Câmeras eletrônicas baseadas na tecnologia CCD são usadas em aplicações de Vídeo doméstico para imagens médicas para astronomia. As câmeras CCD oferecem várias vantagens sobre as câmeras de filme: elas podem ser conectadas diretamente a um computador, podem ser altamente sensíveis aos níveis de baixa luz e suas imagens estão instantaneamente disponíveis sem o processamento de filme ou sala escura., à medida que seus custos diminuem, os sensores CCD estão se tornando ferramentas essenciais para microscopistas e biólogos, embora muitos usuários saibam muito pouco sobre suas características reais e métodos operacionais. Qualquer pessoa que planeie comprar um, no entanto, precisa de compreender os fundamentos da tecnologia para saber qual o tipo que melhor se adapta às suas necessidades. um chip CCD é um conjunto de detectores fotoelétricos construídos sobre uma base de silício usando camadas de Componentes elétricos, chamados de arquitetura, impressos na superfície., Esta estrutura divide a base em uma grade de compartimentos separados, chamados pixels, que possuem cargas elétricas. Um pixel é descrito pelo seu tamanho e pelo número de elétrons que pode conter. O tamanho de um pixel varia de cerca de 6 a 25 µm, e a capacidade, chamada de plena capacidade de poço, varia de cerca de 10.000 a 500.000 elétrons. o chip fornece uma matriz bidimensional de fotodetetores que convertem fótons recebidos em sinais elétricos. Estes sinais são então enviados para um visor onde eles são reconvertidos em uma imagem ou para um dispositivo de armazenamento para a reconversão futura., Este processo de conversão e recreação supera algumas das limitações do olho humano e transfere dados sem usar processos fotográficos. este dispositivo pode gravar informações fora do alcance da visão humana — a partir de raios x e comprimentos de onda UV através do visível para o próximo-IR. Um CCD também pode ter tempos de exposição extremamente curtos que podem parar de mover objetos, e pode se integrar durante longos períodos para acumular imagens que o olho não pode detectar., Tem uma resolução muito mais baixa do que o olho em magnificações iguais, no entanto, porque cada pixel é maior do que as varas e cones do olho, que são cerca de 1,5 µm na área onde o olho tem a sua acuidade mais elevada. cada chip tem características que são determinadas pelo design e posicionamento dos componentes elétricos da arquitetura do chip. Uma vez que estes componentes estão na superfície, eles absorvem a luz e reduzem a eficiência com que o dispositivo converte fótons em elétrons., Diferentes chips exibem características espectrais diferentes-ou seja, eles respondem a diferentes comprimentos de onda de luz com diferentes eficiências. Eles também exibem diferentes características de ruído e velocidades na transferência dos dados nos pixels para o dispositivo de visualização ou computador. sinais analógicos o método de obter os dados dos pixels para o dispositivo de exibição pode ser analógico como em uma câmera de vídeo padrão, ou digital como em uma interface direta de computador. O chip em si, no entanto, produz um sinal analógico., Este sinal, que é composto pela carga eletrônica associada a cada pixel, passa através de um amplificador e então é transmitido para outro dispositivo analógico, como um monitor de vídeo, ou para um conversor analógico-digital para que ele possa ser enviado para um computador. um sinal analógico conecta-se facilmente a muitos dispositivos já na maioria dos laboratórios, como monitores de vídeo e VCRs. No entanto, sinais analógicos vêm com desvantagens reais: cabos de vídeo e acessórios têm maiores perdas de sinal, e padrões de vídeo limitam a resolução, especialmente na direção vertical.,
Um sinal digital tem perda zero durante a transmissão, e apenas o tamanho da memória do computador limita a resolução da imagem que ele pode lidar. A desvantagem de um sinal digital é precisamente a mesma que a sua vantagem: ao contrário do vídeo, não há interface padrão. Portanto, cada detector requer uma interface de software dedicada para transmitir a imagem para o computador. Uma vez no computador, ele deve ser reconvertido para analógico para exibição no monitor do computador. Todos os dispositivos de visualização São analógicos e estão limitados a 256 níveis de cinza, seja a câmera digital ou não., por si só, sensibilidade crua, a capacidade de um detector para registrar a presença de um fóton, não é uma boa medida da capacidade de uma câmera para fazer uma imagem de alta qualidade. Mais importante é a combinação de propriedades usadas para descrever um CCD. Estas propriedades produzem a razão sinal-ruído que descreve a capacidade de um CCD para diferenciar entre os elétrons produzidos por fótons de entrada e elétrons externos causados por fatores de ruído.
Um método para melhorar a sensibilidade global da razão sinal-ruído de quase qualquer chip CCD é arrefecê-lo., O resfriamento reduz o ruído escuro (elétrons criados pelo calor em vez de fótons). Resfriamento pode ser realizado usando água circulante, gases líquidos ou um refrigerador termoelétrico, que é um tipo de dissipador de calor elétrico que pode reduzir a temperatura do chip. A cada 8 °C de refrigeração reduz o ruído escuro para metade. As vantagens do refrigerador termoelétrico são que ele pode ser integrado no pacote de câmera CCD e não requer adição contínua de materiais de refrigeração evaporante., quando a luz atinge o chip, a luz que cai sobre um chip CCD cria uma carga elétrica em cada pixel diretamente relacionada com a quantidade de luz que caiu sobre esse pixel. Em um processo conhecido como readout, a informação no chip é convertida para um sinal analógico. Readout transfere sequencialmente as cargas em cada linha de pixels, linha por linha em ordem vertical, para a linha de pixels no topo ou no fundo do chip. Esta linha, chamada de linha de leitura, é bloqueada da luz por uma máscara opaca. A transferência é cerca de 99.999 por cento eficiente e requer apenas alguns microssegundos por linha., Microscopistas regularmente empregam Câmeras CCD para coletar imagens usando uma variedade de métodos de aumento de contraste. O contraste de interferência diferencial (superior direito) revela detalhes estruturais finos em uma célula pulmonar epitelial newt, enquanto a rodamina (inferior direito) torna os filamentos estruturais de actina vermelhos, e o fluoróforo azul, DAPI, (esquerdo) rotula os cromossomas da célula. Cortesia de Ted Salmon, Universidade da Carolina do Norte, Chapel Hill. uma vez na linha de leitura, as cargas avançam horizontalmente através de um amplificador para criar um sinal que representa uma linha horizontal na imagem., A sequência é repetida até que todas as linhas sejam transferidas e toda a imagem tenha sido lida. Para acelerar a leitura, alguns chips têm mais de uma linha de leitura, chamada várias torneiras. Linhas extras requerem Amplificadores extras que podem aumentar os custos e podem causar diferentes níveis de cinza em porções da imagem.
A Luz não deve chegar ao detector durante a leitura ou irá produzir efeitos semelhantes ao avanço do filme em uma câmera enquanto o obturador está aberto — borrão, sombreamento de imagem ou mistura de imagens. As soluções para este problema podem afetar a adequação de um determinado CCD para uma aplicação., Cada método tem vantagens e desvantagens. o método mais comum de proteger a imagem é um obturador mecânico, semelhante a obturadores em uma câmera de filme regular. O obturador abre por um tempo especificado e, em seguida, fecha. A leitura ocorre enquanto o obturador está fechado. Chips projetados para este tipo de leitura são geralmente chamados de chips de transferência full-frame. Quase todas as câmeras CCD usam este método, e é possível visualizar a maioria dos objetos estacionários em níveis altos e baixos de luz com este tipo de câmera., este chip também é o tipo primário disponível para aplicações de alta resolução que requerem matrizes de pixels maiores que 1000 × 1000. A sua eficiência torna-o adequado para aplicações de fluorescência de baixa luz, mas requer que o microscópio e o método de montagem sejam muito estáveis. Este tipo de chip é geralmente muito bom na detecção de luz vermelha e infravermelha porque é espectral mais sensível a comprimentos de onda mais longos., No entanto, a sensibilidade reduzida a comprimentos de onda mais curtos exige tempos de exposição bastante longos que limitam o seu uso em aplicações de fluorescência, tais como ratiagem de cálcio e marcação de proteínas fluorescentes verdes. Como a maioria destes dispositivos tem grande capacidade de bem-estar, eles são bons para detectar pequenas mudanças em sinais brilhantes ou para medir mudanças sutis na intensidade. o resfriamento de um chip CCD (à direita) reduz a contribuição do ruído térmico (à esquerda) para uma imagem que de outra forma seria mais difícil de ler (ao centro)., A actina filamentosa de uma Célula Renal de rato-canguru fêmea está marcada com Alexa 488 Falloidina. Cortesia de Ted Salmon, Universidade da Carolina do Norte, Chapel Hill. outro método, chamado frame transfer, usa um chip especial com dois CCDs idênticos emparelhados; um é exposto à luz e o outro é totalmente Mascarado. Uma vez que a transferência linha-a-linha é rápida em comparação com a leitura real, o segundo chip fornece um lugar para armazenar a imagem, deslocando-a rapidamente do chip exposto e, em seguida, lendo o segundo chip em um ritmo mais lento., CCDs de Frame-transfer têm quase as mesmas aplicações que Unidades de full-frame-transfer, mas podem operar a velocidades mais rápidas. Para usuários que precisam para adquirir pares de imagens em sequência ou várias imagens de áreas que são menos do que toda a área do chip, é possível transferir rapidamente pequenas sub-regiões do exposto chip para a área mascarada (ver binning e subarray). Isso poderia tornar possível capturar quatro regiões de 256 × 256 pixels ou 16 regiões de 128 × 128 pixels rapidamente em um chip que tem 1024 × 1024 pixels no chip primário., um terceiro método, chamado interline transfer, alterna colunas de pixels expostos com colunas de pixels mascarados para fornecer armazenamento temporário a apenas um pixel de distância dos pixels de imagem. Transferir uma imagem para a parte mascarada requer apenas alguns microssegundos, e todos os pixels de imagem experimentam o mesmo tempo de exposição. dois tipos de chips de transferência interline estão disponíveis. O primeiro é um chip interlaceado de transferência interlinha que é usado principalmente em câmeras de vídeo e Câmaras de vídeo padrão., O segundo tipo, o chip de transferência Interline de varredura progressiva, é usado principalmente em câmeras de alta resolução, de alto alcance dinâmico do tipo adequado para imagens biológicas de alta resolução. desenvolvimentos recentes em chips interline quase eliminaram os problemas de dispositivos interline mais antigos. A primeira melhoria é a adição de lentes on-chip que refractam os fótons que normalmente caem nas áreas mascaradas nos pixels de imagem. Isso aumenta a área ativa para mais de 70 por cento., Um segundo desenvolvimento, o dispositivo de acumulação de buracos, reduziu os níveis de ruído no chip de modo que, com o mínimo de resfriamento, ele é efetivamente livre de ruído. Com um ruído tão baixo, o dispositivo pode visualizar uma ampla gama de intensidades com uma elevada relação sinal-ruído a partir de uma menor capacidade de full-well do que muitos dos mais antigos chips de transferência de frame e frame-transfer.estes chips são mais sensíveis a comprimentos de onda mais curtos do que os chips de transferência de quadro completo São, à custa do desempenho nas regiões vermelhas. Os tempos de exposição dos chips são rápidos o suficiente para a imagem de objetos em movimento rápido., Para aplicações de contraste brightfield e de interferência diferencial, eles oferecem uma operação rápida e uma boa ação de parada para rastreamento de partículas e imagens de montagem de microtúbulos. estes chips requerem menos resfriamento e tornam mais simples produzir boas imagens em aplicações de baixa luz. Eles não têm a grande capacidade de bem-estar necessária para detectar pequenas mudanças em um sinal brilhante, por exemplo, quando corantes sensíveis à tensão de imagem. Por outro lado, as suas características de ruído muito baixas são úteis para detectar pequenos sinais contra um fundo escuro.,
Binning and subarray
Most CCDs share two capabilities that makes them very versatile for scientific imaging: binning and subarray. Estas propriedades podem aumentar a velocidade de leitura, diminuir os tempos de exposição ou reduzir a quantidade total de informação que tem de ser transferida para o computador. o termo binning refere-se a unir os elétrons em um grupo de pixels vizinhos. O resultado é às vezes chamado de superpixel, e pode ser usado para encurtar os tempos de exposição e aumentar a razão sinal-ruído no sacrifício da resolução espacial., Como produz menos dados, aumenta a velocidade de transferência. O software da câmera controla o tamanho do superpixel, que pode incluir qualquer número de pixels na direção horizontal ou vertical. Na imagem, é conveniente usar números iguais em ambas as direções para evitar distorções. Na espectroscopia, fazer números verticais e horizontais desiguais permite ao usuário tirar proveito da orientação da saída de um monocromador. o termo subarray refere-se ao uso de apenas uma parte da área total de CCD para imagem de uma pequena região da visão completa., Isto é realizado a partir dos controles do software desenhando uma caixa em torno da região de interesse dentro da imagem para especificar certos pixels NO CCD. Não altera a resolução da área mais pequena, mas reduz grandemente a quantidade total de dados que têm de ser lidos e transferidos, aumentando assim a velocidade. Silicon cannot tell the difference between electrons produced by photons of different wavelengths, so additional steps are needed to create color images. Foram concebidos vários esquemas para o efeito., existem dois métodos para resolver cores diferentes em um único chip. Um é aplicar um filtro de mosaico especial composto por um padrão alternado de manchas vermelhas/verdes/azuis ou cianas/magenta / amarelas na superfície do chip. A aplicação de uma equação matemática aos valores cinzentos de cada pixel recria a imagem real original. Esta informação é codificada no sinal de vídeo, e o dispositivo de exibição ou grabber de moldura reconstrói a imagem., o segundo método usa uma roda de filtro rotativo para expor todo o chip sequencialmente a vermelho, então verde, então azul, com leitura ocorrendo entre cada exposição. Isso gera três imagens separadas que devem ser reconstruídas por um computador ou outro dispositivo de memória de hardware. outra solução é a câmera de cores de três chips que simultaneamente captura uma imagem vermelha, azul e verde em cada um dos três chips através de um arranjo de prismas que atuam como beamsplitters cromáticos., O resultado é três imagens separadas, mas simultaneamente adquiridas que podem ser exibidas em um monitor de vídeo regular ou enviadas para um computador como um sinal RGB padrão.
A câmera CCD provou ser útil para biólogos no laboratório por causa de sua versatilidade e ruggedness. Além disso, a sua sensibilidade e facilidade de uso continuam a ganhar os elogios de cientistas que preferem gastar tempo de laboratório concentrando-se na ciência do que no processamento de filmes fotográficos., Como os fabricantes de chips e as empresas de câmera continuam a desenvolver melhores dispositivos com resoluções mais elevadas, a câmera CCD continuará a encontrar uma casa entre os equipamentos de laboratório.
parâmetros a considerar ao escolher uma câmera CCD
• Array size – o número em cada linha horizontal pelo número em cada coluna vertical (por exemplo, 1024 x 1024). Um maior número de pixels é útil tanto para uma melhor resolução espacial (para detalhes finos de imagem) ou para um campo de visão maior.
• Tamanho do Pixel – o tamanho real de cada elemento de detecção de luz de um array, medido em mícrons horizontais por mícrons verticais., Pixels maiores trabalham com tempos de exposição mais curtos à custa da resolução, e pixels menores fornecem uma melhor resolução espacial, mas requerem exposições mais longas.r• * interscene dynamic range – the range of total exposure values from the brightest light level possible to the dimmest light level at which the detector can produce a signal, expressed in lux or photons per square centímetro per second. * ruído escuro-o número de elétrons que o chip produz a uma dada temperatura quando nenhuma luz cai sobre ele, expresso em elétrons a uma temperatura indicada em graus celsius por segundo.,
• ruído de leitura-o número de elétrons produzidos durante a leitura que não estão relacionados com o sinal, expresso em elétrons.
* velocidade de leitura-a velocidade a que os pixels são lidos através do amplificador, expressa em pixels por segundo.
• eficiência quântica-a fração daqueles fótons que atingem o detector que são convertidos em elétrons, expressa como uma porcentagem.
• Full-well capacity – the maximum number of electrons a pixel can hold. Números maiores tendem a aumentar o intervalo dinâmico dentro de uma imagem e a capacidade de discernir pequenas mudanças de sinal em sinais fortes.,
• intervalo dinâmico de Intrasceno-o intervalo de possíveis intensidades dentro de uma única imagem, calculado como a capacidade de poço completo em elétrons divididos pelo ruído em elétrons.
• analógico ou digital-a forma da saída de dados da câmera. A saída de câmeras anteriores era sempre analógica, mas a maioria das câmeras agora vêm com um conversor analógico-digital incorporado. A escala de cinza resolução da saída digital depende do número de bits do conversor a/D – 8 bits é igual a 28 ou 256 níveis de cinza; 10 bits é igual a 210 ou 1024 níveis de cinza; até 16 bits, que é 216, ou 65.535 níveis de cinza.,
• características espectrais-como a cor de um fóton afeta a resposta do detector, expressa como um grafo de qualquer eficiência quântica de sensibilidade relativa vs. comprimento de onda, sem fatores de ruído incluídos.,ILT, Colaboradores Desenvolver Reparação e Laser-Processo de Revestimento para Componentes de Metal 5 de Fevereiro, 2021
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