sedan deras uppfinning i slutet av 1960-talet har laddningskopplade enheter, även kallade CCDs, funnit utbredd användning i avbildningsapplikationer. Elektroniska kameror baserade på CCD-teknik används i applikationer från hemvideo till medicinsk bildbehandling till astronomi. CCD-kameror erbjuder flera fördelar jämfört med filmkameror: de kan anslutas direkt till en dator, kan vara mycket känsliga för låga ljusnivåer och deras bilder är omedelbart tillgängliga utan film eller mörkrumsbehandling.,
när deras kostnader kommer ner blir CCD-sensorer viktiga verktyg för mikroskopister och biologer, även om många användare vet mycket lite om deras faktiska egenskaper och driftsmetoder. Den som planerar att köpa en måste dock förstå grunderna i tekniken för att veta vilken typ som bäst passar hans eller hennes behov.
ett CCD-chip är en matris av fotoelektriska detektorer byggda på en kiselbas med hjälp av lager av elektriska komponenter, kallad arkitekturen, tryckt på ytan., Denna struktur delar basen i ett rutnät av separata fack, kallade pixlar, som håller elektriska laddningar. En pixel beskrivs av dess storlek och antalet elektroner den kan hålla. Storleken på en pixel varierar från ca 6 till 25 µm, och kapaciteten, kallad fullbrunnskapacitet, varierar från cirka 10 000 till 500 000 elektroner.
chipet ger en tvådimensionell matris av fotodetektorer som omvandlar inkommande fotoner till elektriska signaler. Dessa signaler skickas sedan till en skärm där de återkonverteras till en bild eller till en lagringsenhet för framtida omkonvertering., Denna omvandlings-och rekreationsprocess övervinner några av begränsningarna i det mänskliga ögat och överför data utan att använda fotografiska processer.
den här enheten kan spela in information utanför området för mänsklig syn — från röntgen-och UV-våglängder genom synliga till nära-IR. En CCD kan också ha extremt korta exponeringstider som kan sluta flytta objekt, och det kan integreras under långa perioder för att samla bilder som ögat inte kan upptäcka., Den har en mycket lägre upplösning än ögat vid lika förstoringar, eftersom varje pixel är större än ögats stavar och kottar, som är ca 1,5 µm i det område där ögat har sin högsta skärpa.
varje chip har egenskaper som bestäms av utformningen och placeringen av de elektriska komponenterna i chipets arkitektur. Eftersom dessa komponenter är på ytan absorberar de ljus och minskar effektiviteten med vilken enheten omvandlar fotoner till elektroner., Olika marker uppvisar olika spektrala egenskaper — det vill säga de svarar på olika våglängder av ljus med olika effektivitet. De uppvisar också olika brusegenskaper och hastigheter vid överföring av data i pixlarna till displayenheten eller datorn.
analoga signaler
metoden för att få in data från pixlarna i displayenheten kan vara antingen analog som i en vanlig videokamera eller digital som i ett direkt datorgränssnitt. Chipet själv producerar emellertid en analog signal., Denna signal, som består av elektronladdning associerad med varje pixel, passerar genom en förstärkare och överförs sedan antingen till en annan analog enhet som en videoskärm eller till en analog till digital omvandlare så att den kan skickas till en dator.
en analog signal ansluts enkelt till många enheter redan i de flesta laboratorier, såsom videomonitorer och videobandspelare. Analoga signaler kommer dock med verkliga nackdelar: videokablar och tillbehör har högre signalförluster och videostandarder begränsar upplösning, särskilt i vertikal riktning.,
en digital signal har nollförlust under överföringen, och endast storleken på datorns minne begränsar upplösningen på den bild den kan hantera. Nackdelen med en digital signal är exakt densamma som dess fördel: till skillnad från video finns det inget standardgränssnitt. Därför kräver varje detektor ett dedikerat programgränssnitt för att överföra bilden till datorn. En gång i datorn måste den återkonverteras till analog för visning på datorskärmen. Alla displayenheter är analoga och är begränsade till 256 nivåer av grått, oavsett om kameran är digital eller inte.,
i sig är rå känslighet, en detektores förmåga att registrera närvaron av en Foton, inte ett bra mått på kamerans förmåga att göra en högkvalitativ bild. Viktigare är kombinationen av egenskaper som används för att beskriva en CCD. Dessa egenskaper producerar signal-till-brusförhållande siffra som beskriver förmågan hos en CCD att skilja mellan de elektroner som produceras av inkommande fotoner och främmande elektroner som orsakas av buller faktorer.
en metod för att förbättra den totala signal-till-brusförhållande känsligheten hos nästan alla CCD-chip är att kyla den., Kylning minskar det mörka bruset (elektroner skapade av värme snarare än inkommande fotoner). Kylning kan åstadkommas med cirkulerande vatten, flytande gaser eller en termoelektrisk kylare, vilket är en typ av elektrisk kylfläns som kan minska chipets temperatur. Varje 8 ° C kylning minskar det mörka bruset med hälften. Fördelarna med den termoelektriska kylaren är att den kan integreras i CCD-kamerapaketet och det kräver inte kontinuerliga tillsatser av förångande kylmaterial.,
när ljuset träffar chipet
ljus som faller på ett CCD-chip skapar en elektrisk laddning i varje pixel direkt relaterad till mängden ljus som föll på den pixeln. I en process som kallas avläsning omvandlas information om chipet till en analog signal. Avläsning överför sekventiellt avgifterna i varje rad av pixlar, rad för rad i vertikal ordning, till raden av pixlar längst upp eller längst ner på chipet. Denna rad, kallad avläsningsraden, blockeras från ljuset av en ogenomskinlig mask. Överföringen är ca 99.999 procent effektiv och kräver endast ett fåtal mikrosekunder per rad.,
Mikroskopister använder regelbundet CCD-kameror för att samla in bilder med hjälp av olika kontrastförbättringsmetoder. Differentiell interferenskontrast (övre högra) avslöjar fina strukturella detaljer i en newt epitellungcell, medan rhodamin (nedre högra) vänder strukturella aktinfilament röda och den blå fluorophore, DAPI, (vänster) markerar cellens kromosomer. Tack vare Ted Salmon, University of North Carolina, Chapel Hill.
en gång i avläsningsraden fortsätter laddningarna horisontellt genom en förstärkare för att skapa en signal som representerar en horisontell linje i bilden., Sekvensen upprepas tills alla rader överförs och hela bilden har lästs ut. För att påskynda avläsningen har vissa marker mer än en avläsningsrad, kallad flera kranar. Extra rader kräver extra förstärkare som kan öka kostnaderna och kan orsaka olika grånivåer i delar av bilden.
ljuset får inte nå detektorn under avläsning eller det kommer att ge effekter som liknar att föra filmen i en kamera medan slutaren är öppen-oskärpa, bild skuggning eller blanda bilder. Lösningarna på detta problem kan påverka lämpligheten hos en viss CCD för en ansökan., Varje metod har fördelar och nackdelar.
Avläsningsmetoder
Den vanligaste metoden för att skydda bilden är en mekanisk slutare, som liknar fönsterluckor på en vanlig filmkamera. Slutaren öppnas för en viss tid och stängs sedan. Avläsning sker när slutaren är stängd. Chips avsedda för denna typ av avläsning kallas vanligtvis full-frame transfer chips. Nästan alla CCD-kameror använder den här metoden, och det är möjligt att avbilda de flesta stationära objekt i både höga och låga ljusnivåer med denna typ av kamera.,
detta chip är också den primära typen som är tillgänglig för högupplösta applikationer som kräver pixelmatriser större än 1000 × 1000. Dess effektivitet gör den lämplig för lågljusfluorescensapplikationer men det kräver att mikroskopet och monteringsmetoden är mycket stabila. Denna typ av chip är i allmänhet mycket bra på att upptäcka rött och infrarött ljus eftersom det är spektralt känsligare för längre våglängder., Den reducerade känsligheten för kortare våglängder kräver dock ganska långa exponeringstider som begränsar användningen för fluorescensapplikationer som kalcium ratioing och grön fluorescerande proteinmärkning. Eftersom de flesta av dessa enheter har stor fullbrunnskapacitet, är de bra för att upptäcka små förändringar i ljusa signaler eller för att mäta subtila förändringar i intensitet.
kylning av ett CCD-chip (höger) minskar det termiska brusbidraget (vänster) till en bild som annars skulle vara svårare att läsa (mitten)., Grön fluorescens etiketter filamentös aktin i en kvinnlig känguru råtta njure cell färgas med Alexa 488 Phalloidin. Tack vare Ted Salmon, University of North Carolina, Chapel Hill.
en annan metod, kallad ramöverföring, använder ett speciellt chip med två identiska CCDs parade upp; en utsätts för ljus och den andra är helt maskerad. Eftersom rad-för-rad-överföringen är snabb jämfört med den faktiska avläsningen, ger det andra chipet en plats att lagra bilden genom att flytta den snabbt från det exponerade chipet och sedan läsa ut det andra chipet i en långsammare takt.,
Frame-transfer CCDs har nästan samma program som full-frame-transfer enheter men kan arbeta med snabbare hastigheter. För användare som behöver skaffa par bilder i snabb följd eller flera bilder av områden som är mindre än hela området av chipet, är det möjligt att snabbt överföra små delregioner av det exponerade chipet till det maskerade området (se binning och subarray). Detta kan göra det möjligt att fånga fyra regioner av 256 × 256 pixlar eller 16 regioner av 128 × 128 pixlar snabbt på ett chip som har 1024 × 1024 pixlar på det primära chipet.,
en tredje metod, kallad Interline transfer, växlar kolumner med exponerade pixlar med kolumner med maskerade pixlar för att ge tillfällig lagring endast en pixel bort från bildpixlarna. Att överföra en bild till den maskerade delen kräver bara några mikrosekunder, och alla bildpixlar upplever samma exponeringstid.
Två typer av Interline transfer chips är tillgängliga. Den första är ett interlaced Interline transfer chip som används mest i vanliga videokameror och videokameror., Den andra typen, progressive scan interline transfer chip, används främst i högupplösta, high-dynamic-range kameror av den typ som är lämplig för högupplöst biologisk bildbehandling.
Den senaste utvecklingen i Interline chips har nästan eliminerat problemen med äldre interline-enheter. Den första förbättringen är tillägget av on-chip-linser som bryter mot fotonerna som normalt skulle falla på maskerade områden i bildpixlarna. Detta ökar det aktiva området till mer än 70 procent., En andra utveckling, hålackumuleringsanordningen, har minskat ljudnivån i chipet så att det med minimal kylning är effektivt brusfritt. Med så lågt brus kan enheten bilda ett brett spektrum av intensiteter med ett högt signal-till-brusförhållande från en mindre fullbrunnskapacitet än många av de äldre full-frame-överförings-och ramöverföringschiparna.
dessa marker är mer känsliga för kortare våglängder än full-frame-överföring chips är, på bekostnad av prestanda i de röda regionerna. Chipsens exponeringstider är tillräckligt snabba för att bilda snabbt rörliga objekt., För brightfield och differential interferenskontrastapplikationer erbjuder de snabb drift och bra stoppåtgärder för partikelspårning och mikrotubulmonteringsavbildning.
dessa marker kräver mindre kylning och gör det enklare att producera bra bilder i svagt ljus. De saknar den stora fullbrunnskapacitet som krävs för att upptäcka små förändringar i en ljus signal, till exempel vid avbildning spänningskänsliga färgämnen. Å andra sidan är deras mycket låga brusegenskaper användbara för att upptäcka små signaler mot en mörk bakgrund.,
Binning och subarray
de flesta CCDs delar två funktioner som gör dem mycket mångsidig för vetenskaplig avbildning: binning och subarray. Dessa egenskaper kan öka avläsningshastigheten, minska exponeringstiderna eller minska den totala mängden information som måste överföras till datorn.
termen binning hänvisar till sammanslagning av elektronerna i en grupp närliggande pixlar. Resultatet kallas ibland en superpixel, och det kan användas för att förkorta exponeringstiderna och öka signal-brusförhållandet vid offer för rumslig upplösning., Eftersom det ger färre data, det ökar överföringshastigheter. Kamerans programvara styr storleken på superpixeln, som kan innehålla valfritt antal pixlar i antingen horisontell eller vertikal riktning. Vid bildbehandling är det lämpligt att använda lika många i båda riktningarna för att undvika snedvridningar. I spektroskopi, vilket gör ojämlika vertikala och horisontella siffror tillåter användaren att dra nytta av orienteringen av en monokromators utgång.
termen subarray avser att endast använda en del av det totala CCD-området för att avbilda en liten del av hela vyn., Detta sker inifrån mjukvarukontrollerna genom att rita en ruta runt intresseområdet i bilden för att ange vissa pixlar på CCD. Det ändrar inte upplösningen av det mindre området, men det minskar kraftigt den totala mängden data som måste läsas ut och överföras och ökar därmed hastigheten.
kisel kan inte skilja mellan elektroner som produceras av fotoner av olika våglängder, så ytterligare steg behövs för att skapa färgbilder. Flera system har utformats för att uppnå detta.,
det finns två metoder för att lösa olika färger på ett enda chip. En är att applicera ett speciellt mosaikfilter bestående av ett alternerande mönster av antingen röda/gröna/blå eller cyan/magenta/gula fläckar på ytan av chipet. Tillämpa en matematisk ekvation till de grå värdena för varje pixel återskapar den ursprungliga verkliga färgbilden. Denna information är kodad i videosignalen, och displayenheten eller ram grabber rekonstruerar bilden.,
den andra metoden använder ett roterande filterhjul för att exponera hela chipet sekventiellt till rött, sedan grönt, sedan blått, med avläsning som inträffar mellan varje exponering. Detta genererar tre separata bilder som måste rekonstrueras av en dator eller annan maskinvaruminnesenhet.
en annan lösning är tre-chip färgkamera som samtidigt fångar en röd, en blå och en grön bild på var och en av tre marker genom ett arrangemang av prismor som fungerar som kromatiska beamsplitters., Resultatet är tre separata men samtidigt förvärvade bilder som kan visas på en vanlig videomonitor eller skickas till en dator som en vanlig RGB-signal.
CCD-kameran har visat sig vara användbar för biologer i laboratoriet på grund av dess mångsidighet och robusthet. Dessutom fortsätter dess känslighet och användarvänlighet att vinna utmärkelser av forskare som hellre skulle spendera laboratorie tid med att koncentrera sig på vetenskap än på att bearbeta fotografisk film., Eftersom chiptillverkare och kameraföretag fortsätter att utveckla bättre enheter med högre upplösningar, fortsätter CCD-kameran att hitta ett hem bland laboratorieutrustning.
parametrar att tänka på när du väljer en CCD-kamera
• Array storlek-numret i varje horisontell rad med numret i varje vertikal kolumn (t.ex. 1024 x 1024). Ett större antal pixlar är användbart för antingen bättre rumslig upplösning (till bild fina detaljer) eller ett större synfält.
• pixelstorlek – den faktiska storleken på varje ljusdetekterande element i en array, mätt i horisontella mikron med vertikala mikron., Större pixlar arbetar med kortare exponeringstider på bekostnad av upplösning, och mindre pixlar ger bättre rumslig upplösning men kräver längre exponeringar.
• interscene dynamic range – intervallet av totala exponeringsvärden från den ljusaste ljusnivån möjligt till den dimaste ljusnivån där detektorn kan producera en signal, uttryckt i lux eller fotoner per kvadratcentimeter per sekund.
• mörkt brus – antalet elektroner som chipet producerar vid en given temperatur när inget ljus faller på det, uttryckt i elektroner vid en angiven temperatur i grader celsius per sekund.,r• * Avläsningsbrus-antalet elektroner som produceras under avläsning som inte är relaterade till signalen, uttryckt i elektroner.
• Avläsningshastighet – hastigheten vid vilken pixlarna läses ut genom förstärkaren, uttryckt som pixlar per sekund.
• Kvanteffektivitet-fraktionen av de fotoner som träffar detektorn som omvandlas till elektroner, uttryckt i procent.
• Full kapacitet – det maximala antalet elektroner en pixel kan hålla. Större antal tenderar att öka det dynamiska området inom en bild och förmågan att urskilja små signalförändringar i starka signaler.,
• Intrascene dynamic range – intervallet av möjliga intensiteter inom en enda bild, beräknad som full-well kapacitet i elektroner dividerat med bruset i elektroner.
• Analog eller digital – formen av kamerans datautgång. Utgången från tidigare kameror var alltid analog, men de flesta kameror kommer nu med en analog-till-digital omvandlare inbyggd. Den gråskaliga upplösningen för den digitala utgången beror på antalet bitar i A/D – omvandlaren-8 bitar är lika med 28 eller 256 grånivåer; 10 bitar är lika med 210 eller 1024 grånivåer; upp till 16 bitar, vilket är 216 eller 65.535 grånivåer.,
• spektrala egenskaper – hur färgen på en foton påverkar detektorns svar, uttryckt som ett diagram över antingen kvanteffektivitet av relativ känslighet mot våglängd, utan att några ljudfaktorer ingår.,ILT, medarbetare utvecklar reparations-och Laserbeläggningsprocessen för metallkomponenter Feb 5, 2021
Leave a Reply