od czasu ich wynalezienia w późnych latach 60., urządzenia sprzężone z ładunkiem, zwane również CCD, znalazły szerokie zastosowanie w zastosowaniach obrazowania. Kamery elektroniczne oparte na technologii CCD znajdują zastosowanie w aplikacjach od domowego wideo przez obrazowanie medyczne po astronomię. Kamery CCD oferują kilka zalet w porównaniu z kamerami filmowymi: mogą być podłączone bezpośrednio do komputera, mogą być bardzo wrażliwe na słabe oświetlenie, a ich obrazy są natychmiast dostępne bez przetwarzania filmu lub ciemnego pomieszczenia.,
wraz ze spadkiem kosztów czujniki CCD stają się niezbędnymi narzędziami dla mikroskopistów i biologów, choć wielu użytkowników niewiele wie o ich rzeczywistych cechach i metodach działania. Każdy, kto planuje kupić jeden, jednak, musi zrozumieć podstawy technologii, aby wiedzieć, który typ najlepiej pasuje do jego potrzeb.
UKŁAD CCD to układ detektorów fotoelektrycznych zbudowanych na bazie Krzemowej z wykorzystaniem warstw elementów elektrycznych, zwanych architekturą, drukowanych na powierzchni., Struktura ta dzieli bazę na siatkę oddzielnych przedziałów, zwanych pikselami, które przechowują ładunki elektryczne. Piksel jest opisany przez jego rozmiar i liczbę elektronów, które może pomieścić. Rozmiar piksela waha się od około 6 do 25 µm, a pojemność, zwana pełną pojemnością studni, waha się od około 10 000 do 500 000 elektronów.
układ zapewnia dwuwymiarowy układ fotodetektorów, które przekształcają przychodzące fotony w sygnały elektryczne. Sygnały te są następnie wysyłane do wyświetlacza, gdzie są ponownie przekształcane w obraz lub do urządzenia pamięci masowej w celu przyszłej rekonwersji., Ten proces konwersji i rekreacji pokonuje niektóre ograniczenia ludzkiego oka i przekazuje dane bez użycia procesów fotograficznych.
urządzenie to może rejestrować informacje spoza zakresu ludzkiego widzenia — od długości fal rentgenowskich i UV przez widzialne do bliskiej podczerwieni. CCD może również mieć bardzo krótkie czasy ekspozycji, które mogą zatrzymać poruszające się obiekty, i może integrować się przez długi czas, aby gromadzić obrazy, których oko nie może wykryć., Ma jednak znacznie niższą rozdzielczość niż oko przy równych powiększeniach, ponieważ każdy piksel jest większy niż pręciki i stożki oka, które mają około 1,5 µm w obszarze, w którym oko ma najwyższą ostrość.
każdy chip ma cechy, które są określone przez projekt i rozmieszczenie elementów elektrycznych architektury Chipa. Ponieważ składniki te znajdują się na powierzchni, pochłaniają światło i zmniejszają wydajność, z jaką urządzenie przekształca fotony w elektrony., Różne chipy wykazują różne charakterystyki widmowe — to znaczy, że reagują na różne długości fal światła z różną wydajnością. Wykazują również różne charakterystyki szumów i prędkości przesyłania danych w pikselach do urządzenia wyświetlającego lub komputera.
sygnały analogowe
metoda pobierania danych z pikseli do urządzenia wyświetlającego może być analogowa jak w standardowej kamerze wideo, lub cyfrowa jak w bezpośrednim interfejsie komputera. Sam układ wytwarza jednak sygnał analogowy., Sygnał ten, składający się z ładunku elektronowego związanego z każdym pikselem, przechodzi przez wzmacniacz, a następnie jest przesyłany do innego urządzenia analogowego, takiego jak monitor wideo, lub do konwertera analogowo-cyfrowego, dzięki czemu można go wysłać do komputera.
sygnał analogowy łatwo łączy się z wieloma urządzeniami już w większości laboratoriów, takimi jak monitory wideo i magnetowidy. Jednak sygnały analogowe mają realne wady: Kable wideo i akcesoria mają większe straty sygnału, a standardy wideo ograniczają rozdzielczość, szczególnie w kierunku pionowym.,
sygnał cyfrowy ma zerową stratę podczas transmisji, a tylko rozmiar pamięci komputera ogranicza rozdzielczość obrazu, który może obsłużyć. Wada sygnału cyfrowego jest dokładnie taka sama jak jego zaleta: w przeciwieństwie do wideo, nie ma standardowego interfejsu. Dlatego każdy detektor wymaga dedykowanego interfejsu oprogramowania do przesyłania obrazu do komputera. Po zainstalowaniu w komputerze musi zostać ponownie zamieniony na analogowy w celu wyświetlenia na monitorze komputera. Wszystkie urządzenia wyświetlające są Analogowe i są ograniczone do 256 poziomów szarości, niezależnie od tego, czy aparat jest cyfrowy, czy nie.,
sama w sobie czułość surowa, czyli zdolność detektora do rejestrowania obecności fotonu, nie jest dobrą miarą zdolności aparatu do tworzenia obrazu wysokiej jakości. Ważniejsze jest połączenie właściwości używanych do opisu CCD. Właściwości te wytwarzają wskaźnik stosunku sygnału do szumu, który opisuje zdolność CCD do rozróżniania elektronów wytwarzanych przez przychodzące fotony i obce elektrony spowodowane czynnikami szumu.
jedną z metod poprawy ogólnej czułości stosunku sygnału do szumu prawie każdego układu CCD jest jego schłodzenie., Chłodzenie zmniejsza ciemny szum (elektrony tworzone przez ciepło, a nie przychodzące fotony). Chłodzenie można wykonać za pomocą wody obiegowej, ciekłych gazów lub termoelektrycznej chłodnicy, która jest rodzajem elektrycznego radiatora, który może obniżyć temperaturę Chipa. Każde 8 °C chłodzenia zmniejsza ciemny hałas o połowę. Zaletą termoelektrycznej chłodnicy jest to, że może być zintegrowana z pakietem kamer CCD i nie wymaga ciągłego dodawania odparowujących materiałów chłodzących.,
gdy światło uderza w układ
światło padające na układ CCD tworzy ładunek elektryczny w każdym pikselu bezpośrednio związany z ilością światła, które spadło na ten piksel. W procesie znanym jako odczyt, informacje na chipie są konwertowane na sygnał analogowy. Odczyt sekwencyjnie przenosi ładunki w każdym rzędzie pikseli, wiersz po wierszu w kolejności pionowej, do rzędu pikseli na górze lub na dole układu. Ten wiersz, zwany wierszem odczytu, jest blokowany od światła przez nieprzezroczystą maskę. Transfer jest około 99,999 procent wydajny i wymaga tylko kilku mikrosekund na wiersz.,
Mikroskopy regularnie wykorzystują kamery CCD do zbierania obrazów przy użyciu różnych metod poprawy kontrastu. Różnica interferencja kontrast (górny prawy) ujawnia drobny strukturalny szczegóły w traszka nabłonka płuca komórce, podczas gdy rhodamine (dolny prawy) zamienia strukturalny aktyna filamenty czerwony, i niebieski fluorophore, DAPI, (lewy) etykiety komórki chromosomy. Dzięki uprzejmości Teda Salmona, University of North Carolina, Chapel Hill.
raz w wierszu odczytu ładunki przechodzą poziomo przez wzmacniacz, tworząc sygnał, który reprezentuje jedną poziomą linię na obrazie., Sekwencja jest powtarzana do momentu przeniesienia wszystkich wierszy i odczytania całego obrazu. Aby przyspieszyć odczyt, niektóre żetony mają więcej niż jeden wiersz odczytu, zwany wieloma kranami. Dodatkowe wiersze wymagają dodatkowych wzmacniaczy, które mogą zwiększać koszty i powodować różne poziomy szarości w częściach obrazu.
światło nie może docierać do detektora podczas odczytu lub będzie wywoływać efekty podobne do postępu filmu w aparacie, gdy migawka jest otwarta — rozmycie, cieniowanie obrazu lub mieszanie obrazów. Rozwiązania tego problemu mogą mieć wpływ na przydatność danej matrycy CCD do danego zastosowania., Każda metoda ma zalety i wady.
metody odczytu
najczęstszą metodą ochrony obrazu jest mechaniczna migawka, podobna do migawki w zwykłej kamerze Filmowej. Migawka otwiera się na określony czas, a następnie zamyka. Odczyt następuje, gdy migawka jest zamknięta. Układy przeznaczone do tego typu odczytu są zwykle nazywane pełnoklatkowymi układami transferowymi. Prawie wszystkie kamery CCD stosują tę metodę i możliwe jest obrazowanie większości nieruchomych obiektów zarówno przy wysokim, jak i słabym oświetleniu za pomocą tego typu kamer.,
układ ten jest również podstawowym typem dostępnym dla aplikacji o wysokiej rozdzielczości wymagających macierzy pikseli większych niż 1000 × 1000. Jego wydajność sprawia, że nadaje się do zastosowań fluorescencyjnych przy słabym oświetleniu, ale wymaga, aby mikroskop i metoda montażu były bardzo stabilne. Ten typ chipa jest ogólnie bardzo dobry w wykrywaniu światła czerwonego i podczerwonego, ponieważ jest bardziej wrażliwy widmo na dłuższe długości fal., Jednak zmniejszona wrażliwość na krótsze długości fal wymaga dość długich czasów ekspozycji, które ograniczają jego zastosowanie do zastosowań fluorescencyjnych, takich jak współczynnik wapnia i zielone fluorescencyjne znakowanie białek. Ponieważ większość z tych urządzeń ma dużą pojemność studni, są one dobre do wykrywania małych zmian w jasnych sygnałach lub do pomiaru subtelnych zmian intensywności.
chłodzenie układu CCD (po prawej) zmniejsza udział szumów termicznych (po lewej) w obrazie, który w przeciwnym razie byłby trudniejszy do odczytania (w środku)., Zielona fluorescencja oznacza nitkowatą aktynę w komórce nerki samicy kangura szczura zabarwionej Falloidyną Alexa 488. Dzięki uprzejmości Teda Salmona, University of North Carolina, Chapel Hill.
inna metoda, zwana transferem ramek, wykorzystuje specjalny chip z dwoma identycznymi CCD sparowanymi; jeden jest wystawiony na działanie światła, a drugi jest całkowicie zamaskowany. Ponieważ transfer rzędu po wierszu jest szybki w porównaniu z rzeczywistym odczytem, drugi układ zapewnia miejsce do przechowywania obrazu, przesuwając go szybko poza odsłonięty układ, a następnie odczytując drugi układ w wolniejszym tempie.,
przetworniki CCD typu Frame-transfer mają prawie takie same zastosowania jak przetworniki pełnoklatkowe, ale mogą pracować z większą prędkością. Dla użytkowników, którzy muszą nabyć pary obrazów w szybkiej sekwencji lub wielu obrazów obszarów, które są mniejsze niż pełny obszar Chipa, możliwe jest szybkie przeniesienie małych podregionów odsłoniętego Chipa do zamaskowanego obszaru(patrz binning i subarray). Może to umożliwić szybkie przechwytywanie czterech regionów 256 × 256 pikseli lub 16 regionów 128 × 128 pikseli na chipie, który ma 1024 × 1024 pikseli na głównym chipie.,
trzecia metoda, zwana transferem międzyliniowym, zastępuje kolumny odsłoniętych pikseli kolumnami pikseli maskowanych, aby zapewnić tymczasowe przechowywanie tylko o jeden piksel od pikseli obrazowania. Przesyłanie obrazu do części zamaskowanej wymaga zaledwie kilku mikrosekund, a wszystkie piksele obrazu doświadczają tego samego czasu ekspozycji.
dostępne są dwa rodzaje układów przenoszenia międzyliniowego. Pierwszym z nich jest układ przeniesienia interlinii z przeplotem, który jest używany głównie w standardowych kamerach wideo i kamkorderach., Drugi typ, progressive scan Interline transfer chip, jest stosowany przede wszystkim w kamerach o wysokiej rozdzielczości, o dużym zasięgu dynamicznym, typu odpowiedniego do obrazowania biologicznego o wysokiej rozdzielczości.
ostatnie zmiany w układach interline prawie wyeliminowały problemy starszych urządzeń interline. Pierwszą poprawą jest dodanie soczewek on-chip, które załamują fotony, które normalnie spadają na zamaskowane obszary do pikseli obrazowania. Zwiększa to obszar aktywny do ponad 70 procent., Drugi rozwój, urządzenie do akumulacji otworów, zmniejszył poziom hałasu w chipie, dzięki czemu przy minimalnym chłodzeniu jest on skutecznie wolny od hałasu. Przy tak niskim poziomie szumów urządzenie może obrazować szeroki zakres intensywności z wysokim stosunkiem sygnału do szumu z mniejszej pojemności pełnej studni niż wiele starszych układów pełnoklatkowego transferu i transferu ramki.
układy te są bardziej wrażliwe na krótsze długości fal niż układy pełnoklatkowe, kosztem wydajności w regionach czerwonych. Czasy ekspozycji chipów są wystarczająco szybkie, aby obrazować szybko poruszające się obiekty., W zastosowaniach brightfield i differential interference contrast oferują szybką pracę i dobre działanie zatrzymujące dla śledzenia cząstek i obrazowania zespołów mikrotubul.
te chipy wymagają mniej chłodzenia i ułatwiają tworzenie dobrych obrazów w słabym oświetleniu. Brakuje im dużej pojemności pełnej studni wymaganej do wykrywania małych zmian w jasnym sygnale, na przykład podczas obrazowania barwników wrażliwych na napięcie. Z drugiej strony, ich bardzo niska charakterystyka szumów jest przydatna do wykrywania małych sygnałów na ciemnym tle.,
Binning i subarray
Większość CCD mają dwie możliwości, które czynią je bardzo wszechstronne dla obrazowania naukowego: binning i subarray. Właściwości te mogą zwiększyć szybkość odczytu, skrócić czas ekspozycji lub zmniejszyć całkowitą ilość informacji, które mają być przesłane do komputera.
termin binning odnosi się do łączenia elektronów w grupie sąsiednich pikseli. Wynik jest czasami nazywany superpikselem i może być użyty do skrócenia czasu ekspozycji i zwiększenia stosunku sygnału do szumu przy poświęceniu rozdzielczości przestrzennej., Ponieważ generuje mniej danych, zwiększa szybkość transferu. Oprogramowanie aparatu kontroluje rozmiar superpiksela, który może zawierać dowolną liczbę pikseli w kierunku poziomym lub pionowym. W obrazowaniu wygodnie jest używać równych liczb w obu kierunkach, aby uniknąć zniekształceń. W spektroskopii tworzenie nierównych liczb pionowych i poziomych pozwala użytkownikowi na wykorzystanie orientacji wyjścia monochromatora.
termin subarray odnosi się do używania tylko części całkowitego obszaru CCD do obrazowania małego obszaru pełnego widoku., Osiąga się to z poziomu oprogramowania, rysując pole wokół interesującego obszaru obrazu, aby określić określone piksele na matrycy CCD. Nie zmienia to rozdzielczości mniejszego obszaru, ale znacznie zmniejsza całkowitą ilość danych, które muszą być odczytywane i przesyłane, a tym samym zwiększa szybkość.
krzem nie może odróżnić elektronów wytwarzanych przez fotony o różnych długościach fal, dlatego potrzebne są dodatkowe kroki, aby stworzyć kolorowe obrazy. W tym celu opracowano kilka programów.,
istnieją dwie metody rozwiązywania różnych kolorów na jednym chipie. Jednym z nich jest zastosowanie specjalnego filtra mozaikowego złożonego z naprzemiennego wzoru czerwonych / zielonych / niebieskich lub cyjanowych/magentowych/żółtych plam na powierzchni chipa. Zastosowanie równania matematycznego do wartości szarości każdego piksela odtwarza oryginalny obraz w Kolorze rzeczywistym. Ta informacja jest zakodowana w sygnale wideo, a urządzenie wyświetlające lub uchwyt ramki rekonstruuje obraz.,
druga metoda wykorzystuje obracające się koło filtra, aby odsłonić cały chip kolejno na czerwony, zielony, następnie niebieski, z odczytem zachodzącym między każdą ekspozycją. Generuje to trzy oddzielne obrazy, które muszą zostać zrekonstruowane przez komputer lub inne urządzenie pamięci sprzętowej.
innym rozwiązaniem jest trójukładowa kamera kolorowa, która jednocześnie rejestruje czerwony, niebieski i zielony obraz na każdym z trzech chipów za pomocą układu pryzmatów, które działają jak chromatyczne łączniki wiązki., Rezultatem są trzy oddzielne, ale jednocześnie nabyte obrazy, które mogą być wyświetlane na zwykłym monitorze wideo lub wysyłane do komputera jako standardowy sygnał RGB.
Kamera CCD okazała się przydatna biologom w laboratorium ze względu na swoją wszechstronność i wytrzymałość. Ponadto jego czułość i łatwość użycia wciąż zdobywają uznanie naukowców, którzy wolą spędzać czas laboratoryjny koncentrując się na nauce niż na przetwarzaniu filmu fotograficznego., Ponieważ producenci układów scalonych i firmy produkujące kamery nadal opracowują lepsze urządzenia o wyższych rozdzielczościach, Kamera CCD będzie nadal znajdować dom wśród sprzętu laboratoryjnego.
parametry do rozważenia przy wyborze kamery CCD• br> * rozmiar tablicy – liczba w każdym poziomym wierszu przez liczbę w każdej pionowej kolumnie(np. 1024 x 1024). Większa liczba pikseli jest przydatna dla lepszej rozdzielczości przestrzennej (do obrazowania drobnych szczegółów) lub większego pola widzenia.
• rozmiar piksela – rzeczywisty rozmiar każdego elementu tablicy wykrywającego światło, mierzony w mikronach poziomych przez mikronach pionowych., Większe piksele działają z krótszymi czasami ekspozycji kosztem rozdzielczości, a mniejsze piksele zapewniają lepszą rozdzielczość przestrzenną, ale wymagają dłuższych ekspozycji.
• Interscene dynamic range – Zakres całkowitych wartości ekspozycji od najjaśniejszego możliwego poziomu światła do najciemniejszego poziomu światła, przy którym detektor może wytworzyć sygnał, wyrażony w luksach lub fotonach na centymetr kwadratowy na sekundę.
• ciemny szum – liczba elektronów wytwarzanych przez chip w danej temperaturze, gdy nie pada na niego żadne światło, wyrażona w elektronach w podanej temperaturze w stopniach Celsjusza na sekundę.,
• szum odczytu-liczba elektronów wytworzonych podczas odczytu, które nie są związane z sygnałem, wyrażona w elektronach.
• Prędkość odczytu – prędkość, z jaką piksele są odczytywane przez wzmacniacz, wyrażona jako piksele na sekundę.
• sprawność kwantowa-ułamek tych fotonów, które uderzają w detektor, które są przekształcane w elektrony, wyrażony w procentach.
• pełna pojemność studni – Maksymalna liczba elektronów, jaką może pomieścić piksel. Większe liczby mają tendencję do zwiększania zakresu dynamicznego obrazu i zdolności do rozpoznawania małych zmian sygnału w silnych sygnałach.,
• Intrascene dynamic range – zakres możliwych natężeń w obrębie pojedynczego obrazu, obliczany jako pełnowartościowa pojemność elektronów podzielona przez szum w elektronach.
• analogowe lub cyfrowe – forma zapisu danych aparatu. Wyjście z wcześniejszych kamer było zawsze analogowe, ale większość kamer ma teraz wbudowany konwerter analogowo-cyfrowy. Rozdzielczość wyjścia cyfrowego w skali szarości zależy od liczby bitów w przetworniku A / D-8 bitów to 28 lub 256 poziomów szarości; 10 bitów to 210 lub 1024 poziomy szarości; do 16 bitów, czyli 216 lub 65 535 poziomów szarości.,
• charakterystyka widmowa – w jaki sposób kolor fotonu wpływa na odpowiedź detektora, wyrażona jako wykres wydajności kwantowej względnej czułości względem długości fali, bez uwzględniania czynników szumu.,ILT, współpracownicy opracowują proces naprawy i powlekania laserowego elementów metalowych Feb 5, 2021
lutego 2021
Leave a Reply