De la inventarea lor la sfârșitul anilor 1960, dispozitivele cuplate la Încărcare, numite și CCDs, au găsit o utilizare pe scară largă în aplicațiile imagistice. Camerele electronice bazate pe tehnologia CCD sunt utilizate în aplicații de la video la domiciliu la imagistica medicală până la astronomie. Camerele CCD oferă mai multe avantaje față de camerele de film: pot fi conectate direct la un computer, pot fi extrem de sensibile la niveluri de lumină scăzută, iar imaginile lor sunt disponibile instantaneu fără procesare de film sau cameră întunecată.,
pe măsură ce costurile lor scad, senzorii CCD devin instrumente esențiale pentru microscopiști și biologi, deși mulți utilizatori știu foarte puțin despre caracteristicile lor reale și metodele de operare. Oricine intenționează să cumpere unul, totuși, trebuie să înțeleagă elementele de bază ale tehnologiei pentru a ști ce tip se potrivește cel mai bine nevoilor sale.
un cip CCD este o serie de detectoare fotoelectrice construite pe o bază de siliciu folosind straturi de componente electrice, numite arhitectura, imprimate pe suprafață., Această structură împarte baza într-o rețea de compartimente separate, numite pixeli, care dețin sarcini electrice. Un pixel este descris de dimensiunea sa și de numărul de electroni pe care îi poate deține. Dimensiunea unui pixel variază de la aproximativ 6 la 25 µm, iar capacitatea, numită capacitate completă, variază de la aproximativ 10.000 la 500.000 de electroni.
cipul oferă o gamă bidimensională de fotodetectori care convertesc fotonii de intrare în semnale electrice. Aceste semnale sunt apoi trimise la un ecran în cazul în care acestea sunt reconvertite într-o imagine sau la un dispozitiv de stocare pentru reconversie viitoare., Acest proces de conversie și recreere depășește unele dintre limitările ochiului uman și transferă date fără a utiliza procese fotografice.
acest dispozitiv poate înregistra informații în afara domeniului viziunii umane-de la lungimi de undă cu raze X și UV prin vizibil până la IR apropiat. De asemenea, un CCD poate avea timpi de expunere extrem de scurți care pot opri mișcarea obiectelor și se poate integra pe perioade lungi pentru a acumula imagini pe care ochiul nu le poate detecta., Cu toate acestea, are o rezoluție mult mai mică decât ochiul la măriri egale, deoarece fiecare pixel este mai mare decât tijele și conurile ochiului, care sunt de aproximativ 1, 5 µm în zona în care ochiul are cea mai mare acuitate.
fiecare cip are caracteristici care sunt determinate de proiectarea și plasarea componentelor electrice ale arhitecturii cipului. Deoarece aceste componente sunt la suprafață, ele absorb lumina și reduc eficiența cu care dispozitivul convertește fotonii în electroni., Cipurile diferite prezintă caracteristici spectrale diferite — adică răspund la diferite lungimi de undă ale luminii cu eficiență diferită. De asemenea, prezintă diferite caracteristici de zgomot și viteze în transferul datelor din pixeli pe dispozitivul de afișare sau pe computer.
semnale analogice
metoda de obținere a datelor de la pixeli în dispozitivul de afișare poate fi analogică ca într-o cameră video standard sau digitală ca într-o interfață directă a computerului. Cipul în sine, totuși, produce un semnal analogic., Acest semnal, care este compus din încărcarea electronică asociată fiecărui pixel, trece printr-un amplificator și apoi este transmis fie unui alt dispozitiv analogic, cum ar fi un monitor video, fie unui convertor analog-digital, astfel încât să poată fi trimis la un computer.
un semnal analogic se conectează cu ușurință la multe dispozitive deja în majoritatea laboratoarelor, cum ar fi monitoarele video și VCR-urile. Cu toate acestea, semnalele analogice vin cu dezavantaje reale: cablurile Video și accesoriile au pierderi de semnal mai mari, iar standardele video limitează rezoluția, în special în direcția verticală.,
un semnal digital are pierderi zero în timpul transmisiei și numai dimensiunea memoriei computerului limitează rezoluția imaginii pe care o poate gestiona. Dezavantajul unui semnal digital este exact același cu avantajul său: spre deosebire de video, nu există o interfață standard. Prin urmare, fiecare detector necesită o interfață software dedicată pentru a transmite imaginea către computer. Odată ajuns în computer, acesta trebuie reconvertit în analog pentru afișarea pe monitorul computerului. Toate dispozitivele de afișare sunt analogice și sunt limitate la 256 de niveluri de gri, indiferent dacă camera este digitală sau nu.,
în sine, sensibilitatea brută, capacitatea unui detector de a înregistra prezența unui foton, nu este o măsură bună a capacității unei camere de a realiza o imagine de înaltă calitate. Mai important este combinația de proprietăți utilizate pentru a descrie un CCD. Aceste proprietăți produc cifra raportului semnal-zgomot care descrie capacitatea unui CCD de a diferenția între electronii produși de fotonii de intrare și electronii străini cauzați de factorii de zgomot.
o metodă pentru îmbunătățirea sensibilității globale a raportului semnal-zgomot al aproape oricărui cip CCD este răcirea acestuia., Răcirea reduce zgomotul întunecat (electronii creați de căldură, mai degrabă decât fotonii de intrare). Răcirea poate fi realizată folosind apă circulantă, gaze lichide sau un răcitor termoelectric, care este un tip de radiator electric care poate reduce temperatura cipului. Fiecare 8 °C de răcire reduce zgomotul întunecat la jumătate. Avantajele răcitorului termoelectric sunt că poate fi integrat în pachetul de camere CCD și nu necesită adăugări continue de materiale de răcire evaporate.,
când lumina lovește cipul
Lumina care cade pe un cip CCD creează o sarcină electrică în fiecare pixel direct legată de cantitatea de lumină care a căzut pe acel pixel. Într-un proces cunoscut sub numele de citire, informațiile de pe cip sunt convertite într-un semnal analogic. Readout transferă secvențial taxele din fiecare rând de pixeli, rând cu rând în ordine verticală, la rândul de pixeli din partea de sus sau de jos a cipului. Acest rând, numit rândul de citire, este blocat de lumină printr-o mască opacă. Transferul este de aproximativ 99, 999 la sută eficient și necesită doar câteva microsecunde pe rând., Microscopiștii folosesc în mod regulat camere CCD pentru a colecta imagini folosind o varietate de metode de îmbunătățire a contrastului. Contrastul de interferență diferențială (dreapta sus) dezvăluie detalii structurale fine într-o celulă pulmonară epitelială newt, în timp ce rodamina (dreapta jos) transformă filamentele structurale de actină în roșu, iar fluoroforul albastru, DAPI, (stânga) etichetează cromozomii celulei. Prin amabilitatea Ted Salmon, Universitatea din Carolina de Nord, Chapel Hill.
odată ajuns în rândul de citire, încărcările se desfășoară orizontal printr-un amplificator pentru a crea un semnal care reprezintă o linie orizontală în imagine., Secvența se repetă până când toate rândurile sunt transferate și întreaga imagine a fost citită. Pentru a accelera citirea, unele jetoane au mai mult de un rând de citire, numit mai multe robinete. Rândurile suplimentare necesită amplificatoare suplimentare care pot crește costurile și pot provoca diferite niveluri de gri în porțiuni ale imaginii.
lumina nu trebuie să ajungă la detector în timpul citirii sau va produce efecte similare avansării filmului într — o cameră în timp ce obturatorul este deschis-estomparea, umbrirea imaginii sau amestecarea imaginilor. Soluțiile la această problemă pot afecta adecvarea unui anumit CCD pentru o aplicație., Fiecare metodă are avantaje și dezavantaje.
metode de citire
cea mai obișnuită metodă de protecție a imaginii este un obturator mecanic, similar cu obloanele de pe o cameră obișnuită de film. Obturatorul se deschide pentru o anumită perioadă de timp și apoi se închide. Citirea are loc în timp ce obturatorul este închis. Cipurile concepute pentru acest tip de citire sunt de obicei numite cipuri de transfer cu cadru complet. Aproape toate camerele CCD folosesc această metodă și este posibilă imaginarea majorității obiectelor staționare atât la niveluri de lumină ridicată, cât și la niveluri scăzute cu acest tip de cameră.,
acest cip este, de asemenea, tipul principal disponibil pentru aplicații de înaltă rezoluție care necesită matrice de pixeli mai mari de 1000 × 1000. Eficiența sa îl face potrivit pentru aplicații de fluorescență cu lumină scăzută, dar necesită ca microscopul și metoda de montare să fie foarte stabile. Acest tip de cip este, în general, foarte bun la detectarea luminii roșii și infraroșii, deoarece este spectral mai sensibil la lungimile de undă mai lungi., Cu toate acestea, sensibilitatea redusă la lungimi de undă mai scurte necesită timpi de expunere destul de lungi, care limitează utilizarea sa pentru aplicații fluorescente, cum ar fi raportul de calciu și marcarea proteinelor fluorescente verzi. Deoarece majoritatea acestor dispozitive au o capacitate mare de sondă, ele sunt bune pentru detectarea modificărilor mici ale semnalelor luminoase sau pentru măsurarea schimbărilor subtile de intensitate.
răcirea unui cip CCD (dreapta) reduce contribuția zgomotului termic (stânga) la o imagine care altfel ar fi mai greu de citit (centru)., Fluorescența verde etichetează actina filamentoasă într-o celulă de rinichi de șobolan de cangur feminin colorată cu Faloidină Alexa 488. Prin amabilitatea Ted Salmon, Universitatea din Carolina de Nord, Chapel Hill.
O altă metodă, numită frame transfer, folosește un cip special cu două CCD-uri identice asociate; unul este expus la lumină, iar celălalt este în întregime mascat. Deoarece transferul rând cu rând este rapid în comparație cu citirea reală, al doilea cip oferă un loc pentru a stoca imaginea prin deplasarea rapidă de pe cipul expus și apoi citirea celui de-al doilea cip într-un ritm mai lent.,
FRAME-transfer CCD-urile au aproape aceleași aplicații ca și unitățile de transfer full-frame, dar pot funcționa la viteze mai mari. Pentru utilizatorii care au nevoie să achiziționeze perechi de imagini în secvență rapidă sau mai multe imagini ale unor zone care sunt mai mici decât suprafața completă a cipului, este posibil să transferați rapid subregiuni mici ale cipului expus în zona mascată (vezi binning și subarray). Acest lucru ar putea face posibilă capturarea rapidă a patru regiuni de 256 × 256 pixeli sau 16 regiuni de 128 × 128 pixeli pe un cip care are 1024 × 1024 pixeli pe cipul primar.,
O A treia metodă, numită transfer interline, alternează coloane de pixeli expuși cu coloane de pixeli mascați pentru a oferi stocare temporară la doar un pixel distanță de pixelii de imagine. Transferul unei imagini în porțiunea mascată necesită doar câteva microsecunde și toți pixelii de imagine au același timp de expunere.
sunt disponibile două tipuri de cipuri de transfer interline. Primul este un cip de transfer Interline intercalat, care este utilizat mai ales în camere video și camere video standard., Cel de-al doilea tip, cipul de transfer Interline cu scanare progresivă, este utilizat în principal în camere de înaltă rezoluție, cu rază dinamică ridicată, de tipul potrivit pentru imagistica biologică de înaltă rezoluție.
evoluțiile recente ale cipurilor interline au eliminat aproape problemele dispozitivelor interline mai vechi. Prima îmbunătățire este adăugarea de lentile on-chip care refractă fotonii care ar cădea în mod normal pe zonele mascate în pixelii de imagine. Aceasta crește zona activă la mai mult de 70%., O a doua dezvoltare, dispozitivul de acumulare a găurilor, a redus nivelurile de zgomot din cip, astfel încât, cu o răcire minimă, să fie eficient fără zgomot. Cu un zgomot atât de scăzut, dispozitivul poate imagina o gamă largă de intensități, cu un raport semnal-zgomot ridicat, de la o capacitate mai mică de sondă decât multe dintre cele mai vechi cipuri de transfer complet și de transfer de cadre.
aceste cipuri sunt mai sensibile la lungimi de undă mai scurte decât chips-uri full-frame-transfer sunt, în detrimentul performanței în regiunile roșii. Timpul de expunere al jetoanelor este suficient de rapid pentru a imagina obiecte în mișcare rapidă., Pentru brightfield și aplicații de contrast interferențe diferențiale, acestea oferă o funcționare rapidă și o bună acțiune de oprire pentru urmărirea particulelor și imagistica de asamblare microtubule.
aceste cipuri necesită mai puțină răcire și simplifică producerea de imagini bune în aplicații cu lumină scăzută. Le lipsește capacitatea mare de sondă necesară pentru a detecta mici modificări ale unui semnal luminos, de exemplu, atunci când imagistică coloranți sensibili la tensiune. Pe de altă parte, caracteristicile lor de zgomot foarte scăzute sunt utile pentru detectarea semnalelor mici pe un fundal întunecat., cele mai multe CCD-uri împărtășesc două capabilități care le fac foarte versatile pentru imagistica științifică: binning și subarray. Aceste proprietăți pot crește viteza de citire, pot reduce timpii de expunere sau pot reduce cantitatea totală de informații care trebuie transferate pe computer.
termenul binning se referă la gruparea electronilor într-un grup de pixeli vecini. Rezultatul este uneori numit superpixel și poate fi folosit pentru a scurta timpul de expunere și pentru a crește raportul semnal-zgomot la sacrificiul rezoluției spațiale., Deoarece produce mai puține date, crește viteza de transfer. Software-ul camerei controlează dimensiunea superpixelului, care poate include orice număr de pixeli în direcția orizontală sau verticală. În imagistică, este convenabil să se utilizeze numere egale în ambele direcții pentru a evita distorsiunile. În spectroscopie, efectuarea de numere verticale și orizontale inegale permite utilizatorului să profite de orientarea ieșirii unui monocromator.
termenul subarray se referă la utilizarea doar a unei porțiuni din suprafața totală CCD pentru a imagina o regiune mică a vizualizării complete., Acest lucru se realizează din cadrul controalelor software prin desenarea unei casete în jurul regiunii de interes din imagine pentru a specifica anumiți pixeli pe CCD. Nu modifică rezoluția zonei mai mici, dar reduce foarte mult cantitatea totală de date care trebuie citite și transferate și, prin urmare, crește viteza.
siliciul nu poate spune diferența dintre electronii produși de fotoni cu lungimi de undă diferite, deci sunt necesari pași suplimentari pentru a crea imagini color. Au fost concepute mai multe scheme pentru a realiza acest lucru.,
există două metode pentru a rezolva culori diferite pe un singur cip. Unul este de a aplica un filtru mozaic special compus dintr-un model alternativ de pete roșii/verzi/albastre sau cyan/magenta/galbene pe suprafața cipului. Aplicarea unei ecuații matematice la valorile gri ale fiecărui pixel recreează imaginea originală în culori reale. Aceste informații sunt codificate în semnalul video, iar dispozitivul de afișare sau grabber-ul cadrului reconstruiește imaginea.,
A doua metodă folosește o roată de filtru rotativă pentru a expune întregul cip secvențial la roșu, apoi verde, apoi albastru, cu citire care are loc între fiecare expunere. Aceasta generează trei imagini separate care trebuie reconstruite de un computer sau alt dispozitiv de memorie hardware.
O altă soluție este camera color cu trei cipuri care captează simultan o imagine roșie, albastră și verde pe fiecare dintre cele trei cipuri printr-un aranjament de prisme care acționează ca beamsplitters cromatice., Rezultatul este trei imagini separate, dar simultan achiziționate, care pot fi afișate pe un monitor video obișnuit sau trimise la un computer ca semnal RGB standard.
camera CCD sa dovedit utilă biologilor din laborator datorită versatilității și robusteții sale. În plus, sensibilitatea și ușurința de utilizare continuă să câștige distincțiile oamenilor de știință care ar prefera să petreacă timpul de laborator concentrându-se asupra științei decât asupra procesării filmului fotografic., Pe măsură ce producătorii de cipuri și companiile de camere continuă să dezvolte dispozitive mai bune cu rezoluții mai mari, camera CCD va continua să găsească o casă printre echipamentele de laborator.
parametrii să ia în considerare atunci când aleg o camera CCD
• Array size – numărul din fiecare rând orizontal de numărul din fiecare coloană verticală (de exemplu, 1024 x 1024). Un număr mai mare de pixeli este util fie pentru o rezoluție spațială mai bună (pentru a imagina detalii fine), fie pentru un câmp vizual mai mare.
* dimensiunea pixelilor – dimensiunea reală a fiecărui element de detectare a luminii dintr-o matrice, măsurată în microni orizontali cu microni verticali., Pixelii mai mari lucrează cu timpi de expunere mai scurți în detrimentul rezoluției, iar pixelii mai mici oferă o rezoluție spațială mai bună, dar necesită expuneri mai lungi.
• Interscene dynamic range – intervalul de valori de expunere de la cea mai strălucitoare lumină nivel posibil de a avea nici cea mai mică lumină nivelul la care detectorul poate produce un semnal, exprimată în lux sau fotoni pe centimetru pătrat pe secundă.
• zgomot întunecat-numărul de electroni pe care cipul îl produce la o temperatură dată când nu cade lumină pe el, exprimat în electroni la o temperatură declarată în grade celsius pe secundă.,
• zgomot de citire – numărul de electroni produși în timpul citirii care nu au legătură cu semnalul, exprimat în electroni.
* Viteza de citire – viteza cu care pixelii sunt citiți prin amplificator, exprimată ca pixeli pe secundă.
* eficiența cuantică – fracția acelor fotoni care lovesc detectorul care sunt convertiți în electroni, exprimată ca procent.
* capacitate completă – numărul maxim de electroni pe care un pixel îl poate deține. Numerele mai mari tind să crească intervalul dinamic într-o imagine și capacitatea de a discerne mici schimbări de semnal în semnale puternice.,
* interval dinamic Intrascen – gama de intensități posibile într-o singură imagine, calculată ca capacitate completă în electroni împărțită la zgomotul în electroni.
• analogic sau digital-forma de ieșire a datelor Camerei. Ieșirea de la camerele anterioare a fost întotdeauna analogică, dar majoritatea camerelor vin acum cu un convertor analog-digital încorporat. Gri-scară rezoluția de ieșire digitală depinde de numărul de biți a/D converter – 8 biți este egal cu 28, sau 256 niveluri de gri; 10 biți este egal cu 210, sau 1024 de niveluri de gri; până la 16 biți, care este 216, sau 65,535 nivele de gri.,
* Caracteristici spectrale – modul în care culoarea unui foton afectează răspunsul detectorului, exprimat ca un grafic al eficienței cuantice a sensibilității relative față de lungimea de undă, fără factori de zgomot incluși.,ILT, Colaboratori Dezvolta Reparații și Laser-Procesul de Acoperire pentru Componente Metalice, Feb 5, 2021
Leave a Reply