sinds hun uitvinding eind jaren zestig zijn ladinggekoppelde apparaten, ook wel CCD’ s genoemd, wijdverbreid gebruikt in beeldvormingstoepassingen. Elektronische camera ‘ s op basis van CCD-technologie worden gebruikt in toepassingen van thuisvideo tot medische beeldvorming tot astronomie. CCD-camera ’s bieden verschillende voordelen ten opzichte van filmcamera’ s: ze kunnen rechtstreeks op een computer worden aangesloten, kunnen zeer gevoelig zijn voor lage lichtniveaus en hun beelden zijn direct beschikbaar zonder film-of dark room-verwerking., naarmate de kosten dalen, worden CCD-sensoren essentiële hulpmiddelen voor microscopisten en biologen, hoewel veel gebruikers zeer weinig weten over hun werkelijke kenmerken en werkwijzen. Iedereen die van plan is om er een te kopen, moet echter de basisprincipes van de technologie begrijpen om te weten welk type het beste bij zijn of haar behoeften past. een CCD-chip is een reeks foto-elektrische detectoren gebouwd op een silicium basis met behulp van lagen van elektrische componenten, de zogenaamde architectuur, gedrukt op het oppervlak., Deze structuur verdeelt de basis in een raster van afzonderlijke compartimenten, genaamd pixels, die elektrische ladingen bevatten. Een pixel wordt beschreven door zijn grootte en het aantal elektronen dat hij kan vasthouden. De grootte van een pixel varieert van ongeveer 6 tot 25 µm, en de capaciteit, genaamd full-well capaciteit, varieert van ongeveer 10.000 tot 500.000 elektronen.
De chip biedt een tweedimensionale array van fotodetectoren die binnenkomende fotonen omzetten in elektrische signalen. Deze signalen worden vervolgens naar een display gestuurd waar ze worden omgezet in een beeld of naar een opslagapparaat voor toekomstige reconversie., Deze conversie en recreatie proces overwint een aantal van de beperkingen van het menselijk oog en de overdracht van gegevens zonder gebruik te maken van fotografische processen.
dit apparaat kan informatie opnemen buiten het bereik van het menselijk zicht – van röntgenstraling en UV-golflengten via het zichtbare tot de nabije IR. Een CCD kan ook extreem korte belichtingstijden hebben die kunnen stoppen met bewegende objecten, en het kan over lange perioden integreren om beelden te accumuleren die het oog niet kan detecteren., Het heeft een veel lagere resolutie dan het oog bij gelijke vergrotingen, echter, omdat elke pixel groter is dan de staven en kegels van het oog, die ongeveer 1,5 µm in het gebied zijn waar het oog zijn hoogste scherpte heeft.
elke chip heeft kenmerken die worden bepaald door het ontwerp en de plaatsing van de elektrische componenten van de architectuur van de chip. Aangezien deze componenten zich op het oppervlak bevinden, absorberen ze licht en verminderen ze de efficiëntie waarmee het apparaat fotonen omzet in elektronen., Verschillende chips vertonen verschillende spectrale kenmerken-dat wil zeggen, ze reageren op verschillende golflengten van licht met verschillende efficiëntie. Ze vertonen ook verschillende ruiskenmerken en snelheden bij het overbrengen van de gegevens in de pixels naar het weergaveapparaat of de computer.
analoge signalen
De methode om de gegevens van de pixels in het beeldscherm te krijgen kan analoog zijn zoals in een standaard videocamera, of digitaal zoals in een directe computerinterface. De chip zelf produceert echter een analoog signaal., Dit signaal, dat bestaat uit de elektronenlading die bij elke pixel hoort, gaat door een versterker en wordt vervolgens naar een ander analoog apparaat, zoals een videomonitor, of naar een analoog-naar-digitaal converter verzonden zodat het naar een computer kan worden verzonden.
een analoog signaal kan gemakkelijk worden aangesloten op veel apparaten die al in de meeste laboratoria aanwezig zijn, zoals videomonitoren en videorecorders. Echter, analoge signalen komen met echte nadelen: videokabels en accessoires hebben hogere signaalverliezen, en videostandaarden beperken de resolutie, vooral in de verticale richting.,
Een digitaal signaal heeft geen verlies tijdens de overdracht, en alleen de grootte van het geheugen van de computer beperkt de resolutie van het beeld dat het aankan. Het nadeel van een digitaal signaal is precies hetzelfde als het voordeel: in tegenstelling tot video is er geen standaard interface. Daarom heeft elke detector een speciale software-interface nodig om het beeld naar de computer te verzenden. Eenmaal in de computer, moet het worden omgezet naar analoog voor weergave op de computermonitor. Alle beeldschermen zijn analoog en zijn beperkt tot 256 niveaus grijs, of de camera nu digitaal is of niet., op zichzelf is ruwe gevoeligheid, het vermogen van een detector om de aanwezigheid van een foton vast te leggen, geen goede maatstaf voor het vermogen van een camera om een beeld van hoge kwaliteit te maken. Belangrijker is de combinatie van eigenschappen die gebruikt worden om een CCD te beschrijven. Deze eigenschappen veroorzaken het signaal-aan-ruisverhouding cijfer dat de capaciteit van een CCD beschrijft om tussen de elektronen te onderscheiden die door binnenkomende fotonen en vreemde elektronen worden geproduceerd die door lawaaifactoren worden veroorzaakt.
Een methode om de algehele gevoeligheid van de signaal-ruisverhouding van bijna elke CCD-chip te verbeteren, is om deze af te koelen., Koeling vermindert de donkere ruis (elektronen gemaakt door warmte in plaats van inkomende fotonen). Koeling kan worden bereikt met behulp van circulerend water, vloeibare gassen of een thermo-elektrische koeler, dat is een type elektrische koellichaam dat de temperatuur van de chip kan verminderen. Elke 8 °C van koeling vermindert het donkere geluid met de helft. Voordelen van de thermo-elektrische koeler zijn dat deze kan worden geïntegreerd in het CCD-camerapakket en er geen voortdurende toevoegingen van verdampende koelmaterialen nodig zijn.,
Wanneer licht de chip raakt
Licht dat op een CCD chip valt, creëert een elektrische lading in elke pixel die direct gerelateerd is aan de hoeveelheid licht die op die pixel viel. In een proces dat bekend staat als uitlezing, wordt informatie op de chip omgezet in een analoog signaal. Uitlezing brengt achtereenvolgens de ladingen in elke rij pixels, rij voor rij in verticale volgorde, naar de rij pixels aan de boven-of onderkant van de chip. Deze rij, die de leesrij wordt genoemd, wordt door een ondoorzichtig masker voor het licht geblokkeerd. De overdracht is ongeveer 99,999 procent efficiënt en vereist slechts een paar microseconden per rij.,
Microscopisten maken regelmatig gebruik van CCD-camera ‘ s om beelden te verzamelen met behulp van verschillende contrastverbeteringsmethoden. Differentieel interferentie contrast (bovenste rechts) onthult fijne structurele details in een newt epitheliale longcel, terwijl rhodamine (lagere rechts) draait structurele actin gloeidraden rood, en blauwe fluorophore, DAPI, (links) labels chromosomen van de cel. Met dank aan Ted Salmon, Universiteit van North Carolina, Chapel Hill.
eenmaal in de leesrij gaan de ladingen horizontaal door een versterker om een signaal te creëren dat één horizontale lijn in het beeld vertegenwoordigt., De volgorde wordt herhaald totdat alle rijen zijn overgedragen en de hele afbeelding is uitgelezen. Om de uitlezing te versnellen hebben sommige chips meer dan één leesrij, genaamd meerdere kranen. Extra rijen vereisen extra versterkers die de kosten kunnen verhogen en verschillende grijsniveaus in delen van het beeld kunnen veroorzaken.
Licht mag de detector niet bereiken tijdens het uitlezen of het zal effecten veroorzaken die vergelijkbaar zijn met het vooruitgaan van de film in een camera terwijl de sluiter open is — vervagen, beeldschaduwen of het mengen van beelden. De oplossingen voor dit probleem kunnen van invloed zijn op de geschiktheid van een bepaalde CCD voor een toepassing., Elke methode heeft voor-en nadelen.
uitlezing methoden
de meest gebruikte methode om het beeld te beschermen is een mechanische sluiter, vergelijkbaar met luiken op een gewone filmcamera. De sluiter opent voor een bepaalde tijd en sluit vervolgens. Uitlezing vindt plaats terwijl de sluiter gesloten is. Chips die zijn ontworpen voor dit type uitlezing worden meestal full-frame transfer chips genoemd. Bijna alle CCD camera ‘ s gebruiken deze methode, en het is mogelijk om de meeste stationaire objecten in zowel hoge als lage lichtniveaus met dit type camera.,
deze chip is ook het primaire type dat beschikbaar is voor toepassingen met hoge resolutie waarvoor pixel arrays groter zijn dan 1000 × 1000. Zijn efficiency maakt het geschikt voor low-light fluorescentietoepassingen maar het vereist dat de microscoop en het opzetten methode zeer stabiel zijn. Dit type chip is over het algemeen zeer goed in het detecteren van rood en infrarood licht omdat het spectrally gevoeliger is voor langere golflengten., Nochtans, vereist de verminderde gevoeligheid aan kortere golflengten vrij lange blootstellingstijden die zijn gebruik voor fluorescentietoepassingen zoals calcium ratioing en het groene fluorescente eiwit merken beperken. Omdat de meeste van deze apparaten een grote full-well capaciteit hebben, zijn ze goed voor het detecteren van kleine veranderingen in heldere signalen of voor het meten van subtiele veranderingen in intensiteit.
koeling van een CCD-chip (rechts) vermindert de bijdrage van thermische ruis (links) aan een beeld dat anders moeilijker te lezen zou zijn (midden)., Groene fluorescentie labelt de filamenteuze actine in een vrouwelijke kangoeroe rat niercel bevlekt met Alexa 488 Phalloidin. Met dank aan Ted Salmon, Universiteit van North Carolina, Chapel Hill.
Een andere methode, genaamd frame transfer, gebruikt een speciale chip met twee identieke CCD ‘ s gekoppeld; de ene wordt blootgesteld aan licht en de andere is volledig gemaskeerd. Aangezien de rij-voor-rij overdracht is snel in vergelijking met de werkelijke uitlezing, de tweede chip biedt een plek om het beeld op te slaan door het snel te verschuiven van de blootgestelde chip en dan het lezen van de tweede chip in een langzamer tempo.,
Frame-transfer CCD ‘ s hebben bijna dezelfde toepassingen als full-frame-transfer units, maar kunnen met hogere snelheden werken. Voor gebruikers die paren van beelden in snelle opeenvolging of meerdere beelden van gebieden moeten verwerven die kleiner zijn dan het volledige gebied van de chip, is het mogelijk om kleine subregio ‘ s van de blootgestelde chip snel naar het gemaskerde gebied over te brengen (zie binning en subarray). Dit zou het mogelijk maken om vier regio ’s van 256 × 256 pixels of 16 regio’ s van 128 × 128 pixels snel vast te leggen op een chip die 1024 × 1024 pixels op de primaire chip heeft.,
Een derde methode, genaamd interline transfer, wisselt kolommen van blootgestelde pixels af met kolommen van gemaskeerde pixels om tijdelijke opslag te bieden op slechts één pixel verwijderd van de beeldpixels. Het overbrengen van een afbeelding naar het gemaskerde gedeelte vereist slechts een paar microseconden, en alle beeldpixels ervaren dezelfde belichtingstijd.
Twee soorten Interline transfer chips zijn beschikbaar. De eerste is een interlaced Interline transfer chip die meestal wordt gebruikt in standaard videocamera ‘ s en camcorders., Het tweede type, de progressive scan interline transfer chip, wordt voornamelijk gebruikt in high-resolution, high-dynamic-range camera ‘ s van het type geschikt voor high-resolution biologische weergave. recente ontwikkelingen in Interline-chips hebben de problemen van oudere interline-apparaten bijna geëlimineerd. De eerste verbetering is de toevoeging van On-chip lenzen die de fotonen breken die normaal zou vallen op de gemaskerde gebieden in de beeldvormingspixels. Dit verhoogt het actieve gebied tot meer dan 70 procent., Een tweede ontwikkeling, de hole accumulation device, heeft de geluidsniveaus in de chip verminderd, zodat deze met minimale koeling effectief ruisvrij is. Met zo ‘ n lage ruis, kan het apparaat een breed scala aan intensiteiten met een hoge signaal-ruisverhouding van een kleinere full-well capaciteit dan veel van de oudere full-frame-transfer en frame-transfer chips.
deze chips zijn gevoeliger voor kortere golflengten dan full-frame-transfer chips, ten koste van de prestaties in de rode regio ‘ s. De belichtingstijden van de chips zijn snel genoeg om snel bewegende objecten in beeld te brengen., Voor brightfield-en differentiële interferentie-contrasttoepassingen bieden ze een snelle werking en goede stopactie voor deeltjestracking en microtubule-assemblagebeeldvorming.
deze chips vereisen minder koeling en maken het eenvoudiger om goede beelden te produceren in toepassingen met weinig licht. Ze missen de grote full-well capaciteit die nodig is om kleine veranderingen in een helder signaal te detecteren, bijvoorbeeld wanneer beeldvormende spanningsgevoelige kleurstoffen. Aan de andere kant zijn hun zeer lage ruis-eigenschappen nuttig voor het detecteren van kleine signalen tegen een donkere achtergrond.,
Binning en subarray
De meeste CCD ‘ s hebben twee mogelijkheden die ze zeer veelzijdig maken voor wetenschappelijke beeldvorming: binning en subarray. Deze eigenschappen kunnen de uitlezingssnelheid verhogen, de belichtingstijden verkorten of de totale hoeveelheid informatie verminderen die naar de computer moet worden overgebracht.
De term binning verwijst naar het samenvoegen van de elektronen in een groep naburige pixels. Het resultaat wordt soms een superpixel genoemd, en het kan worden gebruikt om de blootstellingstijden te verkorten en de signaal-ruisverhouding bij het offer van ruimtelijke resolutie te verhogen., Omdat het minder data produceert, verhoogt het de overdrachtssnelheden. De software van de camera regelt de grootte van de superpixel, die een willekeurig aantal pixels in zowel de horizontale als verticale richting kan bevatten. Bij beeldvorming is het handig om gelijke getallen in beide richtingen te gebruiken om vervormingen te voorkomen. In de spectroscopie, maakt het maken van ongelijke verticale en horizontale getallen de gebruiker om te profiteren van de oriëntatie van de output van een monochromator.
De term subarray verwijst naar het gebruik van slechts een deel van het totale CCD-gebied om een klein gebied van de volledige weergave af te beelden., Dit wordt bereikt vanuit de besturingselementen van de software door een kader te tekenen rond het gebied van belang binnen de afbeelding om bepaalde pixels op de CCD te specificeren. Het verandert niet de resolutie van het kleinere gebied, maar het vermindert sterk de totale hoeveelheid gegevens die moeten worden uitgelezen en overgedragen, en daardoor verhoogt de snelheid.
silicium kan het verschil niet zien tussen elektronen geproduceerd door fotonen met verschillende golflengten, dus zijn extra stappen nodig om kleurenbeelden te maken. Om dit te bereiken zijn verschillende regelingen uitgewerkt.,
er zijn twee methoden om verschillende kleuren op een enkele chip op te lossen. Een daarvan is het aanbrengen van een speciaal mozaïekfilter bestaande uit een afwisselend patroon van rood/groen/blauw of Cyaan/magenta/gele vlekken op het oppervlak van de chip. Het toepassen van een wiskundige vergelijking op de grijze waarden van elke pixel herschept de originele real-color afbeelding. Deze informatie wordt gecodeerd in het videosignaal, en het weergaveapparaat of frame grabber reconstrueert het beeld.,
De tweede methode maakt gebruik van een roterend filterwiel om de gehele chip achtereenvolgens bloot te stellen aan rood, vervolgens groen en vervolgens blauw, met uitlezing tussen elke blootstelling. Dit genereert drie afzonderlijke beelden die moeten worden gereconstrueerd door een computer of ander hardware geheugenapparaat. een andere oplossing is de drie-chip kleurencamera die tegelijkertijd een rood, een blauw en een groen beeld op elk van de drie chips vastlegt door middel van een opstelling van prisma ‘ s die fungeren als chromatische beamsplitters., Het resultaat is drie afzonderlijke maar tegelijkertijd verkregen beelden die kunnen worden weergegeven op een gewone videomonitor of naar een computer als een standaard RGB-signaal. de CCD-camera is nuttig gebleken voor biologen in het laboratorium vanwege zijn veelzijdigheid en robuustheid. Bovendien blijven de gevoeligheid en het gebruiksgemak de loftrompet steken van wetenschappers die liever tijd in het laboratorium besteden aan wetenschap dan aan het verwerken van fotografische film., Terwijl chipfabrikanten en camerabedrijven betere apparaten met hogere resoluties blijven ontwikkelen, zal de CCD-camera een thuis blijven vinden onder laboratoriumapparatuur.
Parameters waarmee rekening moet worden gehouden bij het kiezen van een CCD-Camera
* Array size – het nummer in elke horizontale rij door het nummer in elke verticale kolom (bijvoorbeeld 1024 x 1024). Een groter aantal pixels is nuttig voor een betere ruimtelijke resolutie (voor beelddetails) of een groter gezichtsveld.pixelgrootte-de werkelijke grootte van elk lichtdetecterend element van een array, gemeten in horizontale microns door verticale microns., Grotere pixels werken met kortere belichtingstijden ten koste van de resolutie, en kleinere pixels zorgen voor een betere ruimtelijke resolutie, maar vereisen langere belichting.
• interscene dynamisch bereik-het bereik van de totale blootstellingswaarden van het helderst mogelijke lichtniveau tot het dimste lichtniveau waarbij de detector een signaal kan produceren, uitgedrukt in lux of fotonen per vierkante centimeter per seconde. donkere ruis-het aantal elektronen dat de chip produceert bij een bepaalde temperatuur wanneer er geen licht op valt, uitgedrukt in elektronen bij een bepaalde temperatuur in graden celsius per seconde.,
• Uitleesruis: het aantal elektronen dat tijdens de uitleesruis wordt geproduceerd en niet gerelateerd is aan het signaal, uitgedrukt in elektronen.
• Uitlezingssnelheid: de snelheid waarmee de pixels door de versterker worden uitgelezen, uitgedrukt als pixels per seconde.= = Kwantumefficiëntie = = de fractie van de fotonen die de detector raken en worden omgezet in elektronen, uitgedrukt als een percentage.
• Full-well capaciteit – het maximale aantal elektronen dat een pixel kan bevatten. Grotere aantallen hebben de neiging om het dynamische bereik binnen een beeld en de capaciteit te verhogen om kleine signaalveranderingen in sterke signalen te onderscheiden.,
• Intrascene dynamic range-het bereik van mogelijke intensiteiten binnen een enkel beeld, berekend als de full-well capaciteit in elektronen gedeeld door de ruis in elektronen.
• analoog of digitaal-de vorm van de gegevensuitvoer van de camera. De output van eerdere camera ’s was altijd analoog, maar de meeste camera’ s komen nu met een ingebouwd analoog-naar-digitaal converter. De grijsschaal resolutie van de digitale uitgang is afhankelijk van het aantal bits in de A/D converter – 8 bits is gelijk aan 28, of 256 grijze niveaus; 10 bits is gelijk aan 210, of 1024 grijze niveaus; tot 16 bits, dat is 216, of 65.535 grijze niveaus.,
• spectrale kenmerken-hoe de kleur van een foton de respons van de detector beïnvloedt, uitgedrukt als een grafiek van ofwel kwantumefficiëntie van relatieve gevoeligheid Versus golflengte, zonder ruisfactoren.,ILT, Medewerkers Ontwikkelen, Herstellen en Laser-Coating Proces voor de Metalen Onderdelen Feb 5, 2021
Leave a Reply