarray. Disse egenskapene kan øke avlesing hastigheten, redusere eksponeringstid eller redusere den totale mengden av informasjon som er overført til datamaskinen.
begrepet gruppering refererer til å samle sammen elektroner i en gruppe i nærliggende punkter. Resultatet er noen ganger kalt en superpixel, og det kan brukes til å redusere eksponeringstid og øke signal-til-støy-forhold på offeret av romlig oppløsning., Fordi det gir færre data, vil det øke overføringshastighet. Kameraet er programvaren som kontrollerer størrelsen på superpixel, som kan omfatte en rekke punkter i enten horisontal eller vertikal retning. I bildebehandling, det er praktisk å bruke like tall i begge retninger for å unngå skjevheter. I spektroskopi, noe som gjør ulik vertikal og horisontal tall tillater brukeren å dra nytte av den retning av en monochromator utgang.
begrepet subarray refererer til bruk av bare en del av den totale CCD-område til et bilde i et lite område av den fulle oversikt., Dette gjøres fra programvaren kontroller ved å tegne en boks rundt i regionen av interesse i bildet til å angi bestemte punkter på CCD-en. Det gjør ikke endre oppløsningen av mindre område, men det reduserer den totale mengden av data som må leses ut og overføres, og dermed øker hastigheten.
Silicon kan ikke fortelle forskjellen mellom elektroner produsert av fotoner med forskjellige bølgelengder, slik at ytterligere tiltak er nødvendig for å skape fargebilder. Flere ordninger har blitt utviklet for å oppnå dette.,
Det er to metoder for å løse forskjellige farger på en enkelt brikke. Det ene er å bruke en spesiell mosaikk filter består av et vekslende mønster av enten rød/grønn/blå eller cyan/magenta/gul flekker på overflaten av chip. Å bruke en matematisk ligning til den grå verdier av hver pixel gjenskaper den opprinnelige real-farge bilde. Denne informasjon er kodet inn i video-signal, og display-enheten eller frame grabber rekonstruerer bildet.,
Den andre metoden bruker et roterende filter-hjulet for å utsette hele chip sekvensielt til rød, grønn, så blå, med avlesing skjer mellom hver eksponering. Dette genererer tre separate bilder som må bli rekonstruert ved en datamaskin eller annen maskinvare-minneenhet.
en Annen løsning er tre-chip farge kamera som tar samtidig en rød, en blå og en grønn bilde på hver av de tre sjetonger gjennom en ordning med prismer som fungerer som kromatisk beamsplitters., Resultatet er tre separate, men samtidig kjøpte bilder som kan vises på en vanlig video skjermen eller sendes til en datamaskin som en standard RGB-signal.
CCD-kameraet har vist seg nyttig for biologer i laboratoriet på grunn av sin allsidighet og robusthet. I tillegg, følsomhet og brukervennlighet er å fortsette å vinne utmerkelser av forskere som heller ville tilbringe laboratorium tid og konsentrerer seg om vitenskap enn om behandling av fotografisk film., Som chip-produsenter og kameraet selskaper fortsetter å utvikle bedre enheter med høyere oppløsning, CCD-kameraet vil fortsette å finne et hjem blant laboratorieutstyr.
Parametere for å Vurdere Når du Velger et CCD-Kamera
• Array størrelse – antall i hver horisontal rekke av tall i hver vertikal kolonne (f.eks., 1024 x 1024). Et større antall punkter er nyttig for enten bedre romlig oppløsning (til bildet fine detaljer) eller en større synsfelt.
• pikselstørrelse – den faktiske størrelsen av hvert lys-oppdage element i en matrise, målt i horisontal µm av vertikal µm., Større piksler arbeid med kortere eksponeringstider på bekostning av oppløsning og mindre punkter for å gi bedre romlig oppløsning, men krever lengre eksponeringer.
• Interscene dynamic range – utvalget av total eksponering verdier fra den lyseste lyse nivå mulig å dimmest lys nivået som detektoren kan produsere et signal, uttrykt i lux eller fotoner per kvadratcentimeter per sekund.
• Mørk støy – antall elektroner chip produserer ved en gitt temperatur når lyset faller på det, uttrykt i elektroner på et angitt temperatur i grader celsius per sekund.,
• Avlesing støy – antall elektroner som er produsert under avlesing som ikke er relatert til signal, uttrykt i elektroner.
• Lese – hastighet- hastighet som den punkter leses ut gjennom forsterkeren, uttrykt som punkter per sekund.
• Quantum effektivitet – brøkdel av de fotoner som treffer detektoren som er konvertert til elektroner, uttrykt som en prosentandel.
• Full-godt kapasitet – maks antall elektroner en piksel kan holde. Større tall har en tendens til å øke det dynamiske omfanget i et bilde og evnen til å skjelne små signal endringer i sterke signaler.,
• Intrascene dynamic range – utvalget av mulige intensiteter i et enkelt bilde, som beregnes som full-godt kapasitet i elektroner delt av støy i elektroner.
• Analog eller digital form av kameraets data utgang. Utgang fra tidligere kameraer alltid var analoge, men de fleste kameraer kommer nå med en analog-til-digital omformer bygget i. Den grå-skala oppløsning av digital utgang avhenger av antall bits i A/D-converter – 8 biter tilsvarer 28, eller 256 grå nivåer; 10 biter tilsvarer 210, eller 1024 grå nivåer, opp til 16 bits, noe som er 216, eller 65,535 grå nivåer.,
• Spektrale egenskaper – hvordan fargen av et foton påvirker detektor svar, uttrykt som en graf av enten quantum effektivitet av relativ sensitivitet vs. bølgelengde, med ingen støy faktorer.,ILT, Samarbeidspartnere Utvikle Reparasjon-og Laser-Belegg Prosess for Metall Komponenter Feb 5, 2021
Leave a Reply