顯微鏡攝像頭CCD,教你如何正確的選擇顯微鏡攝像頭

2016-03-16技術資料

  自從美國科學家威拉德.博伊爾和喬治.史密斯於1969年發明了半導體集成電路成像技術,CCD 感應器。 CCD 數碼成像對攝影產生了革命性的影響。在感光膠片之外,人們可以通過電子電路捕捉圖像,這些以數字形式存在的圖像更加易於處理和分發。數字圖像已經成為許多研究領域中不可替代的重要工具。

  數碼成像技術應用到顯微鏡上,以替代以往的膠卷拍攝,現在已經廣泛應用了。以前向日葵软件下载色板用膠卷來進行顯微拍攝,要等一卷拍完,衝洗出來才能確定拍攝的圖像是否清晰,如果拍攝的圖像不理想,而顯微觀察的樣品又失效了,就需要重新製作樣品,給研究工作帶來很大的不便,而現在使用顯微鏡攝像頭來拍攝顯微圖像,所見即所得,當時就是保存處理,甚至統計分析,極大的提高了工作效率。

                                

                                  顯微鏡攝像頭CCD 

二、顯微鏡攝像頭的組成

  顯微鏡攝像頭包括 CCD / CMOS 專業相機,圖像采集處理軟件,顯微鏡接口,數據傳輸線等,其中最核心的設備是 CCD 和 CMOS 圖像傳感器,前者由光電耦合器件構成,後者由金屬氧化物器件構成。兩者都是光電二極管結構感受入射光並轉換為電信號,主要區別在於讀出信號所用的方法。

  CCD (Charge Coupled Device ,感光耦合組件)上感光組件的表麵具有儲存電荷的能力,並以矩陣的方式排列。當其表麵感受到光線時,會將電荷反應在組件上,整個 CCD 上的所有感光組件所產生的信號,就構成了一個完整的畫麵。 CCD的結構分三層 ,第一層“微型鏡頭”“ON-CHIP MICRO LENS”,這是為了有效提升 CCD 的總像素,又要確保單一像素持續縮小以維持 CCD的標準麵積,在每一感光二極管上(單一像素)裝置微小鏡片。 CCD 的第二層是“分色濾色片”,目前有兩種分色方式,一是RGB原色分色法,另一個則是CMYG補色分色法。原色 CCD 的優勢在於畫質銳利,色彩真實,但缺點則是噪聲問題。第三層:感光層,這層主要是負責將穿過濾色層的光源轉換成電子信號,並將信號傳送到影像處理芯片,將影像還原。

  數碼成像的核心器件除 CCD ,現在越來越多的使用 CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor,互補性氧化金屬半導體, CMOS 和 CCD 一樣同在數碼相機中可記錄光線變化的半導體。 CMOS 傳感器中每一個感光元件都直接整合了放大器和模數轉換邏輯,當感光二極管接受光照、產生模擬的電信號之後,電信號首先被該感光元件中的放大器放大,然後直接轉換成對應的數字信號。 CMOS 的優勢在於成本低,耗電需求少,便於製造, 可以與影像處理電路同處於一個芯片上,缺點是較容易出現雜點。

三 顯微鏡攝像頭相關參數

  對 CCD / CMOS 數碼成像係統的結構和原理有了一個基本了解後,向日葵秋葵app安卓下载再對成像係統的一些基本參數作一個說明。在實際應用中,很多用戶對像素多少很敏感,一上來就提到我要多少萬像素的成像係統,其實在專業成像應用中,像素多少隻是影響成像的一個因素,還有其他很多指標,包括分辨率,感光器件大小,動態範圍,靈敏度,量子效率,信噪比等。

  感光器件的麵積大小是衡量顯微鏡攝像頭質量的一個重要指標,感光器件的麵積越大,捕獲的光子越多,感光性能越好,信噪比越低。當前數碼成像係統中較常應用的感光器件規格如下:1英寸(靶麵尺寸為寬12.7mm*高9.6mm,對角線16mm),2/3英寸, 1/2英寸,1/3英寸,另外有時也用到1/1.8英寸,1/2.5英寸的 CCD / CMOS 感光器件。

  像素是 CCD / CMOS 能分辨的最小的感光元件,顯微鏡攝像頭的像素由低到高有:45萬左右,140萬左右,200萬左右,300萬左右,500萬左右,900萬像素,甚至還有更高的達到2000萬像素以上。一般來說,像素越高,圖像分辨率越高,成像也就越清晰,但有時候圖像分辨率達到一定程度後,就不是影響成像質量的主要指標了。比如圖像分辨率高,噪聲也很高時,成像質量也不會很好。暗電流是導致 CCD 噪音的很重要的因素。暗電流指在沒有曝光的情況下,在一定的時間內, CCD 傳感器中像素產生的電荷。向日葵软件下载色板在做熒光拍攝的時候,需要的曝光的時候比較長,這樣導致 CCD 產生較多的暗電流,對圖像的質量影響非常大。通常情況下通過降低 CCD 的溫度來最大限度的減少暗電流對成像的影響。Peltier製冷技術一般可將 CCD 溫度降低5-30°C,在長時間拍攝或一次曝光超過5-10秒, CCD 芯片會發熱,沒有致冷設備的芯片,“熱”或者白的像素點就會遮蓋圖像,圖像會出向明顯的雪花點。 CCD 結構設計、數字化的方法等都會影響噪音的產生。當然通過改善結構、優化方法,同樣能減少噪音的產生。顯微熒光或其他弱光的拍攝對 CCD 噪音的降低要求很高,應選用高分辨率數字冷卻 CCD 成像係統,使其能夠捕獲到信號極其微弱的熒光樣品圖像,並且能夠最大程度的降低噪音,減少背景,提供出色的圖像清晰度。所以一般在熒光及弱光觀察時需要選擇製冷 CCD 。

  在顯微數碼成像過程中,對於熒光及弱光的拍攝,除了製冷降低熱噪聲外,還可使用 BINNING技術提高圖像的靈敏度,BINNING像素合並是一種非常有用的功能,它可被用來提高像素的大小和靈敏度,比如攝像頭像素大小為5u,當經過2x2合並後,像素大小為10u,3X3合並後,像素大小為15u, 這是圖像的整體像素變少了,但成像的靈敏度可提高9倍。

  動態範圍表示在一個圖像中最亮與最暗的比值。12bit表示從最暗到最亮等分為212=4096個級別,16bit即分為216個級別,可見bit值越高能分出的細微差別越大,一般 CMOS 成像係統動態範圍具有8-10bit, CCD 以10-12bit為主,少部分可達16bit。對動態範圍進行量化需要一個運算公式,即動態範圍值 = 20 log (well depth/read noise),動態範圍的值越高成像係統的性能就越好。

  量子效率也稱像素靈敏度,指在一定的曝光量下,像素勢阱中所積累的電荷數與入射到像素表麵上的光子數之比。不同結構的 CCD 其量子效率差異很大。比如100光子中積累到像素勢阱中的電荷數是50個,則量子效率為50%(100 photons = 50 electrons means 50% efficiency)。值得注意的是 CCD 的量子效率與入射光的波長有關。

  對顯微鏡攝像頭的參數有了整體認識後,在實際應用中選擇合適型號的產品就比較容易了。高分辨率顯微數碼成像技術在國外已有二十來年的發展曆史,產品目前已比較成熟。國外的專業數碼產品有多個品牌,比較著名的有德國的ProgRes,美國Roper Scientific的係列產品,另外OLYMPUS、NIKON、LEICA、ZEISS等顯微鏡廠家也有一些配套的專業數碼成像係統 。其中CCD成像係統主要采用SONY及KODRA公司的芯片,因此相關產品性能差別不是很大。

  顯微鏡攝像頭一般都是在電腦上預覽與保存,因此需要配套的相應的圖像采集及處理軟件,這方麵國內由於知識產權保護等原因,很多公司對軟件的開發重視程度不夠,認為硬件開發出來就萬事大吉了,結果很多國產的成像係統的控製調節不方便,功能有限,需要專業的操作人員才能得到好的圖象,影響了市場的普及推廣,不過最近兩年這種情況有了明顯的改進。