На каждом этапе переключения напряжение, приходящееся на заднюю часть зарядовый пакет становится положительным, в то время как электроносодержащая яма сделан отрицательным или установлен на ноль (земля), заставляя накопленные электроны для перехода к следующему этапу.Вместо того, чтобы использовать резкое напряжение переходов в тактовой последовательности, приложенное напряжение изменяется на смежные фазы являются постепенными и перекрываются, чтобы обеспечить максимальную эффективная передача заряда. Переход к фазе 2 осуществляется прикладывая положительный потенциал к воротам фазы 2, распространяя накопленный заряд между скважинами фазы 1 и фазы 2, и когда потенциал фазы 1 возвращается на землю, весь пакет заряда принудительно переходит в фазу 2. Аналогичная последовательность синхронизированных переходов напряжения, под управлением часов параллельного регистра сдвига, используется для сдвига заряд от фазы 2 до фазы 3, и процесс продолжается до тех пор, пока полный сдвиг на один пиксель был завершен.Одни трехфазные часы цикл, примененный ко всему параллельному регистру, приводит к получению единственной строки сдвиг всего массива. Важный фактор при трехфазном переходе в том, что между соседними пикселями всегда поддерживается потенциальный барьер. зарядовых пакетов, что обеспечивает взаимно однозначное пространственное соответствие между датчиком и пикселями дисплея, которые должны сохраняться на всем изображении последовательность захвата.

Рисунок 6 иллюстрирует последовательность операций, только что описанных для передача заряда в трехфазной ПЗС-матрице, а также последовательность тактирования для импульсов возбуждения, подаваемых синхронизатором параллельного регистра сдвига на совершить перевод.На этой схематической визуализации пикселя заряд изображен перемещающимся слева направо по тактовому сигналу сигналы, которые одновременно уменьшают напряжение на положительно смещенный электрод (определяющий потенциальную яму) и увеличив его на электроде справа ( рисунки 6 (а) и 6 (б) ). В последнем из три ступени ( Рисунок 6 (c) ), заряд был полностью передан от одного электрода затвора к другому. Обратите внимание, что рост и падение фазы тактовых импульсов синхронизируются с небольшим перекрытием (не показано) для более эффективного переноса заряда и минимизировать возможность потери заряда во время смены.

При каждой полной параллельной передаче заряжаются пакеты от всего ряд пикселей перемещаются в регистр последовательного порта, где они могут быть последовательно смещается в сторону выходного усилителя, как показано на аналогия с ковшовой бригадой ( Рисунок 5 (c) ). Эта горизонтальная (последовательная) передача использует тот же трехфазный механизм связи заряда, что и вертикальный сдвиг строк, при этом управление синхронизацией обеспечивается сигналами от часы последовательного регистра сдвига. После того, как все пиксели перенесены из регистр последовательного интерфейса для считывания, часы параллельного регистра обеспечивают временные сигналы для смещения следующего ряда захваченных фотоэлектронов в регистр серийных номеров.Каждый пакет начислений в регистре серийного номера доставляется в выходной узел ПЗС, где он обнаруживается и считывается выходной усилитель (иногда называемый встроенным предусилителем) который преобразует заряд в пропорциональное напряжение. Напряжение выход усилителя представляет величину сигнала, производимого последовательные фотодиоды, считываемые последовательно слева направо в каждый ряд и от верхнего ряда к низу по всей двумерный массив. Выходной сигнал ПЗС на этом этапе, следовательно, является аналоговый сигнал напряжения, эквивалентный растровому сканированию накопленного заряда по поверхности изображения устройства.

После того, как выходной усилитель выполняет свою функцию увеличения зарядного пакета и преобразовав его в пропорциональное напряжение, сигнал передается на аналого-цифровой преобразователь ( ADC ), который преобразует значение напряжения в 0 и 1 двоичный код, необходимый для интерпретации компьютером. Каждый пиксель присваивается цифровое значение, соответствующее амплитуде сигнала, с шагом размер в соответствии с разрешением или битовой глубиной АЦП.Для Например, АЦП с 12-битным разрешением присваивает каждому пикселю значение от 0 до 4095, что соответствует 4096 возможным уровням серого изображения (2 в 12 степени равно 4096 шагам дигитайзера). Каждый уровень серого шаг называется аналого-цифровым блоком ( ADU ).

Технологическая сложность современных систем формирования изображений на основе ПЗС замечательно, учитывая большое количество операций, необходимых для захватить цифровое изображение, а также точность и скорость, с которой процесс завершен.Последовательность событий, необходимая для захвата одиночное изображение с полнокадровой системы камеры CCD можно резюмировать как следует:

• Затвор камеры открывается для начала накопления фотоэлектронов, с соответствующими электродами затвора, смещенными для сбора заряда.
• В конце периода интеграции заслонка закрывается и накопленный заряд в пикселях смещается строка за строкой по параллельному регистрируются под управлением тактовых сигналов от электроники камеры.Ряды пакетов зарядов передаются последовательно с одного края параллельный регистр в регистр последовательного сдвига.
• Передается содержимое заряда пикселей в последовательном регистре по одному пикселю за раз в выходной узел для считывания встроенным чипом усилитель, который усиливает электронный сигнал и преобразует его в аналоговый выход напряжения.
• АЦП назначает цифровое значение каждому пикселю в соответствии с его амплитудой напряжения.
• Каждое значение пикселя сохраняется в памяти компьютера или в буфере кадров камеры.
• Процесс последовательного считывания повторяется до тех пор, пока все строки пикселей очищается параллельный регистр, который обычно составляет 1000 или более строк для камер высокого разрешения.
• Полный файл изображения в памяти, размер которого может составлять несколько мегабайт. по размеру, отображается в подходящем формате на мониторе компьютера для визуальная оценка.
• ПЗС очищается от остаточного заряда перед следующей экспозицией путем выполнения полного цикла считывания, за исключением этапа оцифровки.

Несмотря на большое количество выполняемых операций, более одного миллиона пикселей может быть передано через чип, присвоено значение шкалы серого с 12-битным разрешением, сохранено в памяти компьютера и отображено менее чем за одну секунду.Типичное общее время, необходимое для считывания и отображения изображения, составляет примерно 0,5 секунды для 1-мегапиксельной камеры, работающей со скоростью оцифровки 5 МГц. Эффективность переноса заряда также может быть чрезвычайно высокой для охлаждаемых ПЗС-камер с минимальной потерей заряда, даже при тысячах переносов, требуемых для пикселей в областях матрицы, наиболее удаленных от выходного усилителя.

Архитектура датчика изображения CCD

Три основных варианта архитектуры CCD обычно используются для систем формирования изображений: полнокадровый , кадровая передача и построчная передача (см. Рисунок 7 ).Полнокадровая ПЗС-матрица, о которой говорилось в предыдущем описание процедуры считывания, имеет преимущество почти 100 процентов его поверхности светочувствительны, практически нет мертвых пространство между пикселями. Поверхность изображения необходимо защищать от падающий свет во время считывания ПЗС, и по этой причине электромеханический затвор обычно используется для управления экспозицией. Заряд, накопленный при открытой заслонке, впоследствии переносится и считываются после того, как ставня закрыта, и поскольку два шага не может происходить одновременно, частота кадров изображения ограничена скорость механического затвора, скорость переноса заряда и шаги считывания.Хотя полнокадровые устройства имеют самую большую светочувствительную область Типы ПЗС-матриц, они наиболее полезны с образцами, имеющими высокое качество изображения внутри сцены. динамический диапазон, а также в приложениях, не требующих разрешения по времени менее примерно одной секунды. При работе в режиме подмассива (в котором считывается уменьшенная часть полного массива пикселей) в чтобы ускорить считывание, на порядка 10 кадров в секунду, ограничено механическим затвором.

с кадровой передачей могут работать с более высокой частотой кадров, чем полнокадровые устройств, потому что экспонирование и считывание могут происходить одновременно с различная степень совпадения по срокам. Они похожи на полнокадровые устройств в составе параллельного регистра, но половина прямоугольная матрица пикселей покрыта непрозрачной маской и используется в качестве буфер для хранения фотоэлектронов, собранных немаскированными светочувствительная часть. После экспонирования изображения накопился заряд в светочувствительных пикселях быстро смещается в пиксели на хранилище стороне микросхемы, обычно в пределах примерно 1 миллисекунды.Поскольку пиксели памяти защищены от воздействия света алюминиевое или аналогичное непрозрачное покрытие, накопивший заряд в этой части датчик может систематически считываться с более медленной и более эффективной скоростью в то время как следующее изображение одновременно экспонируется на светочувствительная сторона чипа. Затвор камеры не нужен потому что время, необходимое для передачи заряда от области изображения к площадь хранения чипа составляет лишь часть времени, необходимого для типичная экспозиция.Поскольку камеры, использующие ПЗС-матрицы с кадровой передачей, могут быть работает непрерывно с высокой частотой кадров без механической опалубки, они подходят для исследования быстрых кинетических процессов методами таких как отображение соотношения красителей, в котором высокое пространственное разрешение и динамические диапазон важны. Недостатком этого типа датчика является то, что только половина площади поверхности ПЗС-матрицы используется для построения изображений, и следовательно, требуется гораздо больший чип, чем для полнокадрового устройство с массивом изображений эквивалентного размера, что увеличивает стоимость и наложение ограничений на физическую конструкцию камеры.

В конструкции ПЗС с построчным переносом столбцы активной визуализации пиксели и пиксели замаскированного хранения-передачи чередуются по всей массив параллельных регистров. Поскольку канал передачи заряда расположен непосредственно рядом с каждым столбцом светочувствительных пикселей, накопленный заряд должен быть перемещен только на один столбец в канал передачи. Этот сингл шаг передачи может быть выполнен менее чем за 1 миллисекунду, после чего массив хранения считывается серией параллельных сдвигов в последовательный регистр, пока массив изображений выставляется для следующего изображение.Архитектура межстрочного переноса позволяет очень быстро периоды интеграции благодаря электронному контролю интервалов экспозиции, а вместо механического затвора можно отрендерить массив эффективно нечувствителен к свету, отбрасывая накопленный заряд, а чем перекладывать на каналы передачи. Хотя интерлайн-перевод датчики позволяют считывать скорость видео и получать высококачественные изображения ярких освещенные предметы, основные формы более ранних устройств пострадали от уменьшены динамический диапазон, разрешение и чувствительность из-за того, что примерно 75 процентов поверхности ПЗС занимает каналы хранения-передачи.

Хотя более ранние ПЗС-матрицы с построчным переносом, например, используемые в видео видеокамеры, обеспечивающие высокую скорость считывания и высокую частоту кадров без необходимость жалюзи, они не обеспечивали адекватной производительности для приложения с высоким разрешением в условиях низкой освещенности в микроскопии. В добавление к снижение светочувствительности, связанное с переменным столбцы изображений и областей хранения-передачи, высокая скорость считывания светодиода к более высокому шуму чтения камеры и уменьшенному динамическому диапазону в более ранних формирователи изображений с межстрочным переносом.Улучшения в конструкции сенсора и камеры электроника полностью изменила ситуацию до такой степени, что современные устройства Interline обеспечивают превосходную производительность для цифровых камеры для микроскопии, в том числе те, которые используются в условиях слабого освещения, например как запись малых концентраций флуоресцентных молекул. Приверженец микролинзы , выровнен на поверхности ПЗС, чтобы покрыть пары пикселей изображения и хранилища, собрать свет, который обычно теряется на замаскированных пикселях, и сфокусироваться это на светочувствительных пикселях (см. Рисунок 8 ).Объединив небольшие размер пикселя с технологией микролинз, межстрочные датчики способны обеспечение пространственного разрешения и сопоставимой эффективности сбора света на ПЗС-матрицы с полнокадровым и покадровым переносом. Эффективный светочувствительный площадь межстрочных датчиков, использующих микролинзы на кристалле, увеличена до 75-90 процентов площади поверхности.

Дополнительное преимущество включения микролинз в ПЗС-матрицу структура состоит в том, что спектральная чувствительность датчика может быть расширена в синюю и ультрафиолетовую области длин волн, обеспечивая улучшенное утилита для более коротковолновых приложений, таких как популярные методы флуоресценции с использованием зеленого флуоресцентного белка ( GFP ) и красители, возбуждаемые ультрафиолетом.Чтобы увеличить квантовую эффективность в видимом спектре, новейшие высокопроизводительные чипы включают конструкции затвора из таких материалов, как индий-олово оксида, который имеет гораздо более высокую прозрачность в сине-зеленом спектральном область. Такие непоглощающие структуры затворов приводят к квантовой эффективности значения приближаются к 80 процентам для зеленого света.

Предыдущее ограничение уменьшенного динамического диапазона для межстрочного переноса ПЗС-матрицы в значительной степени преодолены за счет усовершенствованной электронной технологии, которая снизил шум чтения камеры примерно наполовину.Поскольку активная пиксельная площадь межстрочных ПЗС-матриц составляет примерно треть от сопоставимые полнокадровые устройства, полная емкость скважины (функция область пикселей) уменьшается аналогично. Ранее этот фактор в совокупности с относительно высоким уровнем шума чтения камеры, что привело к недостаточному сигналу динамический диапазон для поддержки более чем 8- или 10-битной оцифровки. Высокопроизводительные межстрочные камеры теперь работают со значениями шума считывания как низкий от 4 до 6 электронов, что обеспечивает динамический диапазон эквивалентно 12-битным камерам, использующим полнокадровые ПЗС-матрицы.Дополнительные улучшения в факторах дизайна микросхемы, таких как схемы тактирования, и в электронике камеры, позволили увеличить скорость считывания. ПЗС-матрицы с построчным переносом теперь позволяют обрабатывать 12-битные мегапиксельные изображения. регистрируется на частоте 20 мегагерц, что примерно в 4 раза превышает скорость полнокадровые камеры с сопоставимыми размерами массивов. Прочие технологические улучшения, в том числе модификации состава полупроводников, включены в некоторые ПЗС-матрицы с построчным переносом для улучшения квантовых эффективность в ближней инфракрасной части спектра.

Характеристики изображения ПЗС-детектора

Несколько рабочих параметров камеры, которые изменяют этап считывания при получении изображения, влияют на качество изображения. Скорость считывания большинства ПЗС-камер научного уровня можно регулировать, и обычно колеблется от примерно 0,1 МГц до 10 или 20 МГц. Максимум достижимая скорость зависит от скорости обработки АЦП и другая электроника камеры, которая отражает время, необходимое для оцифровки один пиксель.Приложения, предназначенные для отслеживания быстрых кинетических процессов требуется быстрое считывание и частота кадров для достижения адекватной временное разрешение и, в некоторых случаях, скорость видео 30 необходимо количество кадров в секунду или выше. К сожалению, из различных компоненты шума, которые всегда присутствуют в электронном изображении, считываются шум является основным источником, а высокая скорость считывания увеличивает шум уровень. Если самое высокое временное разрешение не требуется, лучше изображения образцов, которые дают низкие значения интенсивности пикселей, могут быть получается при более низкой скорости считывания, что минимизирует шум и поддерживает адекватное соотношение сигнал / шум.Когда динамические процессы требуют быстрых частоты кадров изображения, нормальная последовательность считывания ПЗС может быть изменена на уменьшить количество обрабатываемых пакетов заряда, что позволяет осуществлять сбор данных в некоторых случаях скорость составляет сотни кадров в секунду. Это увеличило частота кадров может быть достигнута путем объединения пикселей во время считывания ПЗС и / или считывая только часть детекторной матрицы, как описано ниже.

Программное обеспечение для получения изображений большинства систем CCD-камер, используемых в оптическая микроскопия позволяет пользователю определять меньшее подмножество, или подмассив , , всего массива пикселей, предназначенного для захвата изображения и отображать.Выбрав уменьшенную часть поля изображения для обработки, невыделенные пиксели отбрасываются без оцифровки АЦП, соответственно увеличивается скорость считывания. В зависимости от используемое программное обеспечение для управления камерой, подматрица может быть выбрана из предварительно определенные размеры массива или интерактивно обозначенные как интересующая область с помощью компьютерной мыши и монитора. Считывание подмассивов метод обычно используется для получения последовательностей покадровой съемки. images, чтобы создавать файлы изображений меньшего размера и с большей степенью управляемости.

Накопленные пакеты заряда от соседних пикселей в матрице ПЗС могут быть объединены во время считывания, чтобы сформировать уменьшенное количество суперпикселей . Этот процесс называется биннингом пикселей , и выполняется в параллельном регистре путем тактирования двух или более строк переходит в регистр последовательного порта перед выполнением последовательного сдвига и последовательность считывания. Процесс биннинга обычно повторяется в серийном регистрировать, синхронизируя несколько сдвигов в узле считывания перед заряд считывается выходным усилителем.Любая комбинация параллельных и последовательные смены можно комбинировать, но обычно это симметричная матрица пиксели объединяются, чтобы сформировать каждый отдельный суперпиксель (см. Рисунок 9) . В качестве пример, 3 x 3 биннинг выполняется путем первоначального выполнения 3 параллельных сдвига строк в последовательный регистр (до последовательного передачи), после чего каждый пиксель в последовательном регистре содержит комбинированный заряд от 3 пикселей, которые были соседями в соседнем параллельные ряды. Впоследствии 3 этапа последовательной смены выполняются в выходной узел до измерения заряда.Итоговый заряд пакет обрабатывается как один пиксель, но содержит объединенные фотоэлектронное содержание 9 физических пикселей (суперпиксель 3 x 3). Хотя бининг снижает пространственное разрешение, процедура часто позволяет получение изображения в условиях, которые делают невозможным получение изображений с нормальное считывание ПЗС. Это позволяет увеличить частоту кадров для последовательностей изображений, если скорость сбора данных ограничена циклом чтения камеры, а также обеспечение улучшенного отношения сигнал / шум для эквивалентного времени экспозиции.Дополнительные преимущества включают более короткое время выдержки для получения одинаковая яркость изображения (очень важно для визуализации живых клеток) и меньшие размеры файлов изображений, что снижает требования к памяти компьютера и ускоряет обработку изображений.

Фактор захвата третьей камерой, который может повлиять на качество изображения. поскольку он изменяет процесс считывания ПЗС, электронный коэффициент усиления системы камеры. Регулировка усиления цифровой камеры CCD система определяет количество накопленных фотоэлектронов, определяющих каждый шаг уровня серого распознается электроникой считывания, и обычно применяется на этапе аналого-цифрового преобразования.Увеличение в электронном усилении соответствует уменьшению количества фотоэлектроны, которые назначаются на уровень серого (электроны / ADU), и позволяет разделить данный уровень сигнала на большее количество серых ступени уровня. Обратите внимание, что это отличается от настроек усиления, применяемых к фотоэлектронные умножители или трубки видикона, в которых изменяющийся сигнал усиливается фиксированным коэффициентом умножения. Хотя электронное усиление регулировка действительно обеспечивает метод расширения ограниченной амплитуды сигнала до желаемое большое количество уровней серого, если оно используется чрезмерно, небольшое количество электронов, различающих соседние уровни серого, может привести к к ошибкам оцифровки.Настройки высокого усиления могут привести к появлению шума из-за неточная оцифровка, которая проявляется в виде зернистости в финальном изображение. Если желательно сокращение времени воздействия, увеличение электронное усиление позволит поддерживать фиксированное большое количество серого шага шкалы, несмотря на пониженный уровень сигнала, при условии, что примененное усиление не приводит к чрезмерному ухудшению качества изображения. Как пример влияния различных коэффициентов усиления на постоянную уровень сигнала, начальная настройка усиления, которая назначает 8 электронов на ADU (уровень серого) означает, что сигнал пикселя, состоящий из 8000 электронов будет отображаться на 1000 уровнях серого.Увеличивая прирост за счет применение коэффициента усиления 4x к базовой настройке, количество электронов на уровень серого снижается до 2 (2 электрона / ADU) и 4000 Уровни серого выделяются электроникой оцифровки.

Качество цифрового изображения можно оценить по четырем количественным критерии, которые частично определяются конструкцией ПЗС, но которые также отражают реализацию ранее описанной работы камеры переменные, которые напрямую влияют на качество изображения ПЗС-матрицы детектор.Основные критерии качества изображения и их влияние: резюмируется следующим образом:

• Пространственное разрешение: Определяет возможность захвата мелких деталей образца без видимых пикселей на изображении.
• Разрешение яркости света: Определяет динамический диапазон или количество уровней серого, которые можно различить на отображаемом изображении.
• Разрешение по времени: Частота выборки (кадров) определяет способность отслеживать движение живого образца или быстрые кинетические процессы.
• Отношение сигнал / шум: Определяет видимость и четкость сигналов образца относительно фона изображения.

В микроскопической визуализации не все важные изображения критерии качества можно одновременно оптимизировать в одном изображении или последовательность изображений. Получение лучших изображений в рамках ограничений налагается конкретным образцом или экспериментом, как правило, требует компромисс между перечисленными критериями, которые часто приводят к противоречивым требования.Например, при съемке покадровой последовательности живых выступлений. для образцов с флуоресцентной меткой может потребоваться снижение общего воздействия время минимизировать фотообесцвечивание и фототоксичность. Несколько методов могут могут быть использованы для достижения этой цели, хотя каждый из них включает в себя деградацию некоторые аспекты работы с изображениями. Если образец выставлен меньше часто временное разрешение снижено; применение биннинга пикселей к разрешить более короткие выдержки снижает пространственное разрешение; и увеличение электронное усиление ухудшает динамический диапазон и отношение сигнал / шум.Различные ситуации часто требуют совершенно разных изображений. обоснование оптимальных результатов. В отличие от предыдущего примера, в чтобы максимизировать динамический диапазон на одном изображении образца, который требует короткого времени выдержки, применения биннинга или усиления увеличение может достичь цели без значительного отрицательного воздействия на изображение. Для создания эффективных цифровых изображений требуется микроскопист должен быть полностью знаком с важнейшим качеством изображения критерии и практические аспекты приобретения балансировочной камеры параметры для максимизации наиболее значимых факторов в конкретном ситуация.

Небольшое количество факторов производительности ПЗС и исправная камера параметры доминируют над основными аспектами качества цифрового изображения в микроскопия, и их эффекты в значительной степени перекрываются. Факторы, которые являются наиболее важными в контексте практического использования камеры CCD, и обсуждается далее в следующих разделах, включая шум детектора источники и отношение сигнал / шум, частота кадров и временное разрешение, размер пикселя и пространственное разрешение, спектральный диапазон и квант КПД и динамический диапазон.

Источники шума камеры ПЗС

Чувствительность камеры по минимальному обнаруживаемому сигналу составляет определяется как фотонным статистическим (дробовым) шумом, так и электронным шум, возникающий в ПЗС-матрице. По консервативной оценке, сигнал можно отличить от сопутствующего шума только в том случае, если он превышает шум примерно в 2,7 раза (отношение сигнал / шум 2,7). Минимальный сигнал который теоретически может дать заданное значение SNR, определяется случайным вариации потока фотонов, источник собственного шума, связанный с сигнал, даже с идеальным бесшумным детектором.Этот фотон статистический шум равен квадратному корню из числа сигналов фотонов, и поскольку он не может быть устранен, он определяет максимальное достижимое отношение сигнал / шум для бесшумного детектора. Отношение сигнал / шум равно следовательно, определяется уровнем сигнала S , деленным на квадратный корень из сигнала ( S (1/2)), и равен квадратному корню из S . Если значение SNR 2,7 требуется для различения сигнала от шума, уровень сигнала 8 фотонов теоретически минимален обнаруживаемый световой поток.

На практике другие составляющие шума, не связанные с сигнал фотона образца, вносится ПЗС-матрицей и системой камеры электроники и добавить к собственному фотонному статистическому шуму. Один раз накапливается в сборных колодцах, заряд от источников шума нельзя отличить от сигнала, полученного от фотонов. Большая часть системного шума результат шума усилителя считывания и генерации тепловых электронов в кремний микросхемы детектора. Тепловой шум связан с кинетические колебания атомов кремния в подложке ПЗС, высвобождающие электроны или дырки, даже когда устройство находится в полной темноте, и которые впоследствии накапливаются в потенциальных ямах.По этой причине шум обозначается как темновой шум и представляет собой неопределенность в величине накопления темного заряда во время указанный временной интервал. Скорость генерации темного заряда, называемая темновым током , не связан с сигналом, индуцированным фотонами, но имеет высокую температуру зависимый. Подобно фотонному шуму, темновой шум следует за статистическая (квадратный корень) связь с темновым током, и, следовательно, это нельзя просто вычесть из сигнала.Охлаждение ПЗС снижает накопление темного заряда на порядок на каждые 20 градусов Снижение температуры по Цельсию, и высокопроизводительные камеры обычно охлаждается во время использования. Охлаждение даже до 0 градусов очень выгодно, а при -30 градусов темновой шум снижается до незначительного значения для практически любое приложение для микроскопии.

При условии, что ПЗС охлаждается, остающийся основной компонент электронного шума составляет шум чтения , в первую очередь происходит от предусилителя на кристалле во время процесса преобразования носителей заряда в сигнал напряжения.Хотя прочитанный шум добавляется равномерно к каждому пикселю детектора, его величина не может быть точно определен, а только приблизительно значение в единицах электронов (среднеквадратичное или среднеквадратичное) на пиксель. Некоторые типы шума усилителя считывания зависят от частоты, а в как правило, шум чтения увеличивается со скоростью измерения заряд в каждом пикселе. Увеличение шума при высоком считывании и кадре Частично это связано с тем, что усилитель требует большей полосы пропускания. при более высоких тактовых частотах пикселей.Охлаждение ПЗС снижает считывание шум усилителя в некоторой степени, хотя и не на незначительном уровне. В текущую высокопроизводительные системы камер, которые значительно снижают значимость читать шум, однако. Одна стратегия для достижения высоких показателей считывания и кадра скорости без увеличения шума заключается в электрическом разделении ПЗС-матрицы на два или более сегмента для сдвига заряда в параллельном регистре к нескольким выходным усилителям, расположенным на противоположных краях или углах чипа.Эта процедура позволяет считывать заряд с массива. с большей общей скоростью без чрезмерного увеличения скорости чтения (и шум) отдельных усилителей.

Охлаждение ПЗС-матрицы для уменьшения темнового шума дает дополнительное преимущество повышения эффективности переноса заряда ( CTE ) устройства. Этот фактор производительности становится все более и более важно из-за больших размеров массива пикселей, используемых во многих современных ПЗС-формирователи изображения, а также более высокая скорость считывания, необходимая для исследования быстрых динамических процессов.С каждой сменой заряда пакет по каналам передачи в процессе считывания ПЗС, небольшая часть может остаться. В то время как индивидуальные трансфертные потери при каждый пиксель в большинстве случаев крошечный, большое количество передач требуется, особенно в мегапиксельных сенсорах, может привести к значительному потери для пикселей на наибольшем удалении от считывания ПЗС усилитель (ы), если эффективность переноса заряда не очень высока. Возникновение неполного переноса заряда может привести к размытию изображения. из-за смешения зарядов от соседних пикселей.Кроме того, совокупные потери заряда при каждой передаче пикселя, особенно при больших массивов, может привести к явлению затенения изображения , в котором появляются области изображений, наиболее удаленные от выходного усилителя ПЗС тусклее, чем те, которые расположены рядом с последовательным регистром. Перенос заряда значения КПД охлаждаемых ПЗС-матриц могут быть 0,9999 и выше, а в то время как CTE с таким высоким значением обычно незначительны для эффекта изображения, значения ниже, чем 0,999, вероятно, приведет к затемнению.

Доступны как аппаратные, так и программные методы компенсации затенение интенсивности изображения.Программная коррекция реализована получение изображения поля с однородной интенсивностью, которое затем используется системой визуализации для создания карты попиксельной коррекции, которая может применяться к последующим изображениям образца для устранения неоднородности из-за штриховки. Методы коррекции программного обеспечения обычно удовлетворительно в системах, не требующих поправочных коэффициентов больше чем примерно 10-20 процентов местной интенсивности. Больше исправления, примерно до пяти раз, могут быть обработаны аппаратными средствами методы путем настройки коэффициентов усиления для отдельного пикселя ряды.Требуемая регулировка усиления определяется сигналом дискретизации. интенсивности в пяти или шести замаскированных эталонных пикселях, расположенных за пределами область изображения в конце каждой строки пикселей. Значения напряжения, полученные из столбцы опорных пикселей на краю параллельного регистра служат в качестве контролирует потери при переносе заряда и производит поправочные коэффициенты для каждая строка пикселей, которые применяются к напряжениям, полученным из этой строки во время считывания. Поправочные коэффициенты велики в регионах некоторых датчики, такие как области, удаленные от выходного усилителя по скорости видеосигнала камеры, и уровень шума может быть значительно увеличен для этих изображений области.Хотя процесс аппаратной коррекции убирает затенение эффекты без видимого уменьшения сигнала, следует понимать, что результирующее отношение сигнал / шум не является однородным по всей изображение.

Пространственное и временное разрешение в датчиках изображения CCD

Во многих приложениях система захвата изображений, способная обеспечить высокое временное разрешение это основное требование. Например, если кинетика процесса изучается, требует видеосъемки с умеренным разрешением, камера, способная обеспечить превосходное разрешение, тем не менее, выгода, если он обеспечивает такую ​​производительность только при низкой скорости сканирования, и работает незначительно или совсем не работает при высокой частоте кадров.Полнокадровый камеры с медленным сканированием не обеспечивают высокое разрешение при скорости видео, требуется примерно одна секунда на кадр для большого массива пикселей, в зависимости от скорости оцифровки электроники. Если образец яркость сигнала достаточно высока, чтобы обеспечить короткое время экспозиции (на порядка 10 миллисекунд), использование биннинга и подмассива выбор позволяет получать около 10 кадров в секунду на уменьшенное разрешение и размер кадра у камер с электромеханическим ставни.Более высокая частота кадров обычно требует использования камеры с построчной или кадровой передачей, не требующие жалюзи и, как правило, также могут работать с более высокими скоростями оцифровки. Последнее поколение высокопроизводительных камер этой конструкции может Захватывайте полнокадровые 12-битные изображения почти со скоростью видео.

Превосходное теперь пространственное разрешение CCD систем визуализации напрямую связано с размером пикселя и постоянно улучшается благодаря технологические усовершенствования, которые позволили создавать пиксели ПЗС все меньше и меньше при сохранении других эксплуатационных характеристик формирователей изображений.По сравнению с типичными размерами зерна пленки (приблизительно 10 микрометров), пиксели многих используемых CCD-камер в биологической микроскопии меньше по размеру и обеспечивает более чем адекватное разрешение в сочетании с широко используемыми объективами с большим увеличением которые проецируют дифракционные диски относительно большого радиуса (Эйри) на ПЗС-поверхность. ПЗС-камеры научного уровня с построчным переносом теперь доступны доступны с пикселями меньше 5 микрометров, что делает их подходящими для получения изображений с высоким разрешением даже с объективами с малым увеличением.Отношение размера элемента детектора к соответствующему оптическому разрешению критерии — важный фактор при выборе цифровой камеры, если должно сохраняться пространственное разрешение оптической системы.

Критерий выборки Найквиста обычно используется для определения адекватность размера пикселя детектора относительно разрешения возможности оптики микроскопа. Теорема Найквиста указывает, что наименьший радиус дифракционного диска, создаваемый оптической системой должны быть отобраны как минимум двумя пикселями в массиве изображений, чтобы сохранить оптическое разрешение и избежать наложения спектров.В качестве примера, рассмотрим ПЗС-матрицу с размерами пикселей 6,8 x 6,8 мкм, соединенную с объективом 100x, числовой апертурой 1.3, который дает Пятно дифракции 26 мкм (радиус) в плоскости детектора. Превосходное разрешение возможно с этим детектором-объективом. комбинация, потому что радиус дифракционного диска покрывает примерно 4-пиксельный диапазон (26 / 6,8 = 3,8 пикселя) на матрице детектора или почти вдвое больше предельного критерия Найквиста. На этой частоте дискретизации имеется достаточный запас, чтобы критерий Найквиста почти устраивает даже биннинг 2 x 2 пикселя.

Квантовая эффективность датчика изображения

Детектор квантовая эффективность ( QE ) является мерой вероятность того, что фотон с определенной длиной волны будет захвачен в активной области устройства для высвобождения заряда перевозчики. Параметр представляет эффективность тепловизора ПЗС в генерирует заряд от падающих фотонов, и поэтому является основным определитель минимально обнаруживаемого сигнала для системы камер, особенно при съемке при слабом освещении.Бесплатно генерируется, если фотон никогда не достигает обедненного слоя полупроводника или если он проходит полностью без передачи значительной энергии. Характер взаимодействия фотона с детектором зависит от от энергии фотона и соответствующей длины волны, и прямо относится к спектральному диапазону чувствительности детектора . Несмотря на то что обычные ПЗС-детекторы с передней подсветкой очень чувствительны и эффективные, ни один из них не имеет стопроцентной квантовой эффективности на любой длине волны.

Датчики изображения, обычно используемые в флуоресцентной микроскопии, могут обнаруживать фотоны в спектральном диапазоне 400-1100 нанометров, с пиковая чувствительность обычно в диапазоне 550-800 нм. Максимум Значения QE составляют всего около 40-50 процентов, за исключением новейших разработок, который может достигать 80-процентной эффективности. Рисунок 10 иллюстрирует спектральная чувствительность ряда популярных ПЗС-матриц на графике, отображающем квантовая эффективность как функция длины волны падающего света.Самый ПЗС-матрицы, используемые в научной визуализации, относятся к типу межстрочного переноса и потому что межстрочная маска сильно ограничивает светочувствительную поверхность области, многие старые версии показывают очень низкие значения QE. С появлением технологии поверхностных микролинз, чтобы направлять больше падающего света на светочувствительные области между каналами передачи, более новый межстрочный датчики намного более эффективны, и многие из них имеют значения квантовой эффективности 60-70 процентов.

Спектральный диапазон сенсора и квантовая эффективность дополнительно улучшены в ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны длин волн различные дополнительные стратегии проектирования в нескольких высокопроизводительных ПЗС-матрицах.Поскольку алюминиевые переходные ворота с поверхностью поглощают или отражают большую часть синие и ультрафиолетовые волны, во многих новых конструкциях используются другие материалы, такие как оксид индия-олова, для улучшения передачи и квантового эффективность в более широком спектральном диапазоне. Еще более высокие значения QE могут быть полученные с помощью специализированных ПЗС-матриц с обратным утонением, которые сконструированы так, чтобы допускать освещение с тыльной стороны, избегая поверхностного электрода структура целиком. Чтобы это стало возможным, большая часть кремния подложка удаляется травлением, и хотя получившееся устройство тонкий и относительно дорогой, квантовая эффективность примерно 90 процентов могут быть достигнуты в обычном порядке.

Могут использоваться другие материалы для обработки поверхности и строительные материалы. для получения дополнительных преимуществ спектрального диапазона. Производительность обратного прореживания ПЗС-матрицы в ультрафиолетовом диапазоне длин волн улучшаются за счет нанесение специализированных просветляющих покрытий. Изменено полупроводниковые материалы используются в некоторых детекторах для улучшения квантовых эффективность в ближнем инфракрасном диапазоне. Чувствительность к длинам волн вне диапазона нормальный спектральный диапазон обычных ПЗС-матриц с передней подсветкой может быть достигается применением люминофоров с преобразованием длины волны на лицо детектора.Люминофор для этой цели выбирают для поглощения энергия фотонов в интересующей спектральной области и излучение света в пределах область спектральной чувствительности ПЗС-матрицы. В качестве примера этого стратегии, если интересующий образец или флуорофор излучает свет на 300 нанометров (где чувствительность любой ПЗС минимальна), преобразование на поверхности детектора можно использовать люминофор, который поглощает эффективно при 300 нанометрах и излучает при 560 нанометрах, в пределах диапазон пиковой чувствительности ПЗС-матрицы.

Динамический диапазон

Термин, именуемый динамическим диапазоном ПЗС-детектора. выражает максимальное изменение интенсивности сигнала, которое может быть определено количественно датчиком.Количество указывается численно большинством камер CCD. производителей как отношение полной емкости пикселя ( FWC ) к шум чтения, с обоснованием, что это значение представляет ограничивающее условие, при котором яркость внутри сцены колеблется от регионов которые находятся только на уровне насыщенности пикселей, в области, которые практически не теряются в шуме. Динамический диапазон датчика определяет максимальное количество разрешаемые шаги уровня серого, в которые может быть включен обнаруженный сигнал разделенный. Чтобы в полной мере использовать динамический диапазон ПЗС-матрицы, она подходит для согласования разрядности аналого-цифрового преобразователя с динамический диапазон, позволяющий различать как можно больше шкалы серого шаги по мере возможности.Например, камера с FWC на ​​16000 электронов и шум считывания 10 электронов, имеет динамический диапазон 1600, что поддерживает 10-11-битное аналого-цифровое преобразование. Аналого-цифровой преобразователи с разрядностью 10 и 11 способны различать 1024 и 2048 уровней серого соответственно. Как указывалось ранее, поскольку компьютерный бит может принимать только одно из двух возможных состояний, количество шаги интенсивности, которые могут быть закодированы цифровым процессором (АЦП) отражает его разрешение (битовую глубину) и равно 2 в повышении значение спецификации битовой глубины.Следовательно, 8, 10, 12 и 14 бит процессоры могут кодировать максимум 256, 1024, 4096 или 16384 серого уровни.

Определение динамического диапазона как отношения полной емкости скважины к считыванию. шум не обязательно является реалистичной мерой полезного динамического диапазона, но полезен для сравнения датчиков. На практике полезный динамический диапазон меньше, потому что отклик ПЗС становится нелинейным перед полным достигнута емкость скважины и поскольку уровень сигнала равен шуму чтения неприемлемо визуально и практически бесполезно для количественной целей.Обратите внимание, что максимальный динамический диапазон не эквивалентен максимально возможное отношение сигнал / шум, хотя отношение сигнал / шум также является функция полной мощности скважины. Фотонный статистический шум, связанный с с максимально возможным сигналом, или FWC, является квадратным корнем из FWC значение, или 126 электронов, для предыдущего примера с 16000 электронами FWC. Таким образом, максимальное отношение сигнал / шум равно максимальный сигнал, деленный на шум (16000/126), или 126, квадратный корень из сам сигнал.Фотонный шум представляет собой минимальный собственный уровень шума, а также обнаружение рассеянного света и электронного (системного) шума уменьшить максимальное отношение сигнал / шум, которое может быть реализовано на практике, до значений ниже 126, так как эти источники уменьшают эффективную FWC, добавляя плату это не сигнал для колодцев.

Хотя производитель обычно оснащает камеру динамический диапазон примерно 4000, например, с 12-битным АЦП (4096 шагов оцифровки), при рассмотрении соответствие между динамическим диапазоном сенсора и возможностью оцифровки процессор.Для некоторых новейших CCD-камер с построчным переносом которые обеспечивают 12-битную оцифровку, динамический диапазон определяется из Шум FWC и чтения составляет примерно 2000, что обычно не требуется 12-битная обработка. Однако ряд современных дизайнов включить опцию для установки усиления на 0,5x, что позволяет полностью использовать 12-битное разрешение. Эта стратегия использует тот факт, что пиксели последовательного регистра имеют вдвое больше электронов. емкость пикселей параллельного регистра, и когда камера работает в Режим бининга 2 x 2 (обычный в флуоресцентной микроскопии), 12 бит могут быть получены изображения высокого качества.

Важно знать о различных механизмах, в которых электронным усилением можно управлять, чтобы использовать доступную битовую глубину процессора, и когда динамический диапазон разных камер по сравнению, лучший подход — вычислить значение из пикселя полная емкость лунки и шум чтения камеры. Обычно можно увидеть камеру системы, оснащенные обрабатывающей электроникой, имеют гораздо более высокую разрешение оцифровки, чем требуется внутренним динамическим диапазоном камера.В такой системе работа на обычном 1x электронном установка усиления приводит к потенциально большому количеству неиспользуемых процессоров уровни серой шкалы. Производитель камеры может применить неуказанный коэффициент усиления 2-4x, который может быть не очевиден для пользователя, и хотя эта практика действительно усиливает сигнал, чтобы использовать полной разрядности АЦП, он производит повышенный шум оцифровки, поскольку количество электронов, составляющих каждую ступеньку уровня серого, уменьшается.

Потребность в высокой битовой глубине в камерах CCD может быть поставлена ​​под сомнение ввиду того факта, что устройства отображения, такие как компьютерные мониторы и многие другие принтеры используют только 8-битную обработку, обеспечивая 256 уровней серого, и другие печатные носители, а также человеческий глаз могут обеспечить только 5-7 бит дискриминация.Несмотря на такие низкие визуальные требования, высокие побитовые камеры с большим динамическим диапазоном всегда выгодны, и необходимы для определенных приложений, особенно при флуоресценции. микроскопия. При обработке логометрических или кинетических данных изображений в количественные исследования, большее количество уровней серого позволяет свету интенсивности, которые необходимо определить более точно. Кроме того, когда выполняются несколько операций обработки изображений, данные изображения которые более точно разделены на множество шагов уровня серого, могут выдерживать большую степень математических манипуляций без деградация из-за ошибок округления.

Третье преимущество высокоразрядных систем визуализации реализуется, когда часть захваченного изображения выбирается для отображения, а область интерес охватывает только часть полного динамического диапазона изображения. К оптимизировать представление ограниченного динамического диапазона, исходный количество уровней серого обычно увеличивается, чтобы занять все 256 уровней 8-битный монитор или печать. Чем выше битовая глубина камеры, тем меньше экстремальное расширение и, соответственно, меньшая деградация изображения. Как Например, если выбранная область изображения занимает только 5 процентов от полной внутрисценовый динамический диапазон, это более 200 уровней серого 4096 распознается 12-битным процессором, но только 12 шагов с 8-битная (256 уровней) система.При отображении на мониторе с 256 уровнями или распечатано, 12-уровневая картинка, развернутая до такой степени, будет выглядеть пиксельные и демонстрируют блочные или контурные ступени яркости, а не плавные тональные градации.

Датчики цветного изображения CCD

Хотя матрицы ПЗС по своей природе не чувствительны к цвету, три разных стратегии обычно используются для получения цветных изображений с помощью камеры CCD системы, чтобы запечатлеть внешний вид образцов в микроскоп. Ранее возникшие технические трудности при отображении и печати цветные изображения больше не являются проблемой, а увеличение количества информации цвет может быть существенным.Многие приложения, такие как флуоресцентная микроскопия, исследование окрашенной гистологии и патологии срезы тканей и другие наблюдения за образцами с метками с использованием методы светлого поля или дифференциального интерференционного контраста полагаются на цвет как важнейший компонент изображения. Получение цветных изображений с камерой CCD требует, чтобы длины волн красного, зеленого и синего цветов были изолированы цветными фильтрами, приобретаются отдельно и впоследствии объединены в составное цветное изображение.

Каждый подход, используемый для достижения цветовой дискриминации, имеет свои сильные стороны и слабые места, и все налагают ограничения, ограничивающие скорость, ниже временное и пространственное разрешение, уменьшение динамического диапазона и увеличение шум в цветных камерах по сравнению с полутоновыми камерами.Самый распространенный Метод состоит в том, чтобы покрыть массив пикселей ПЗС чередующейся маской красный, зеленый и синий ( RGB, ) микролинзовые фильтры, расположенные в определенном порядке, обычно это мозаичный узор Bayer . В качестве альтернативы, с трехчиповым дизайн, изображение разделено светоделительной призмой и цветным фильтрует на три (RGB) компонента, которые захватываются отдельными ПЗС-матрицы и их выходы объединены в цветное изображение. Третий Подход представляет собой метод с последовательностью кадров , в котором используется одна ПЗС-матрица. для последовательного захвата отдельного изображения для каждого цвета путем переключения цветные фильтры, размещенные на пути освещения или перед тепловизором.

В большинство фотоаппаратов для цветной микроскопии. Массив фильтров состоит из красного, зеленого, и синие микролинзы, нанесенные на отдельные пиксели в обычном шаблон. Мозаичный фильтр Байера распределяет цветовую информацию по четырехпиксельные сенсорные блоки, включающие один красный, один синий и два зеленых фильтры. Зеленый цвет подчеркнут в схеме распределения для лучшего соответствуют зрительной чувствительности человека и разделяют информацию о цвете среди групп по четыре пикселя лишь незначительно ухудшает разрешение.В человеческая зрительная система приобретает пространственные детали в первую очередь из яркости компонент цветовых сигналов, и эта информация сохраняется в каждом пиксель независимо от цвета. Визуально удовлетворительные изображения достигаются сочетание цветовой информации низкого пространственного разрешения с монохромные детали конструкции высокого разрешения.

Уникальный дизайн цветных камер с одной ПЗС-матрицей улучшает пространственное разрешение за счет небольшого смещения ПЗС-матрицы между изображениями, снятыми в последовательность, а затем интерполяция между ними (метод, известный как смещение пикселей ), хотя получение изображения значительно замедляется из-за этого процесса.Другой подход к маскированию отдельных пикселей — быстрое перемещение массива цветных микролинз в квадратном узоре непосредственно над ПЗС-матрицей поверхность во время сбора фотонов. Наконец, недавно представленный технология объединяет три фотоэлектронных ямы в каждый пиксель на разная глубина различения длины волны фотона. Максимум пространственное разрешение сохраняется в этих стратегиях, потому что каждый пиксель предоставляет информацию о красном, зеленом и синем цвете.

Трехчиповая цветная камера сочетает высокое пространственное разрешение с быстрое получение изображений, обеспечивающее высокую частоту кадров, подходящую для быстрого последовательности изображений и видеовыход.Используя светоделитель для прямой сигнал на три фильтрованных ПЗС, которые отдельно записывают красный цвет, зеленый и синий компоненты изображения одновременно, очень высокий захват возможны скорости. Однако, поскольку интенсивность света, подаваемого на каждая ПЗС-матрица существенно уменьшена, комбинированное цветное изображение значительно тусклее, чем монохромное однокристальное изображение при сопоставимой экспозиции. К цветному изображению можно применить усиление для увеличения его яркости, но отношение сигнал / шум страдает, и изображения демонстрируют большую очевидность шум.Пространственное разрешение, достигаемое трехчиповыми камерами, может быть выше чем у отдельных ПЗС-сенсоров, если каждая ПЗС-матрица смещена на количество субпикселей относительно остальных. Поскольку красный, зеленый и синий изображения представляют собой немного разные образцы, их можно объединить программное обеспечение камеры для создания композитных изображений с более высоким разрешением. Много микроскопия и другие научные приложения, требующие больших пространственных и временное разрешение выигрывают от использования камеры с тройной ПЗС-матрицей системы.

Цветные камеры, называемые чередующимися кадрами, оснащены моторизованным колесом фильтров или жидкокристаллическим перестраиваемым фильтром ( LCTF ) для последовательного экспонирования красного, зеленого и синего компонентов изображения на одиночная ПЗС-матрица.Поскольку один и тот же датчик используется для отдельных красных, зеленых, и голубых изображений сохраняется полное пространственное разрешение чипа, и регистрация изображения выполняется автоматически. Приобретение три кадра подряд замедляют процесс получения изображения и дисплей, и правильный цветовой баланс часто требует другой интеграции раз для трех цветов. Хотя этот тип камеры обычно не подходит для захвата с высокой частотой кадров, использование быстродействующие жидкокристаллические перестраиваемые фильтры для R-G-B секвенирование может существенно увеличить скорость работы.В поляризационная чувствительность LCTF должна учитываться в некоторых приложений, поскольку они передают только один вектор поляризации, и могут изменить цвета двулучепреломляющих образцов, рассматриваемых в поляризованном свете.

Введение в устройства с зарядовой связью (ПЗС)

Цифровые камеры, включающие различные устройства с зарядовой связью ( CCD, ) конфигурации детекторов, на сегодняшний день являются наиболее распространенными способами захвата изображений. технология, применяемая в современной оптической микроскопии.До не давнего времени, специализированные обычные пленочные камеры обычно использовались для записи изображения, наблюдаемые в микроскоп. Этот традиционный метод, опирающийся на фотонная чувствительность фотографической пленки на основе серебра включает временное хранение скрытого изображения в виде фотохимических участки реакции на экспонированной пленке, которые становятся видимыми только в пленочные эмульсионные слои после химической обработки (проявки).

Цифровые фотоаппараты заменяют сенсибилизированную пленку фотонной ПЗС-матрицей детектор, тонкая кремниевая пластина, разделенная на геометрически правильные массив из тысяч или миллионов светочувствительных областей, которые захватывают и хранить информацию об изображении в виде локализованного электрического заряда это зависит от интенсивности падающего света.Электронная переменная сигнал, связанный с каждым элементом изображения (пикселем) детектора, равен считываются очень быстро как значение интенсивности для соответствующего изображения местоположение, и после оцифровки значений изображение может быть реконструируется и отображается на мониторе компьютера виртуально мгновенно.

Несколько систем цифровых камер, разработанных специально для оптических микроскопии проиллюстрированы на рис. 1 . Цифровое затмение Nikon DXM1200 обеспечивает высококачественные фотореалистичные цифровые изображения на разрешение до 12 миллионов пикселей с низким уровнем шума, превосходной цветопередачей цветопередача и высокая чувствительность.Камера управляется программным обеспечением что дает микроскописту большую свободу при сборе, систематизация и исправление цифровых изображений. Мониторинг цвета в реальном времени на поддержка экрана компьютера с частотой 12 кадров в секунду позволяет легко фокусировка изображений, которые могут быть сохранены в трех форматах: JPG , TIF и BMP для большей универсальности.

Цифровой прицел DS-5M-L1 (, рис. 1, ) принадлежит компании Nikon. инновационная система цифровой визуализации для микроскопии, которая подчеркивает простота и эффективность концепции «все в одном», включающей встроенный ЖК-монитор в автономном блоке управления.Система оптимизирует захват изображений с высоким разрешением до 5 мегапикселей через простые меню и предварительно запрограммированные режимы визуализации для различных методы наблюдения. Автономный дизайн предлагает преимущество независимая работа, включая сохранение изображений на карту CompactFlash размещен в блоке управления / контроля, но имеет универсальность полной возможности сети при желании. Возможно подключение к ПК через Интерфейс USB, а также к локальным сетям или Интернету через Ethernet порт.Поддержка веб-браузера доступна для просмотра изображений в реальном времени и удаленного просмотра. управление камерой, а блок управления камерой поддерживает HTTP, Telnet, FTP сервер / клиент и совместим с DHCP. Иллюстрированные системы камер в Рисунок 1 представляет передовую технологию, доступную в настоящее время для цифровая обработка изображений с помощью оптического микроскопа.

Пожалуй, самое значительное преимущество цифрового изображения захват в оптической микроскопии, на примере систем камер CCD, возможность для микроскописта немедленно определить, есть ли желаемое изображение было успешно записано.Эта возможность особенно ценно, учитывая экспериментальную сложность многих визуализации ситуаций и преходящего характера процессов, которые обычно исследуется. Хотя детектор устройств с зарядовой связью функции в роли, эквивалентной роли пленки, он имеет ряд превосходные атрибуты для создания изображений во многих приложениях. Научного уровня Камеры CCD демонстрируют исключительный динамический диапазон, пространственное разрешение, спектральная полоса пропускания и скорость сбора данных. Учитывая высокий свет чувствительность и эффективность сбора света некоторых ПЗС-систем, пленка рейтинг скорости приблизительно 100 000 единиц ISO потребуется для производства изображения сопоставимого отношения сигнал / шум ( SNR ).Пространственный разрешение современных ПЗС-матриц такое же, как у пленки, а их разрешение разрешение интенсивности света на один-два порядка лучше чем то, что достигается пленкой или видеокамерой. Традиционная фотография пленки не проявляют чувствительности на длинах волн, превышающих 650 нанометров в в отличие от высокопроизводительных ПЗС-сенсоров, которые часто имеют значительные квантовая эффективность в ближнюю инфракрасную область спектра. Линейный отклик CCD-камер в широком диапазоне яркости света способствует превосходной производительности и дает таким системам количественные возможности, как спектрофотометры с изображениями.

ПЗС-формирователь изображения состоит из большого количества светочувствительных элементов. расположены в двумерном массиве на тонкой кремниевой подложке. В полупроводниковые свойства кремния позволяют чипу CCD улавливать и удерживать фотонно-индуцированные носители заряда при соответствующем электрическом смещении условия. Отдельные элементы изображения или пиксели определяются в кремниевая матрица ортогональной сеткой из узких прозрачных полоски токонесущих электродов, или вентили, , нанесенные на микросхему.Основным светочувствительным элементом ПЗС-матрицы является металлооксидный полупроводник ( MOS ). Конденсатор работал как фотодиод и накопитель. Единый MOS устройство этого типа изображено на Рис. 2 , с обратным смещением. операция, вызывающая миграцию отрицательно заряженных электронов в область под положительно заряженным электродом затвора. Электроны высвободились за счет взаимодействия фотонов сохраняются в области истощения до полной лунки емкость резервуара.Когда собраны несколько детекторных структур в полную ПЗС-матрицу, отдельные чувствительные элементы в матрице разделены в одном измерении напряжениями, приложенными к поверхности электродов и электрически изолированы от своих соседей по в другом направлении с помощью изолирующих перегородок или каналов , ограничителей , внутри кремниевой подложки.

Светочувствительные фотодиодные элементы ПЗС-матрицы реагируют на падающий фотоны, поглощая большую часть своей энергии, что приводит к высвобождению электронов, и образование соответствующих электронодефицитных узлов (дырки) внутри кристаллической решетки кремния.Одна электронно-дырочная пара генерируется каждым поглощенным фотоном, и результирующий заряд, который накапливается в каждом пикселе линейно пропорционально количеству падающие фотоны. Внешнее напряжение, приложенное к электродам каждого пикселя контролировать хранение и движение зарядов, накопленных за время указанный временной интервал. Первоначально каждый пиксель в матрице датчиков функционирует как потенциальная яма для хранения заряда во время сбор, и хотя либо отрицательно заряженные электроны, либо положительно заряженные дырки могут накапливаться (в зависимости от ПЗС-матрицы). конструкции), зарядовые объекты, генерируемые падающим светом, обычно обозначается как фотоэлектронов .В этом обсуждении рассматривается электроны быть носителями заряда. Эти фотоэлектроны могут быть накапливаются и хранятся в течение длительного времени, прежде чем быть прочитаны из микросхема электроники камеры как один из этапов процесса визуализации.

Генерацию изображений с помощью камеры CCD можно разделить на четыре основных стадии или функции: генерация заряда посредством взаимодействия фотона с светочувствительная область устройства, сбор и хранение высвобожденный заряд, перенос заряда и измерение заряда.В течение На первом этапе электроны и дырки генерируются в ответ на падающие фотоны в обедненной области структуры МОП-конденсатора, и освобожденные электроны мигрируют в потенциальную яму, образованную под соседний положительно смещенный электрод затвора. Система из алюминия или Электроды затвора на поверхности поликремния накладываются друг на друга, но отделены от них, каналы, несущие заряд, которые скрыты в слое изолирующего диоксид кремния, помещенный между структурой затвора и кремнием субстрат.Использование поликремния в качестве электродного материала обеспечивает прозрачность для падающих волн длиннее примерно 400 нанометров и увеличивает долю площади поверхности устройства который доступен для светового сбора. Электроны, генерируемые в области истощения первоначально собираются в электрически положительные потенциальные ямы, связанные с каждым пикселем. Во время считывания собранный заряд впоследствии перемещается по каналам передачи под действием напряжений, приложенных к затворной конструкции. Рисунок 3 иллюстрирует структуру электрода, определяющую индивидуальную чувствительность ПЗС элемент.

Как правило, накопленный заряд линейно пропорционален световому потоку. поток, падающий на пиксель датчика до емкости скважины; следовательно, это полных скважин ( FWC ) определяет максимальный сигнал, который может быть обнаружен в пикселе, и является основным фактором влияющие на динамический диапазон ПЗС-матрицы.Зарядная емкость ПЗС-матрицы потенциальная яма во многом зависит от физического размера индивидуальный пиксель. С момента появления на рынке ПЗС-матриц обычно состоит из квадратных пикселей, собранных в прямоугольные массивы областей с соотношением сторон 4: 3, которое является наиболее распространенным. Рисунок 4 представлены типичные размеры некоторых из наиболее распространенных форматов датчиков в настоящее время, с обозначениями их размеров в дюймах в соответствии с историческое соглашение, которое связывает размеры ПЗС-матрицы с диаметрами видиконовых трубок.

Форматы ПЗС

Прямоугольная геометрия и общие размеры ПЗС-матриц являются результатом их ранняя конкуренция с видеокамерами видикон, которые требовали твердотельные датчики для создания выходного электронного сигнала, который соответствует преобладающим в то время стандартам видео. Обратите внимание, что Обозначения «дюймовые» не соответствуют напрямую ни одной из ПЗС-матриц. размеры, но представляют размер прямоугольной области, сканированной в соответствующая круглая трубка видикона. Специальная «1-дюймовая» ПЗС-матрица имеет диагональ 16 миллиметров и размер сенсора 9.6 х 12,8 миллиметров, полученных из области сканирования 1-дюймовой трубки видикона с внешний диаметр 25,4 мм и входное окно примерно 18 миллиметры в диаметре. К сожалению, эта запутанная номенклатура сохраняется, часто используется в отношении «типа» ПЗС, а не размера, и даже включает датчики, классифицируемые по комбинации дробных и десятичные числа, такие как широко распространенная 1 / 1,8-дюймовая ПЗС-матрица, промежуточные по размеру между устройствами размером 1/2 дюйма и 2/3 дюйма.

Хотя в потребительских камерах по-прежнему в основном используются прямоугольные датчики, построенные по одному из «стандартизованных» форматов размеров, становится все чаще в камерах научного класса используются квадратные массивы датчиков, которые лучше соответствуют круговому полю изображения, проецируемому в микроскоп.Производится широкий диапазон размеров сенсорных матриц и размеры отдельных пикселей сильно различаются в конструкциях, оптимизированных для разные параметры производительности. ПЗС-матрицы стандартного формата 2/3 дюйма обычно имеют матрицы из 768 x 480 или более диодов и размеры 8,8 x 6,6 миллиметра (диагональ 11 миллиметров). Максимальный размер представленная диагональю многих сенсорных матриц значительно меньше, чем поле зрения типичного микроскопа, и приводит к сильно увеличенный вид только части полного поля зрения.В увеличенное увеличение может быть полезным в некоторых приложениях, но если уменьшенное поле зрения препятствует получению изображений, уменьшая требуются промежуточные оптические компоненты. Альтернатива — использование ПЗС большего размера, который лучше соответствует диаметру поля изображения, от 18 до 26 миллиметров в типичных конфигурациях микроскопов.

Приблизительная емкость хранения потенциальной ямы ПЗС может быть получается умножением площади диода (пикселя) на 1000. Ряд 2/3-дюймовые ПЗС потребительского класса с размером пикселей от 7 до 13 микрометрами размером от 50000 до 100000 электроны.Используя эту стратегию приближения, диод с 10 x 10 Размеры микрометра будут иметь полную емкость примерно 100000 электронов. Для данного размера ПЗС выбор конструкции относительно общее количество пикселей в массиве и, следовательно, их размеры, требует компромисса между пространственным разрешением и зарядом пикселей емкость. Тенденция современных потребительских устройств к максимальному использованию пикселей количество и разрешение привели к очень маленьким размерам диодов, с некоторыми новых 2/3-дюймовых сенсоров, использующих пиксели менее 3 микрометров по размеру.

, разработанные для получения изображений в научных целях, традиционно использовались фотодиоды большего размера, чем те, которые предназначены для потребителей (особенно видео-скорость) и промышленных приложений. Потому что скважинная мощность и динамический диапазон напрямую зависит от размера диода, ПЗС-матрицы научного уровня используются в приложениях для получения изображений с медленной разверткой, обычно используются диоды. размером 25 x 25 микрометров для максимального увеличения динамического диапазона, чувствительность и отношение сигнал / шум. Многие современные высокопроизводительные камеры научного уровня включают усовершенствования конструкции, которые позволили использовать большие массивы с меньшими пикселями, которые способны поддержание оптического разрешения микроскопа на высоком кадре ставки.Большие массивы из нескольких миллионов пикселей в этих улучшенных конструкциях может обеспечить изображения всего поля зрения с высоким разрешением, а с использованием объединения пикселей (обсуждается ниже) и переменной скорости считывания, при необходимости обеспечьте более высокую чувствительность пикселей большего размера.

Считывание фотоэлектронов ПЗС-матрицы

До накопленного заряда можно измерить заряд каждого сенсорного элемента в ПЗС-матрице. чтобы определить поток фотонов на этом пикселе, заряд должен быть передается на узел считывания при сохранении целостности зарядный пакет.Быстрый и эффективный процесс переноса заряда, а также механизм быстрого считывания, имеет решающее значение для работы ПЗС-матриц как устройства визуализации. Когда большое количество МОП-конденсаторов размещено близко вместе, чтобы сформировать матрицу датчиков, заряд перемещается по устройству за счет манипулирование напряжениями на затворах конденсатора по схеме, которая вызывает заряд переливается с одного конденсатора на другой или с одного ряда конденсаторы к следующему. Трансляция заряда в кремнии эффективно связаны с синхронизированными схемами напряжения, подаваемыми на структура вышележащего электрода, основа термина «с зарядовой связью» устройство.ПЗС-матрица изначально задумывалась как массив памяти и предназначалась для функционировать как электронная версия устройства с магнитным пузырем. Схема процесса переноса заряда удовлетворяет критическому требованию для запоминающих устройств установления физической величины, которая представляет информационный бит и сохранение его целостности до считывания. В ПЗС-матрица, используемая для отображения, информационный бит представлен пакетом заряды, полученные от взаимодействия фотонов. Поскольку ПЗС-матрица серийная зарядные пакеты считываются по одному.

Накопленный заряд, накопленный в каждом фотодиоде ПЗС в течение заданного интервала времени, называемый временем интегрирования или временем экспозиции , необходимо измерить, чтобы определить поток фотонов на этом диоде. Количественная оценка накопленного заряда достигается комбинацией параллельные и последовательные передачи, доставляющие заряд каждого сенсорного элемента пакет, последовательно, к одному измерительному узлу.Электродная сеть, или структура затвора, встроенная на ПЗС в слое, прилегающем к чувствительным элементам, составляет сдвиговый регистр для передачи заряда. Основная концепция переноса заряда, которая позволяет последовательное считывание с двумерной диодной матрицы изначально требует весь массив отдельных зарядовых пакетов с поверхности имидж-сканера, составляющие параллельный регистр , чтобы быть одновременно переносится пошаговым однострочным сдвигом. Сдвиг с зарядовой связью всего параллельного регистра перемещает ближайшую к край регистра в специализированный одиночный ряд пикселей вдоль одного края микросхемы, называемой регистром серийного номера .Именно из этого ряд, в котором пакеты заряда последовательно перемещаются на микросхему усилитель для измерения. После того, как регистр последовательного порта опустошен, он заполняется еще одним сдвигом строки параллельного регистра, и цикл параллельный и последовательный сдвиги повторяются до тех пор, пока регистр опорожняется. Некоторые производители ПЗС используют термины по вертикали и по горизонтали . в отношении параллельного и последовательного регистров, соответственно, хотя последние термины более легко связаны с функцией выполняется каждым.

Широко используемая аналогия для визуализации концепции серийного номера. показания ПЗС — бригады ведра для измерения осадков, в интенсивность дождя, падающего на ряд ведер, может варьироваться в зависимости от места помещать по аналогии с падающими фотонами на датчик изображения (см. Рисунок 5 (а) ). Параллельный регистр представлен массивом ведра, которые собрали различное количество сигнала (воды) во время период интеграции. Ковши транспортируются на конвейерной ленте. пошагово к ряду пустых ведер, которые представляют серийный регистр, и которые перемещаются по второму конвейеру, ориентированы перпендикулярно первому.В рис. 5 (б) весь ряд ковшей параллельно смещается в резервуары последовательного регистра. Последовательные операции сдвига и считывания показаны на рис. . 5 (c) , на котором изображена дождевая вода, накопившаяся в каждом ведре. последовательно переносятся в калиброванную мерную емкость, аналог выходного усилителя ПЗС. Когда содержимое всего контейнеры на серийном конвейере были измерены последовательно, другой параллельный сдвиг передает содержимое следующей строки сбора ведра в контейнеры последовательного регистра, и процесс повторяется пока не будет измерено содержимое каждой корзины (пикселя).

На каждом этапе переключения напряжение, приходящееся на заднюю часть зарядовый пакет становится положительным, в то время как электроносодержащая яма сделан отрицательным или установлен на ноль (земля), заставляя накопленные электроны для перехода к следующему этапу.Вместо того, чтобы использовать резкое напряжение переходов в тактовой последовательности, приложенное напряжение изменяется на смежные фазы являются постепенными и перекрываются, чтобы обеспечить максимальную эффективная передача заряда. Переход к фазе 2 осуществляется прикладывая положительный потенциал к воротам фазы 2, распространяя накопленный заряд между скважинами фазы 1 и фазы 2, и когда потенциал фазы 1 возвращается на землю, весь пакет заряда принудительно переходит в фазу 2. Аналогичная последовательность синхронизированных переходов напряжения, под управлением часов параллельного регистра сдвига, используется для сдвига заряд от фазы 2 до фазы 3, и процесс продолжается до тех пор, пока полный сдвиг на один пиксель был завершен.Одни трехфазные часы цикл, примененный ко всему параллельному регистру, приводит к получению единственной строки сдвиг всего массива. Важный фактор при трехфазном переходе в том, что между соседними пикселями всегда поддерживается потенциальный барьер. зарядовых пакетов, что обеспечивает взаимно однозначное пространственное соответствие между датчиком и пикселями дисплея, которые должны сохраняться на всем изображении последовательность захвата.

Рисунок 6 иллюстрирует последовательность операций, только что описанных для передача заряда в трехфазной ПЗС-матрице, а также последовательность тактирования для импульсов возбуждения, подаваемых синхронизатором параллельного регистра сдвига на совершить перевод.На этой схематической визуализации пикселя заряд изображен перемещающимся слева направо по тактовому сигналу сигналы, которые одновременно уменьшают напряжение на положительно смещенный электрод (определяющий потенциальную яму) и увеличив его на электроде справа ( рисунки 6 (а) и 6 (б) ). В последнем из три ступени ( Рисунок 6 (c) ), заряд был полностью передан от одного электрода затвора к другому. Обратите внимание, что рост и падение фазы тактовых импульсов синхронизируются с небольшим перекрытием (не показано) для более эффективного переноса заряда и минимизировать возможность потери заряда во время смены.

При каждой полной параллельной передаче заряжаются пакеты от всего ряд пикселей перемещаются в регистр последовательного порта, где они могут быть последовательно смещается в сторону выходного усилителя, как показано на аналогия с ковшовой бригадой ( Рисунок 5 (c) ). Эта горизонтальная (последовательная) передача использует тот же трехфазный механизм связи заряда, что и вертикальный сдвиг строк, при этом управление синхронизацией обеспечивается сигналами от часы последовательного регистра сдвига. После того, как все пиксели перенесены из регистр последовательного интерфейса для считывания, часы параллельного регистра обеспечивают временные сигналы для смещения следующего ряда захваченных фотоэлектронов в регистр серийных номеров.Каждый пакет начислений в регистре серийного номера доставляется в выходной узел ПЗС, где он обнаруживается и считывается выходной усилитель (иногда называемый встроенным предусилителем) который преобразует заряд в пропорциональное напряжение. Напряжение выход усилителя представляет величину сигнала, производимого последовательные фотодиоды, считываемые последовательно слева направо в каждый ряд и от верхнего ряда к низу по всей двумерный массив. Выходной сигнал ПЗС на этом этапе, следовательно, является аналоговый сигнал напряжения, эквивалентный растровому сканированию накопленного заряда по поверхности изображения устройства.

После того, как выходной усилитель выполняет свою функцию увеличения зарядного пакета и преобразовав его в пропорциональное напряжение, сигнал передается на аналого-цифровой преобразователь ( ADC ), который преобразует значение напряжения в 0 и 1 двоичный код, необходимый для интерпретации компьютером. Каждый пиксель присваивается цифровое значение, соответствующее амплитуде сигнала, с шагом размер в соответствии с разрешением или битовой глубиной АЦП.Для Например, АЦП с 12-битным разрешением присваивает каждому пикселю значение от 0 до 4095, что соответствует 4096 возможным уровням серого изображения (2 в 12 степени равно 4096 шагам дигитайзера). Каждый уровень серого шаг называется аналого-цифровым блоком ( ADU ).

Технологическая сложность современных систем формирования изображений на основе ПЗС замечательно, учитывая большое количество операций, необходимых для захватить цифровое изображение, а также точность и скорость, с которой процесс завершен.Последовательность событий, необходимая для захвата одиночное изображение с полнокадровой системы камеры CCD можно резюмировать как следует:

• Затвор камеры открывается для начала накопления фотоэлектронов, с соответствующими электродами затвора, смещенными для сбора заряда.
• В конце периода интеграции заслонка закрывается и накопленный заряд в пикселях смещается строка за строкой по параллельному регистрируются под управлением тактовых сигналов от электроники камеры.Ряды пакетов зарядов передаются последовательно с одного края параллельный регистр в регистр последовательного сдвига.
• Передается содержимое заряда пикселей в последовательном регистре по одному пикселю за раз в выходной узел для считывания встроенным чипом усилитель, который усиливает электронный сигнал и преобразует его в аналоговый выход напряжения.
• АЦП назначает цифровое значение каждому пикселю в соответствии с его амплитудой напряжения.
• Каждое значение пикселя сохраняется в памяти компьютера или в буфере кадров камеры.
• Процесс последовательного считывания повторяется до тех пор, пока все строки пикселей очищается параллельный регистр, который обычно составляет 1000 или более строк для камер высокого разрешения.
• Полный файл изображения в памяти, размер которого может составлять несколько мегабайт. по размеру, отображается в подходящем формате на мониторе компьютера для визуальная оценка.
• ПЗС очищается от остаточного заряда перед следующей экспозицией путем выполнения полного цикла считывания, за исключением этапа оцифровки.

Несмотря на большое количество выполняемых операций, более одного миллиона пикселей может быть передано через чип, присвоено значение шкалы серого с 12-битным разрешением, сохранено в памяти компьютера и отображено менее чем за одну секунду.Типичное общее время, необходимое для считывания и отображения изображения, составляет примерно 0,5 секунды для 1-мегапиксельной камеры, работающей со скоростью оцифровки 5 МГц. Эффективность переноса заряда также может быть чрезвычайно высокой для охлаждаемых ПЗС-камер с минимальной потерей заряда, даже при тысячах переносов, требуемых для пикселей в областях матрицы, наиболее удаленных от выходного усилителя.

Архитектура датчика изображения CCD

Три основных варианта архитектуры CCD обычно используются для систем формирования изображений: полнокадровый , кадровая передача и построчная передача (см. Рисунок 7 ).Полнокадровая ПЗС-матрица, о которой говорилось в предыдущем описание процедуры считывания, имеет преимущество почти 100 процентов его поверхности светочувствительны, практически нет мертвых пространство между пикселями. Поверхность изображения необходимо защищать от падающий свет во время считывания ПЗС, и по этой причине электромеханический затвор обычно используется для управления экспозицией. Заряд, накопленный при открытой заслонке, впоследствии переносится и считываются после того, как ставня закрыта, и поскольку два шага не может происходить одновременно, частота кадров изображения ограничена скорость механического затвора, скорость переноса заряда и шаги считывания.Хотя полнокадровые устройства имеют самую большую светочувствительную область Типы ПЗС-матриц, они наиболее полезны с образцами, имеющими высокое качество изображения внутри сцены. динамический диапазон, а также в приложениях, не требующих разрешения по времени менее примерно одной секунды. При работе в режиме подмассива (в котором считывается уменьшенная часть полного массива пикселей) в чтобы ускорить считывание, на порядка 10 кадров в секунду, ограничено механическим затвором.

с кадровой передачей могут работать с более высокой частотой кадров, чем полнокадровые устройств, потому что экспонирование и считывание могут происходить одновременно с различная степень совпадения по срокам. Они похожи на полнокадровые устройств в составе параллельного регистра, но половина прямоугольная матрица пикселей покрыта непрозрачной маской и используется в качестве буфер для хранения фотоэлектронов, собранных немаскированными светочувствительная часть. После экспонирования изображения накопился заряд в светочувствительных пикселях быстро смещается в пиксели на хранилище стороне микросхемы, обычно в пределах примерно 1 миллисекунды.Поскольку пиксели памяти защищены от воздействия света алюминиевое или аналогичное непрозрачное покрытие, накопивший заряд в этой части датчик может систематически считываться с более медленной и более эффективной скоростью в то время как следующее изображение одновременно экспонируется на светочувствительная сторона чипа. Затвор камеры не нужен потому что время, необходимое для передачи заряда от области изображения к площадь хранения чипа составляет лишь часть времени, необходимого для типичная экспозиция.Поскольку камеры, использующие ПЗС-матрицы с кадровой передачей, могут быть работает непрерывно с высокой частотой кадров без механической опалубки, они подходят для исследования быстрых кинетических процессов методами таких как отображение соотношения красителей, в котором высокое пространственное разрешение и динамические диапазон важны. Недостатком этого типа датчика является то, что только половина площади поверхности ПЗС-матрицы используется для построения изображений, и следовательно, требуется гораздо больший чип, чем для полнокадрового устройство с массивом изображений эквивалентного размера, что увеличивает стоимость и наложение ограничений на физическую конструкцию камеры.

В конструкции ПЗС с построчным переносом столбцы активной визуализации пиксели и пиксели замаскированного хранения-передачи чередуются по всей массив параллельных регистров. Поскольку канал передачи заряда расположен непосредственно рядом с каждым столбцом светочувствительных пикселей, накопленный заряд должен быть перемещен только на один столбец в канал передачи. Этот сингл шаг передачи может быть выполнен менее чем за 1 миллисекунду, после чего массив хранения считывается серией параллельных сдвигов в последовательный регистр, пока массив изображений выставляется для следующего изображение.Архитектура межстрочного переноса позволяет очень быстро периоды интеграции благодаря электронному контролю интервалов экспозиции, а вместо механического затвора можно отрендерить массив эффективно нечувствителен к свету, отбрасывая накопленный заряд, а чем перекладывать на каналы передачи. Хотя интерлайн-перевод датчики позволяют считывать скорость видео и получать высококачественные изображения ярких освещенные предметы, основные формы более ранних устройств пострадали от уменьшены динамический диапазон, разрешение и чувствительность из-за того, что примерно 75 процентов поверхности ПЗС занимает каналы хранения-передачи.

Хотя более ранние ПЗС-матрицы с построчным переносом, например, используемые в видео видеокамеры, обеспечивающие высокую скорость считывания и высокую частоту кадров без необходимость жалюзи, они не обеспечивали адекватной производительности для приложения с высоким разрешением в условиях низкой освещенности в микроскопии. В добавление к снижение светочувствительности, связанное с переменным столбцы изображений и областей хранения-передачи, высокая скорость считывания светодиода к более высокому шуму чтения камеры и уменьшенному динамическому диапазону в более ранних формирователи изображений с межстрочным переносом.Улучшения в конструкции сенсора и камеры электроника полностью изменила ситуацию до такой степени, что современные устройства Interline обеспечивают превосходную производительность для цифровых камеры для микроскопии, в том числе те, которые используются в условиях слабого освещения, например как запись малых концентраций флуоресцентных молекул. Приверженец микролинзы , выровнен на поверхности ПЗС, чтобы покрыть пары пикселей изображения и хранилища, собрать свет, который обычно теряется на замаскированных пикселях, и сфокусироваться это на светочувствительных пикселях (см. Рисунок 8 ).Объединив небольшие размер пикселя с технологией микролинз, межстрочные датчики способны обеспечение пространственного разрешения и сопоставимой эффективности сбора света на ПЗС-матрицы с полнокадровым и покадровым переносом. Эффективный светочувствительный площадь межстрочных датчиков, использующих микролинзы на кристалле, увеличена до 75-90 процентов площади поверхности.

Дополнительное преимущество включения микролинз в ПЗС-матрицу структура состоит в том, что спектральная чувствительность датчика может быть расширена в синюю и ультрафиолетовую области длин волн, обеспечивая улучшенное утилита для более коротковолновых приложений, таких как популярные методы флуоресценции с использованием зеленого флуоресцентного белка ( GFP ) и красители, возбуждаемые ультрафиолетом.Чтобы увеличить квантовую эффективность в видимом спектре, новейшие высокопроизводительные чипы включают конструкции затвора из таких материалов, как индий-олово оксида, который имеет гораздо более высокую прозрачность в сине-зеленом спектральном область. Такие непоглощающие структуры затворов приводят к квантовой эффективности значения приближаются к 80 процентам для зеленого света.

Предыдущее ограничение уменьшенного динамического диапазона для межстрочного переноса ПЗС-матрицы в значительной степени преодолены за счет усовершенствованной электронной технологии, которая снизил шум чтения камеры примерно наполовину.Поскольку активная пиксельная площадь межстрочных ПЗС-матриц составляет примерно треть от сопоставимые полнокадровые устройства, полная емкость скважины (функция область пикселей) уменьшается аналогично. Ранее этот фактор в совокупности с относительно высоким уровнем шума чтения камеры, что привело к недостаточному сигналу динамический диапазон для поддержки более чем 8- или 10-битной оцифровки. Высокопроизводительные межстрочные камеры теперь работают со значениями шума считывания как низкий от 4 до 6 электронов, что обеспечивает динамический диапазон эквивалентно 12-битным камерам, использующим полнокадровые ПЗС-матрицы.Дополнительные улучшения в факторах дизайна микросхемы, таких как схемы тактирования, и в электронике камеры, позволили увеличить скорость считывания. ПЗС-матрицы с построчным переносом теперь позволяют обрабатывать 12-битные мегапиксельные изображения. регистрируется на частоте 20 мегагерц, что примерно в 4 раза превышает скорость полнокадровые камеры с сопоставимыми размерами массивов. Прочие технологические улучшения, в том числе модификации состава полупроводников, включены в некоторые ПЗС-матрицы с построчным переносом для улучшения квантовых эффективность в ближней инфракрасной части спектра.

Характеристики изображения ПЗС-детектора

Несколько рабочих параметров камеры, которые изменяют этап считывания при получении изображения, влияют на качество изображения. Скорость считывания большинства ПЗС-камер научного уровня можно регулировать, и обычно колеблется от примерно 0,1 МГц до 10 или 20 МГц. Максимум достижимая скорость зависит от скорости обработки АЦП и другая электроника камеры, которая отражает время, необходимое для оцифровки один пиксель.Приложения, предназначенные для отслеживания быстрых кинетических процессов требуется быстрое считывание и частота кадров для достижения адекватной временное разрешение и, в некоторых случаях, скорость видео 30 необходимо количество кадров в секунду или выше. К сожалению, из различных компоненты шума, которые всегда присутствуют в электронном изображении, считываются шум является основным источником, а высокая скорость считывания увеличивает шум уровень. Если самое высокое временное разрешение не требуется, лучше изображения образцов, которые дают низкие значения интенсивности пикселей, могут быть получается при более низкой скорости считывания, что минимизирует шум и поддерживает адекватное соотношение сигнал / шум.Когда динамические процессы требуют быстрых частоты кадров изображения, нормальная последовательность считывания ПЗС может быть изменена на уменьшить количество обрабатываемых пакетов заряда, что позволяет осуществлять сбор данных в некоторых случаях скорость составляет сотни кадров в секунду. Это увеличило частота кадров может быть достигнута путем объединения пикселей во время считывания ПЗС и / или считывая только часть детекторной матрицы, как описано ниже.

Программное обеспечение для получения изображений большинства систем CCD-камер, используемых в оптическая микроскопия позволяет пользователю определять меньшее подмножество, или подмассив , , всего массива пикселей, предназначенного для захвата изображения и отображать.Выбрав уменьшенную часть поля изображения для обработки, невыделенные пиксели отбрасываются без оцифровки АЦП, соответственно увеличивается скорость считывания. В зависимости от используемое программное обеспечение для управления камерой, подматрица может быть выбрана из предварительно определенные размеры массива или интерактивно обозначенные как интересующая область с помощью компьютерной мыши и монитора. Считывание подмассивов метод обычно используется для получения последовательностей покадровой съемки. images, чтобы создавать файлы изображений меньшего размера и с большей степенью управляемости.

Накопленные пакеты заряда от соседних пикселей в матрице ПЗС могут быть объединены во время считывания, чтобы сформировать уменьшенное количество суперпикселей . Этот процесс называется биннингом пикселей , и выполняется в параллельном регистре путем тактирования двух или более строк переходит в регистр последовательного порта перед выполнением последовательного сдвига и последовательность считывания. Процесс биннинга обычно повторяется в серийном регистрировать, синхронизируя несколько сдвигов в узле считывания перед заряд считывается выходным усилителем.Любая комбинация параллельных и последовательные смены можно комбинировать, но обычно это симметричная матрица пиксели объединяются, чтобы сформировать каждый отдельный суперпиксель (см. Рисунок 9) . В качестве пример, 3 x 3 биннинг выполняется путем первоначального выполнения 3 параллельных сдвига строк в последовательный регистр (до последовательного передачи), после чего каждый пиксель в последовательном регистре содержит комбинированный заряд от 3 пикселей, которые были соседями в соседнем параллельные ряды. Впоследствии 3 этапа последовательной смены выполняются в выходной узел до измерения заряда.Итоговый заряд пакет обрабатывается как один пиксель, но содержит объединенные фотоэлектронное содержание 9 физических пикселей (суперпиксель 3 x 3). Хотя бининг снижает пространственное разрешение, процедура часто позволяет получение изображения в условиях, которые делают невозможным получение изображений с нормальное считывание ПЗС. Это позволяет увеличить частоту кадров для последовательностей изображений, если скорость сбора данных ограничена циклом чтения камеры, а также обеспечение улучшенного отношения сигнал / шум для эквивалентного времени экспозиции.Дополнительные преимущества включают более короткое время выдержки для получения одинаковая яркость изображения (очень важно для визуализации живых клеток) и меньшие размеры файлов изображений, что снижает требования к памяти компьютера и ускоряет обработку изображений.

Фактор захвата третьей камерой, который может повлиять на качество изображения. поскольку он изменяет процесс считывания ПЗС, электронный коэффициент усиления системы камеры. Регулировка усиления цифровой камеры CCD система определяет количество накопленных фотоэлектронов, определяющих каждый шаг уровня серого распознается электроникой считывания, и обычно применяется на этапе аналого-цифрового преобразования.Увеличение в электронном усилении соответствует уменьшению количества фотоэлектроны, которые назначаются на уровень серого (электроны / ADU), и позволяет разделить данный уровень сигнала на большее количество серых ступени уровня. Обратите внимание, что это отличается от настроек усиления, применяемых к фотоэлектронные умножители или трубки видикона, в которых изменяющийся сигнал усиливается фиксированным коэффициентом умножения. Хотя электронное усиление регулировка действительно обеспечивает метод расширения ограниченной амплитуды сигнала до желаемое большое количество уровней серого, если оно используется чрезмерно, небольшое количество электронов, различающих соседние уровни серого, может привести к к ошибкам оцифровки.Настройки высокого усиления могут привести к появлению шума из-за неточная оцифровка, которая проявляется в виде зернистости в финальном изображение. Если желательно сокращение времени воздействия, увеличение электронное усиление позволит поддерживать фиксированное большое количество серого шага шкалы, несмотря на пониженный уровень сигнала, при условии, что примененное усиление не приводит к чрезмерному ухудшению качества изображения. Как пример влияния различных коэффициентов усиления на постоянную уровень сигнала, начальная настройка усиления, которая назначает 8 электронов на ADU (уровень серого) означает, что сигнал пикселя, состоящий из 8000 электронов будет отображаться на 1000 уровнях серого.Увеличивая прирост за счет применение коэффициента усиления 4x к базовой настройке, количество электронов на уровень серого снижается до 2 (2 электрона / ADU) и 4000 Уровни серого выделяются электроникой оцифровки.

Качество цифрового изображения можно оценить по четырем количественным критерии, которые частично определяются конструкцией ПЗС, но которые также отражают реализацию ранее описанной работы камеры переменные, которые напрямую влияют на качество изображения ПЗС-матрицы детектор.Основные критерии качества изображения и их влияние: резюмируется следующим образом:

• Пространственное разрешение: Определяет возможность захвата мелких деталей образца без видимых пикселей на изображении.
• Разрешение яркости света: Определяет динамический диапазон или количество уровней серого, которые можно различить на отображаемом изображении.
• Разрешение по времени: Частота выборки (кадров) определяет способность отслеживать движение живого образца или быстрые кинетические процессы.
• Отношение сигнал / шум: Определяет видимость и четкость сигналов образца относительно фона изображения.

В микроскопической визуализации не все важные изображения критерии качества можно одновременно оптимизировать в одном изображении или последовательность изображений. Получение лучших изображений в рамках ограничений налагается конкретным образцом или экспериментом, как правило, требует компромисс между перечисленными критериями, которые часто приводят к противоречивым требования.Например, при съемке покадровой последовательности живых выступлений. для образцов с флуоресцентной меткой может потребоваться снижение общего воздействия время минимизировать фотообесцвечивание и фототоксичность. Несколько методов могут могут быть использованы для достижения этой цели, хотя каждый из них включает в себя деградацию некоторые аспекты работы с изображениями. Если образец выставлен меньше часто временное разрешение снижено; применение биннинга пикселей к разрешить более короткие выдержки снижает пространственное разрешение; и увеличение электронное усиление ухудшает динамический диапазон и отношение сигнал / шум.Различные ситуации часто требуют совершенно разных изображений. обоснование оптимальных результатов. В отличие от предыдущего примера, в чтобы максимизировать динамический диапазон на одном изображении образца, который требует короткого времени выдержки, применения биннинга или усиления увеличение может достичь цели без значительного отрицательного воздействия на изображение. Для создания эффективных цифровых изображений требуется микроскопист должен быть полностью знаком с важнейшим качеством изображения критерии и практические аспекты приобретения балансировочной камеры параметры для максимизации наиболее значимых факторов в конкретном ситуация.

Небольшое количество факторов производительности ПЗС и исправная камера параметры доминируют над основными аспектами качества цифрового изображения в микроскопия, и их эффекты в значительной степени перекрываются. Факторы, которые являются наиболее важными в контексте практического использования камеры CCD, и обсуждается далее в следующих разделах, включая шум детектора источники и отношение сигнал / шум, частота кадров и временное разрешение, размер пикселя и пространственное разрешение, спектральный диапазон и квант КПД и динамический диапазон.

Источники шума камеры ПЗС

Чувствительность камеры по минимальному обнаруживаемому сигналу составляет определяется как фотонным статистическим (дробовым) шумом, так и электронным шум, возникающий в ПЗС-матрице. По консервативной оценке, сигнал можно отличить от сопутствующего шума только в том случае, если он превышает шум примерно в 2,7 раза (отношение сигнал / шум 2,7). Минимальный сигнал который теоретически может дать заданное значение SNR, определяется случайным вариации потока фотонов, источник собственного шума, связанный с сигнал, даже с идеальным бесшумным детектором.Этот фотон статистический шум равен квадратному корню из числа сигналов фотонов, и поскольку он не может быть устранен, он определяет максимальное достижимое отношение сигнал / шум для бесшумного детектора. Отношение сигнал / шум равно следовательно, определяется уровнем сигнала S , деленным на квадратный корень из сигнала ( S (1/2)), и равен квадратному корню из S . Если значение SNR 2,7 требуется для различения сигнала от шума, уровень сигнала 8 фотонов теоретически минимален обнаруживаемый световой поток.

На практике другие составляющие шума, не связанные с сигнал фотона образца, вносится ПЗС-матрицей и системой камеры электроники и добавить к собственному фотонному статистическому шуму. Один раз накапливается в сборных колодцах, заряд от источников шума нельзя отличить от сигнала, полученного от фотонов. Большая часть системного шума результат шума усилителя считывания и генерации тепловых электронов в кремний микросхемы детектора. Тепловой шум связан с кинетические колебания атомов кремния в подложке ПЗС, высвобождающие электроны или дырки, даже когда устройство находится в полной темноте, и которые впоследствии накапливаются в потенциальных ямах.По этой причине шум обозначается как темновой шум и представляет собой неопределенность в величине накопления темного заряда во время указанный временной интервал. Скорость генерации темного заряда, называемая темновым током , не связан с сигналом, индуцированным фотонами, но имеет высокую температуру зависимый. Подобно фотонному шуму, темновой шум следует за статистическая (квадратный корень) связь с темновым током, и, следовательно, это нельзя просто вычесть из сигнала.Охлаждение ПЗС снижает накопление темного заряда на порядок на каждые 20 градусов Снижение температуры по Цельсию, и высокопроизводительные камеры обычно охлаждается во время использования. Охлаждение даже до 0 градусов очень выгодно, а при -30 градусов темновой шум снижается до незначительного значения для практически любое приложение для микроскопии.

При условии, что ПЗС охлаждается, остающийся основной компонент электронного шума составляет шум чтения , в первую очередь происходит от предусилителя на кристалле во время процесса преобразования носителей заряда в сигнал напряжения.Хотя прочитанный шум добавляется равномерно к каждому пикселю детектора, его величина не может быть точно определен, а только приблизительно значение в единицах электронов (среднеквадратичное или среднеквадратичное) на пиксель. Некоторые типы шума усилителя считывания зависят от частоты, а в как правило, шум чтения увеличивается со скоростью измерения заряд в каждом пикселе. Увеличение шума при высоком считывании и кадре Частично это связано с тем, что усилитель требует большей полосы пропускания. при более высоких тактовых частотах пикселей.Охлаждение ПЗС снижает считывание шум усилителя в некоторой степени, хотя и не на незначительном уровне. В текущую высокопроизводительные системы камер, которые значительно снижают значимость читать шум, однако. Одна стратегия для достижения высоких показателей считывания и кадра скорости без увеличения шума заключается в электрическом разделении ПЗС-матрицы на два или более сегмента для сдвига заряда в параллельном регистре к нескольким выходным усилителям, расположенным на противоположных краях или углах чипа.Эта процедура позволяет считывать заряд с массива. с большей общей скоростью без чрезмерного увеличения скорости чтения (и шум) отдельных усилителей.

Охлаждение ПЗС-матрицы для уменьшения темнового шума дает дополнительное преимущество повышения эффективности переноса заряда ( CTE ) устройства. Этот фактор производительности становится все более и более важно из-за больших размеров массива пикселей, используемых во многих современных ПЗС-формирователи изображения, а также более высокая скорость считывания, необходимая для исследования быстрых динамических процессов.С каждой сменой заряда пакет по каналам передачи в процессе считывания ПЗС, небольшая часть может остаться. В то время как индивидуальные трансфертные потери при каждый пиксель в большинстве случаев крошечный, большое количество передач требуется, особенно в мегапиксельных сенсорах, может привести к значительному потери для пикселей на наибольшем удалении от считывания ПЗС усилитель (ы), если эффективность переноса заряда не очень высока. Возникновение неполного переноса заряда может привести к размытию изображения. из-за смешения зарядов от соседних пикселей.Кроме того, совокупные потери заряда при каждой передаче пикселя, особенно при больших массивов, может привести к явлению затенения изображения , в котором появляются области изображений, наиболее удаленные от выходного усилителя ПЗС тусклее, чем те, которые расположены рядом с последовательным регистром. Перенос заряда значения КПД охлаждаемых ПЗС-матриц могут быть 0,9999 и выше, а в то время как CTE с таким высоким значением обычно незначительны для эффекта изображения, значения ниже, чем 0,999, вероятно, приведет к затемнению.

Доступны как аппаратные, так и программные методы компенсации затенение интенсивности изображения.Программная коррекция реализована получение изображения поля с однородной интенсивностью, которое затем используется системой визуализации для создания карты попиксельной коррекции, которая может применяться к последующим изображениям образца для устранения неоднородности из-за штриховки. Методы коррекции программного обеспечения обычно удовлетворительно в системах, не требующих поправочных коэффициентов больше чем примерно 10-20 процентов местной интенсивности. Больше исправления, примерно до пяти раз, могут быть обработаны аппаратными средствами методы путем настройки коэффициентов усиления для отдельного пикселя ряды.Требуемая регулировка усиления определяется сигналом дискретизации. интенсивности в пяти или шести замаскированных эталонных пикселях, расположенных за пределами область изображения в конце каждой строки пикселей. Значения напряжения, полученные из столбцы опорных пикселей на краю параллельного регистра служат в качестве контролирует потери при переносе заряда и производит поправочные коэффициенты для каждая строка пикселей, которые применяются к напряжениям, полученным из этой строки во время считывания. Поправочные коэффициенты велики в регионах некоторых датчики, такие как области, удаленные от выходного усилителя по скорости видеосигнала камеры, и уровень шума может быть значительно увеличен для этих изображений области.Хотя процесс аппаратной коррекции убирает затенение эффекты без видимого уменьшения сигнала, следует понимать, что результирующее отношение сигнал / шум не является однородным по всей изображение.

Пространственное и временное разрешение в датчиках изображения CCD

Во многих приложениях система захвата изображений, способная обеспечить высокое временное разрешение это основное требование. Например, если кинетика процесса изучается, требует видеосъемки с умеренным разрешением, камера, способная обеспечить превосходное разрешение, тем не менее, выгода, если он обеспечивает такую ​​производительность только при низкой скорости сканирования, и работает незначительно или совсем не работает при высокой частоте кадров.Полнокадровый камеры с медленным сканированием не обеспечивают высокое разрешение при скорости видео, требуется примерно одна секунда на кадр для большого массива пикселей, в зависимости от скорости оцифровки электроники. Если образец яркость сигнала достаточно высока, чтобы обеспечить короткое время экспозиции (на порядка 10 миллисекунд), использование биннинга и подмассива выбор позволяет получать около 10 кадров в секунду на уменьшенное разрешение и размер кадра у камер с электромеханическим ставни.Более высокая частота кадров обычно требует использования камеры с построчной или кадровой передачей, не требующие жалюзи и, как правило, также могут работать с более высокими скоростями оцифровки. Последнее поколение высокопроизводительных камер этой конструкции может Захватывайте полнокадровые 12-битные изображения почти со скоростью видео.

Превосходное теперь пространственное разрешение CCD систем визуализации напрямую связано с размером пикселя и постоянно улучшается благодаря технологические усовершенствования, которые позволили создавать пиксели ПЗС все меньше и меньше при сохранении других эксплуатационных характеристик формирователей изображений.По сравнению с типичными размерами зерна пленки (приблизительно 10 микрометров), пиксели многих используемых CCD-камер в биологической микроскопии меньше по размеру и обеспечивает более чем адекватное разрешение в сочетании с широко используемыми объективами с большим увеличением которые проецируют дифракционные диски относительно большого радиуса (Эйри) на ПЗС-поверхность. ПЗС-камеры научного уровня с построчным переносом теперь доступны доступны с пикселями меньше 5 микрометров, что делает их подходящими для получения изображений с высоким разрешением даже с объективами с малым увеличением.Отношение размера элемента детектора к соответствующему оптическому разрешению критерии — важный фактор при выборе цифровой камеры, если должно сохраняться пространственное разрешение оптической системы.

Критерий выборки Найквиста обычно используется для определения адекватность размера пикселя детектора относительно разрешения возможности оптики микроскопа. Теорема Найквиста указывает, что наименьший радиус дифракционного диска, создаваемый оптической системой должны быть отобраны как минимум двумя пикселями в массиве изображений, чтобы сохранить оптическое разрешение и избежать наложения спектров.В качестве примера, рассмотрим ПЗС-матрицу с размерами пикселей 6,8 x 6,8 мкм, соединенную с объективом 100x, числовой апертурой 1.3, который дает Пятно дифракции 26 мкм (радиус) в плоскости детектора. Превосходное разрешение возможно с этим детектором-объективом. комбинация, потому что радиус дифракционного диска покрывает примерно 4-пиксельный диапазон (26 / 6,8 = 3,8 пикселя) на матрице детектора или почти вдвое больше предельного критерия Найквиста. На этой частоте дискретизации имеется достаточный запас, чтобы критерий Найквиста почти устраивает даже биннинг 2 x 2 пикселя.

Квантовая эффективность датчика изображения

Детектор квантовая эффективность ( QE ) является мерой вероятность того, что фотон с определенной длиной волны будет захвачен в активной области устройства для высвобождения заряда перевозчики. Параметр представляет эффективность тепловизора ПЗС в генерирует заряд от падающих фотонов, и поэтому является основным определитель минимально обнаруживаемого сигнала для системы камер, особенно при съемке при слабом освещении.Бесплатно генерируется, если фотон никогда не достигает обедненного слоя полупроводника или если он проходит полностью без передачи значительной энергии. Характер взаимодействия фотона с детектором зависит от от энергии фотона и соответствующей длины волны, и прямо относится к спектральному диапазону чувствительности детектора . Несмотря на то что обычные ПЗС-детекторы с передней подсветкой очень чувствительны и эффективные, ни один из них не имеет стопроцентной квантовой эффективности на любой длине волны.

Датчики изображения, обычно используемые в флуоресцентной микроскопии, могут обнаруживать фотоны в спектральном диапазоне 400-1100 нанометров, с пиковая чувствительность обычно в диапазоне 550-800 нм. Максимум Значения QE составляют всего около 40-50 процентов, за исключением новейших разработок, который может достигать 80-процентной эффективности. Рисунок 10 иллюстрирует спектральная чувствительность ряда популярных ПЗС-матриц на графике, отображающем квантовая эффективность как функция длины волны падающего света.Самый ПЗС-матрицы, используемые в научной визуализации, относятся к типу межстрочного переноса и потому что межстрочная маска сильно ограничивает светочувствительную поверхность области, многие старые версии показывают очень низкие значения QE. С появлением технологии поверхностных микролинз, чтобы направлять больше падающего света на светочувствительные области между каналами передачи, более новый межстрочный датчики намного более эффективны, и многие из них имеют значения квантовой эффективности 60-70 процентов.

Спектральный диапазон сенсора и квантовая эффективность дополнительно улучшены в ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны длин волн различные дополнительные стратегии проектирования в нескольких высокопроизводительных ПЗС-матрицах.Поскольку алюминиевые переходные ворота с поверхностью поглощают или отражают большую часть синие и ультрафиолетовые волны, во многих новых конструкциях используются другие материалы, такие как оксид индия-олова, для улучшения передачи и квантового эффективность в более широком спектральном диапазоне. Еще более высокие значения QE могут быть полученные с помощью специализированных ПЗС-матриц с обратным утонением, которые сконструированы так, чтобы допускать освещение с тыльной стороны, избегая поверхностного электрода структура целиком. Чтобы это стало возможным, большая часть кремния подложка удаляется травлением, и хотя получившееся устройство тонкий и относительно дорогой, квантовая эффективность примерно 90 процентов могут быть достигнуты в обычном порядке.

Могут использоваться другие материалы для обработки поверхности и строительные материалы. для получения дополнительных преимуществ спектрального диапазона. Производительность обратного прореживания ПЗС-матрицы в ультрафиолетовом диапазоне длин волн улучшаются за счет нанесение специализированных просветляющих покрытий. Изменено полупроводниковые материалы используются в некоторых детекторах для улучшения квантовых эффективность в ближнем инфракрасном диапазоне. Чувствительность к длинам волн вне диапазона нормальный спектральный диапазон обычных ПЗС-матриц с передней подсветкой может быть достигается применением люминофоров с преобразованием длины волны на лицо детектора.Люминофор для этой цели выбирают для поглощения энергия фотонов в интересующей спектральной области и излучение света в пределах область спектральной чувствительности ПЗС-матрицы. В качестве примера этого стратегии, если интересующий образец или флуорофор излучает свет на 300 нанометров (где чувствительность любой ПЗС минимальна), преобразование на поверхности детектора можно использовать люминофор, который поглощает эффективно при 300 нанометрах и излучает при 560 нанометрах, в пределах диапазон пиковой чувствительности ПЗС-матрицы.

Динамический диапазон

Термин, именуемый динамическим диапазоном ПЗС-детектора. выражает максимальное изменение интенсивности сигнала, которое может быть определено количественно датчиком.Количество указывается численно большинством камер CCD. производителей как отношение полной емкости пикселя ( FWC ) к шум чтения, с обоснованием, что это значение представляет ограничивающее условие, при котором яркость внутри сцены колеблется от регионов которые находятся только на уровне насыщенности пикселей, в области, которые практически не теряются в шуме. Динамический диапазон датчика определяет максимальное количество разрешаемые шаги уровня серого, в которые может быть включен обнаруженный сигнал разделенный. Чтобы в полной мере использовать динамический диапазон ПЗС-матрицы, она подходит для согласования разрядности аналого-цифрового преобразователя с динамический диапазон, позволяющий различать как можно больше шкалы серого шаги по мере возможности.Например, камера с FWC на ​​16000 электронов и шум считывания 10 электронов, имеет динамический диапазон 1600, что поддерживает 10-11-битное аналого-цифровое преобразование. Аналого-цифровой преобразователи с разрядностью 10 и 11 способны различать 1024 и 2048 уровней серого соответственно. Как указывалось ранее, поскольку компьютерный бит может принимать только одно из двух возможных состояний, количество шаги интенсивности, которые могут быть закодированы цифровым процессором (АЦП) отражает его разрешение (битовую глубину) и равно 2 в повышении значение спецификации битовой глубины.Следовательно, 8, 10, 12 и 14 бит процессоры могут кодировать максимум 256, 1024, 4096 или 16384 серого уровни.

Определение динамического диапазона как отношения полной емкости скважины к считыванию. шум не обязательно является реалистичной мерой полезного динамического диапазона, но полезен для сравнения датчиков. На практике полезный динамический диапазон меньше, потому что отклик ПЗС становится нелинейным перед полным достигнута емкость скважины и поскольку уровень сигнала равен шуму чтения неприемлемо визуально и практически бесполезно для количественной целей.Обратите внимание, что максимальный динамический диапазон не эквивалентен максимально возможное отношение сигнал / шум, хотя отношение сигнал / шум также является функция полной мощности скважины. Фотонный статистический шум, связанный с с максимально возможным сигналом, или FWC, является квадратным корнем из FWC значение, или 126 электронов, для предыдущего примера с 16000 электронами FWC. Таким образом, максимальное отношение сигнал / шум равно максимальный сигнал, деленный на шум (16000/126), или 126, квадратный корень из сам сигнал.Фотонный шум представляет собой минимальный собственный уровень шума, а также обнаружение рассеянного света и электронного (системного) шума уменьшить максимальное отношение сигнал / шум, которое может быть реализовано на практике, до значений ниже 126, так как эти источники уменьшают эффективную FWC, добавляя плату это не сигнал для колодцев.

Хотя производитель обычно оснащает камеру динамический диапазон примерно 4000, например, с 12-битным АЦП (4096 шагов оцифровки), при рассмотрении соответствие между динамическим диапазоном сенсора и возможностью оцифровки процессор.Для некоторых новейших CCD-камер с построчным переносом которые обеспечивают 12-битную оцифровку, динамический диапазон определяется из Шум FWC и чтения составляет примерно 2000, что обычно не требуется 12-битная обработка. Однако ряд современных дизайнов включить опцию для установки усиления на 0,5x, что позволяет полностью использовать 12-битное разрешение. Эта стратегия использует тот факт, что пиксели последовательного регистра имеют вдвое больше электронов. емкость пикселей параллельного регистра, и когда камера работает в Режим бининга 2 x 2 (обычный в флуоресцентной микроскопии), 12 бит могут быть получены изображения высокого качества.

Важно знать о различных механизмах, в которых электронным усилением можно управлять, чтобы использовать доступную битовую глубину процессора, и когда динамический диапазон разных камер по сравнению, лучший подход — вычислить значение из пикселя полная емкость лунки и шум чтения камеры. Обычно можно увидеть камеру системы, оснащенные обрабатывающей электроникой, имеют гораздо более высокую разрешение оцифровки, чем требуется внутренним динамическим диапазоном камера.В такой системе работа на обычном 1x электронном установка усиления приводит к потенциально большому количеству неиспользуемых процессоров уровни серой шкалы. Производитель камеры может применить неуказанный коэффициент усиления 2-4x, который может быть не очевиден для пользователя, и хотя эта практика действительно усиливает сигнал, чтобы использовать полной разрядности АЦП, он производит повышенный шум оцифровки, поскольку количество электронов, составляющих каждую ступеньку уровня серого, уменьшается.

Потребность в высокой битовой глубине в камерах CCD может быть поставлена ​​под сомнение ввиду того факта, что устройства отображения, такие как компьютерные мониторы и многие другие принтеры используют только 8-битную обработку, обеспечивая 256 уровней серого, и другие печатные носители, а также человеческий глаз могут обеспечить только 5-7 бит дискриминация.Несмотря на такие низкие визуальные требования, высокие побитовые камеры с большим динамическим диапазоном всегда выгодны, и необходимы для определенных приложений, особенно при флуоресценции. микроскопия. При обработке логометрических или кинетических данных изображений в количественные исследования, большее количество уровней серого позволяет свету интенсивности, которые необходимо определить более точно. Кроме того, когда выполняются несколько операций обработки изображений, данные изображения которые более точно разделены на множество шагов уровня серого, могут выдерживать большую степень математических манипуляций без деградация из-за ошибок округления.

Третье преимущество высокоразрядных систем визуализации реализуется, когда часть захваченного изображения выбирается для отображения, а область интерес охватывает только часть полного динамического диапазона изображения. К оптимизировать представление ограниченного динамического диапазона, исходный количество уровней серого обычно увеличивается, чтобы занять все 256 уровней 8-битный монитор или печать. Чем выше битовая глубина камеры, тем меньше экстремальное расширение и, соответственно, меньшая деградация изображения. Как Например, если выбранная область изображения занимает только 5 процентов от полной внутрисценовый динамический диапазон, это более 200 уровней серого 4096 распознается 12-битным процессором, но только 12 шагов с 8-битная (256 уровней) система.При отображении на мониторе с 256 уровнями или распечатано, 12-уровневая картинка, развернутая до такой степени, будет выглядеть пиксельные и демонстрируют блочные или контурные ступени яркости, а не плавные тональные градации.

Датчики цветного изображения CCD

Хотя матрицы ПЗС по своей природе не чувствительны к цвету, три разных стратегии обычно используются для получения цветных изображений с помощью камеры CCD системы, чтобы запечатлеть внешний вид образцов в микроскоп. Ранее возникшие технические трудности при отображении и печати цветные изображения больше не являются проблемой, а увеличение количества информации цвет может быть существенным.Многие приложения, такие как флуоресцентная микроскопия, исследование окрашенной гистологии и патологии срезы тканей и другие наблюдения за образцами с метками с использованием методы светлого поля или дифференциального интерференционного контраста полагаются на цвет как важнейший компонент изображения. Получение цветных изображений с камерой CCD требует, чтобы длины волн красного, зеленого и синего цветов были изолированы цветными фильтрами, приобретаются отдельно и впоследствии объединены в составное цветное изображение.

Каждый подход, используемый для достижения цветовой дискриминации, имеет свои сильные стороны и слабые места, и все налагают ограничения, ограничивающие скорость, ниже временное и пространственное разрешение, уменьшение динамического диапазона и увеличение шум в цветных камерах по сравнению с полутоновыми камерами.Самый распространенный Метод состоит в том, чтобы покрыть массив пикселей ПЗС чередующейся маской красный, зеленый и синий ( RGB, ) микролинзовые фильтры, расположенные в определенном порядке, обычно это мозаичный узор Bayer . В качестве альтернативы, с трехчиповым дизайн, изображение разделено светоделительной призмой и цветным фильтрует на три (RGB) компонента, которые захватываются отдельными ПЗС-матрицы и их выходы объединены в цветное изображение. Третий Подход представляет собой метод с последовательностью кадров , в котором используется одна ПЗС-матрица. для последовательного захвата отдельного изображения для каждого цвета путем переключения цветные фильтры, размещенные на пути освещения или перед тепловизором.

В большинство фотоаппаратов для цветной микроскопии. Массив фильтров состоит из красного, зеленого, и синие микролинзы, нанесенные на отдельные пиксели в обычном шаблон. Мозаичный фильтр Байера распределяет цветовую информацию по четырехпиксельные сенсорные блоки, включающие один красный, один синий и два зеленых фильтры. Зеленый цвет подчеркнут в схеме распределения для лучшего соответствуют зрительной чувствительности человека и разделяют информацию о цвете среди групп по четыре пикселя лишь незначительно ухудшает разрешение.В человеческая зрительная система приобретает пространственные детали в первую очередь из яркости компонент цветовых сигналов, и эта информация сохраняется в каждом пиксель независимо от цвета. Визуально удовлетворительные изображения достигаются сочетание цветовой информации низкого пространственного разрешения с монохромные детали конструкции высокого разрешения.

Уникальный дизайн цветных камер с одной ПЗС-матрицей улучшает пространственное разрешение за счет небольшого смещения ПЗС-матрицы между изображениями, снятыми в последовательность, а затем интерполяция между ними (метод, известный как смещение пикселей ), хотя получение изображения значительно замедляется из-за этого процесса.Другой подход к маскированию отдельных пикселей — быстрое перемещение массива цветных микролинз в квадратном узоре непосредственно над ПЗС-матрицей поверхность во время сбора фотонов. Наконец, недавно представленный технология объединяет три фотоэлектронных ямы в каждый пиксель на разная глубина различения длины волны фотона. Максимум пространственное разрешение сохраняется в этих стратегиях, потому что каждый пиксель предоставляет информацию о красном, зеленом и синем цвете.

Трехчиповая цветная камера сочетает высокое пространственное разрешение с быстрое получение изображений, обеспечивающее высокую частоту кадров, подходящую для быстрого последовательности изображений и видеовыход.Используя светоделитель для прямой сигнал на три фильтрованных ПЗС, которые отдельно записывают красный цвет, зеленый и синий компоненты изображения одновременно, очень высокий захват возможны скорости. Однако, поскольку интенсивность света, подаваемого на каждая ПЗС-матрица существенно уменьшена, комбинированное цветное изображение значительно тусклее, чем монохромное однокристальное изображение при сопоставимой экспозиции. К цветному изображению можно применить усиление для увеличения его яркости, но отношение сигнал / шум страдает, и изображения демонстрируют большую очевидность шум.Пространственное разрешение, достигаемое трехчиповыми камерами, может быть выше чем у отдельных ПЗС-сенсоров, если каждая ПЗС-матрица смещена на количество субпикселей относительно остальных. Поскольку красный, зеленый и синий изображения представляют собой немного разные образцы, их можно объединить программное обеспечение камеры для создания композитных изображений с более высоким разрешением. Много микроскопия и другие научные приложения, требующие больших пространственных и временное разрешение выигрывают от использования камеры с тройной ПЗС-матрицей системы.

Цветные камеры, называемые чередующимися кадрами, оснащены моторизованным колесом фильтров или жидкокристаллическим перестраиваемым фильтром ( LCTF ) для последовательного экспонирования красного, зеленого и синего компонентов изображения на одиночная ПЗС-матрица.Поскольку один и тот же датчик используется для отдельных красных, зеленых, и голубых изображений сохраняется полное пространственное разрешение чипа, и регистрация изображения выполняется автоматически. Приобретение три кадра подряд замедляют процесс получения изображения и дисплей, и правильный цветовой баланс часто требует другой интеграции раз для трех цветов. Хотя этот тип камеры обычно не подходит для захвата с высокой частотой кадров, использование быстродействующие жидкокристаллические перестраиваемые фильтры для R-G-B секвенирование может существенно увеличить скорость работы.В поляризационная чувствительность LCTF должна учитываться в некоторых приложений, поскольку они передают только один вектор поляризации, и могут изменить цвета двулучепреломляющих образцов, рассматриваемых в поляризованном свете.

Введение в устройства с зарядовой связью (ПЗС)

Цифровые камеры, включающие различные устройства с зарядовой связью ( CCD, ) конфигурации детекторов, на сегодняшний день являются наиболее распространенными способами захвата изображений. технология, применяемая в современной оптической микроскопии.До не давнего времени, специализированные обычные пленочные камеры обычно использовались для записи изображения, наблюдаемые в микроскоп. Этот традиционный метод, опирающийся на фотонная чувствительность фотографической пленки на основе серебра включает временное хранение скрытого изображения в виде фотохимических участки реакции на экспонированной пленке, которые становятся видимыми только в пленочные эмульсионные слои после химической обработки (проявки).

Цифровые фотоаппараты заменяют сенсибилизированную пленку фотонной ПЗС-матрицей детектор, тонкая кремниевая пластина, разделенная на геометрически правильные массив из тысяч или миллионов светочувствительных областей, которые захватывают и хранить информацию об изображении в виде локализованного электрического заряда это зависит от интенсивности падающего света.Электронная переменная сигнал, связанный с каждым элементом изображения (пикселем) детектора, равен считываются очень быстро как значение интенсивности для соответствующего изображения местоположение, и после оцифровки значений изображение может быть реконструируется и отображается на мониторе компьютера виртуально мгновенно.

Несколько систем цифровых камер, разработанных специально для оптических микроскопии проиллюстрированы на рис. 1 . Цифровое затмение Nikon DXM1200 обеспечивает высококачественные фотореалистичные цифровые изображения на разрешение до 12 миллионов пикселей с низким уровнем шума, превосходной цветопередачей цветопередача и высокая чувствительность.Камера управляется программным обеспечением что дает микроскописту большую свободу при сборе, систематизация и исправление цифровых изображений. Мониторинг цвета в реальном времени на поддержка экрана компьютера с частотой 12 кадров в секунду позволяет легко фокусировка изображений, которые могут быть сохранены в трех форматах: JPG , TIF и BMP для большей универсальности.

Цифровой прицел DS-5M-L1 (, рис. 1, ) принадлежит компании Nikon. инновационная система цифровой визуализации для микроскопии, которая подчеркивает простота и эффективность концепции «все в одном», включающей встроенный ЖК-монитор в автономном блоке управления.Система оптимизирует захват изображений с высоким разрешением до 5 мегапикселей через простые меню и предварительно запрограммированные режимы визуализации для различных методы наблюдения. Автономный дизайн предлагает преимущество независимая работа, включая сохранение изображений на карту CompactFlash размещен в блоке управления / контроля, но имеет универсальность полной возможности сети при желании. Возможно подключение к ПК через Интерфейс USB, а также к локальным сетям или Интернету через Ethernet порт.Поддержка веб-браузера доступна для просмотра изображений в реальном времени и удаленного просмотра. управление камерой, а блок управления камерой поддерживает HTTP, Telnet, FTP сервер / клиент и совместим с DHCP. Иллюстрированные системы камер в Рисунок 1 представляет передовую технологию, доступную в настоящее время для цифровая обработка изображений с помощью оптического микроскопа.

Пожалуй, самое значительное преимущество цифрового изображения захват в оптической микроскопии, на примере систем камер CCD, возможность для микроскописта немедленно определить, есть ли желаемое изображение было успешно записано.Эта возможность особенно ценно, учитывая экспериментальную сложность многих визуализации ситуаций и преходящего характера процессов, которые обычно исследуется. Хотя детектор устройств с зарядовой связью функции в роли, эквивалентной роли пленки, он имеет ряд превосходные атрибуты для создания изображений во многих приложениях. Научного уровня Камеры CCD демонстрируют исключительный динамический диапазон, пространственное разрешение, спектральная полоса пропускания и скорость сбора данных. Учитывая высокий свет чувствительность и эффективность сбора света некоторых ПЗС-систем, пленка рейтинг скорости приблизительно 100 000 единиц ISO потребуется для производства изображения сопоставимого отношения сигнал / шум ( SNR ).Пространственный разрешение современных ПЗС-матриц такое же, как у пленки, а их разрешение разрешение интенсивности света на один-два порядка лучше чем то, что достигается пленкой или видеокамерой. Традиционная фотография пленки не проявляют чувствительности на длинах волн, превышающих 650 нанометров в в отличие от высокопроизводительных ПЗС-сенсоров, которые часто имеют значительные квантовая эффективность в ближнюю инфракрасную область спектра. Линейный отклик CCD-камер в широком диапазоне яркости света способствует превосходной производительности и дает таким системам количественные возможности, как спектрофотометры с изображениями.

ПЗС-формирователь изображения состоит из большого количества светочувствительных элементов. расположены в двумерном массиве на тонкой кремниевой подложке. В полупроводниковые свойства кремния позволяют чипу CCD улавливать и удерживать фотонно-индуцированные носители заряда при соответствующем электрическом смещении условия. Отдельные элементы изображения или пиксели определяются в кремниевая матрица ортогональной сеткой из узких прозрачных полоски токонесущих электродов, или вентили, , нанесенные на микросхему.Основным светочувствительным элементом ПЗС-матрицы является металлооксидный полупроводник ( MOS ). Конденсатор работал как фотодиод и накопитель. Единый MOS устройство этого типа изображено на Рис. 2 , с обратным смещением. операция, вызывающая миграцию отрицательно заряженных электронов в область под положительно заряженным электродом затвора. Электроны высвободились за счет взаимодействия фотонов сохраняются в области истощения до полной лунки емкость резервуара.Когда собраны несколько детекторных структур в полную ПЗС-матрицу, отдельные чувствительные элементы в матрице разделены в одном измерении напряжениями, приложенными к поверхности электродов и электрически изолированы от своих соседей по в другом направлении с помощью изолирующих перегородок или каналов , ограничителей , внутри кремниевой подложки.

Светочувствительные фотодиодные элементы ПЗС-матрицы реагируют на падающий фотоны, поглощая большую часть своей энергии, что приводит к высвобождению электронов, и образование соответствующих электронодефицитных узлов (дырки) внутри кристаллической решетки кремния.Одна электронно-дырочная пара генерируется каждым поглощенным фотоном, и результирующий заряд, который накапливается в каждом пикселе линейно пропорционально количеству падающие фотоны. Внешнее напряжение, приложенное к электродам каждого пикселя контролировать хранение и движение зарядов, накопленных за время указанный временной интервал. Первоначально каждый пиксель в матрице датчиков функционирует как потенциальная яма для хранения заряда во время сбор, и хотя либо отрицательно заряженные электроны, либо положительно заряженные дырки могут накапливаться (в зависимости от ПЗС-матрицы). конструкции), зарядовые объекты, генерируемые падающим светом, обычно обозначается как фотоэлектронов .В этом обсуждении рассматривается электроны быть носителями заряда. Эти фотоэлектроны могут быть накапливаются и хранятся в течение длительного времени, прежде чем быть прочитаны из микросхема электроники камеры как один из этапов процесса визуализации.

Генерацию изображений с помощью камеры CCD можно разделить на четыре основных стадии или функции: генерация заряда посредством взаимодействия фотона с светочувствительная область устройства, сбор и хранение высвобожденный заряд, перенос заряда и измерение заряда.В течение На первом этапе электроны и дырки генерируются в ответ на падающие фотоны в обедненной области структуры МОП-конденсатора, и освобожденные электроны мигрируют в потенциальную яму, образованную под соседний положительно смещенный электрод затвора. Система из алюминия или Электроды затвора на поверхности поликремния накладываются друг на друга, но отделены от них, каналы, несущие заряд, которые скрыты в слое изолирующего диоксид кремния, помещенный между структурой затвора и кремнием субстрат.Использование поликремния в качестве электродного материала обеспечивает прозрачность для падающих волн длиннее примерно 400 нанометров и увеличивает долю площади поверхности устройства который доступен для светового сбора. Электроны, генерируемые в области истощения первоначально собираются в электрически положительные потенциальные ямы, связанные с каждым пикселем. Во время считывания собранный заряд впоследствии перемещается по каналам передачи под действием напряжений, приложенных к затворной конструкции. Рисунок 3 иллюстрирует структуру электрода, определяющую индивидуальную чувствительность ПЗС элемент.

Как правило, накопленный заряд линейно пропорционален световому потоку. поток, падающий на пиксель датчика до емкости скважины; следовательно, это полных скважин ( FWC ) определяет максимальный сигнал, который может быть обнаружен в пикселе, и является основным фактором влияющие на динамический диапазон ПЗС-матрицы.Зарядная емкость ПЗС-матрицы потенциальная яма во многом зависит от физического размера индивидуальный пиксель. С момента появления на рынке ПЗС-матриц обычно состоит из квадратных пикселей, собранных в прямоугольные массивы областей с соотношением сторон 4: 3, которое является наиболее распространенным. Рисунок 4 представлены типичные размеры некоторых из наиболее распространенных форматов датчиков в настоящее время, с обозначениями их размеров в дюймах в соответствии с историческое соглашение, которое связывает размеры ПЗС-матрицы с диаметрами видиконовых трубок.

Форматы ПЗС

Прямоугольная геометрия и общие размеры ПЗС-матриц являются результатом их ранняя конкуренция с видеокамерами видикон, которые требовали твердотельные датчики для создания выходного электронного сигнала, который соответствует преобладающим в то время стандартам видео. Обратите внимание, что Обозначения «дюймовые» не соответствуют напрямую ни одной из ПЗС-матриц. размеры, но представляют размер прямоугольной области, сканированной в соответствующая круглая трубка видикона. Специальная «1-дюймовая» ПЗС-матрица имеет диагональ 16 миллиметров и размер сенсора 9.6 х 12,8 миллиметров, полученных из области сканирования 1-дюймовой трубки видикона с внешний диаметр 25,4 мм и входное окно примерно 18 миллиметры в диаметре. К сожалению, эта запутанная номенклатура сохраняется, часто используется в отношении «типа» ПЗС, а не размера, и даже включает датчики, классифицируемые по комбинации дробных и десятичные числа, такие как широко распространенная 1 / 1,8-дюймовая ПЗС-матрица, промежуточные по размеру между устройствами размером 1/2 дюйма и 2/3 дюйма.

Хотя в потребительских камерах по-прежнему в основном используются прямоугольные датчики, построенные по одному из «стандартизованных» форматов размеров, становится все чаще в камерах научного класса используются квадратные массивы датчиков, которые лучше соответствуют круговому полю изображения, проецируемому в микроскоп.Производится широкий диапазон размеров сенсорных матриц и размеры отдельных пикселей сильно различаются в конструкциях, оптимизированных для разные параметры производительности. ПЗС-матрицы стандартного формата 2/3 дюйма обычно имеют матрицы из 768 x 480 или более диодов и размеры 8,8 x 6,6 миллиметра (диагональ 11 миллиметров). Максимальный размер представленная диагональю многих сенсорных матриц значительно меньше, чем поле зрения типичного микроскопа, и приводит к сильно увеличенный вид только части полного поля зрения.В увеличенное увеличение может быть полезным в некоторых приложениях, но если уменьшенное поле зрения препятствует получению изображений, уменьшая требуются промежуточные оптические компоненты. Альтернатива — использование ПЗС большего размера, который лучше соответствует диаметру поля изображения, от 18 до 26 миллиметров в типичных конфигурациях микроскопов.

Приблизительная емкость хранения потенциальной ямы ПЗС может быть получается умножением площади диода (пикселя) на 1000. Ряд 2/3-дюймовые ПЗС потребительского класса с размером пикселей от 7 до 13 микрометрами размером от 50000 до 100000 электроны.Используя эту стратегию приближения, диод с 10 x 10 Размеры микрометра будут иметь полную емкость примерно 100000 электронов. Для данного размера ПЗС выбор конструкции относительно общее количество пикселей в массиве и, следовательно, их размеры, требует компромисса между пространственным разрешением и зарядом пикселей емкость. Тенденция современных потребительских устройств к максимальному использованию пикселей количество и разрешение привели к очень маленьким размерам диодов, с некоторыми новых 2/3-дюймовых сенсоров, использующих пиксели менее 3 микрометров по размеру.

, разработанные для получения изображений в научных целях, традиционно использовались фотодиоды большего размера, чем те, которые предназначены для потребителей (особенно видео-скорость) и промышленных приложений. Потому что скважинная мощность и динамический диапазон напрямую зависит от размера диода, ПЗС-матрицы научного уровня используются в приложениях для получения изображений с медленной разверткой, обычно используются диоды. размером 25 x 25 микрометров для максимального увеличения динамического диапазона, чувствительность и отношение сигнал / шум. Многие современные высокопроизводительные камеры научного уровня включают усовершенствования конструкции, которые позволили использовать большие массивы с меньшими пикселями, которые способны поддержание оптического разрешения микроскопа на высоком кадре ставки.Большие массивы из нескольких миллионов пикселей в этих улучшенных конструкциях может обеспечить изображения всего поля зрения с высоким разрешением, а с использованием объединения пикселей (обсуждается ниже) и переменной скорости считывания, при необходимости обеспечьте более высокую чувствительность пикселей большего размера.

Считывание фотоэлектронов ПЗС-матрицы

До накопленного заряда можно измерить заряд каждого сенсорного элемента в ПЗС-матрице. чтобы определить поток фотонов на этом пикселе, заряд должен быть передается на узел считывания при сохранении целостности зарядный пакет.Быстрый и эффективный процесс переноса заряда, а также механизм быстрого считывания, имеет решающее значение для работы ПЗС-матриц как устройства визуализации. Когда большое количество МОП-конденсаторов размещено близко вместе, чтобы сформировать матрицу датчиков, заряд перемещается по устройству за счет манипулирование напряжениями на затворах конденсатора по схеме, которая вызывает заряд переливается с одного конденсатора на другой или с одного ряда конденсаторы к следующему. Трансляция заряда в кремнии эффективно связаны с синхронизированными схемами напряжения, подаваемыми на структура вышележащего электрода, основа термина «с зарядовой связью» устройство.ПЗС-матрица изначально задумывалась как массив памяти и предназначалась для функционировать как электронная версия устройства с магнитным пузырем. Схема процесса переноса заряда удовлетворяет критическому требованию для запоминающих устройств установления физической величины, которая представляет информационный бит и сохранение его целостности до считывания. В ПЗС-матрица, используемая для отображения, информационный бит представлен пакетом заряды, полученные от взаимодействия фотонов. Поскольку ПЗС-матрица серийная зарядные пакеты считываются по одному.

Накопленный заряд, накопленный в каждом фотодиоде ПЗС в течение заданного интервала времени, называемый временем интегрирования или временем экспозиции , необходимо измерить, чтобы определить поток фотонов на этом диоде. Количественная оценка накопленного заряда достигается комбинацией параллельные и последовательные передачи, доставляющие заряд каждого сенсорного элемента пакет, последовательно, к одному измерительному узлу.Электродная сеть, или структура затвора, встроенная на ПЗС в слое, прилегающем к чувствительным элементам, составляет сдвиговый регистр для передачи заряда. Основная концепция переноса заряда, которая позволяет последовательное считывание с двумерной диодной матрицы изначально требует весь массив отдельных зарядовых пакетов с поверхности имидж-сканера, составляющие параллельный регистр , чтобы быть одновременно переносится пошаговым однострочным сдвигом. Сдвиг с зарядовой связью всего параллельного регистра перемещает ближайшую к край регистра в специализированный одиночный ряд пикселей вдоль одного края микросхемы, называемой регистром серийного номера .Именно из этого ряд, в котором пакеты заряда последовательно перемещаются на микросхему усилитель для измерения. После того, как регистр последовательного порта опустошен, он заполняется еще одним сдвигом строки параллельного регистра, и цикл параллельный и последовательный сдвиги повторяются до тех пор, пока регистр опорожняется. Некоторые производители ПЗС используют термины по вертикали и по горизонтали . в отношении параллельного и последовательного регистров, соответственно, хотя последние термины более легко связаны с функцией выполняется каждым.

Широко используемая аналогия для визуализации концепции серийного номера. показания ПЗС — бригады ведра для измерения осадков, в интенсивность дождя, падающего на ряд ведер, может варьироваться в зависимости от места помещать по аналогии с падающими фотонами на датчик изображения (см. Рисунок 5 (а) ). Параллельный регистр представлен массивом ведра, которые собрали различное количество сигнала (воды) во время период интеграции. Ковши транспортируются на конвейерной ленте. пошагово к ряду пустых ведер, которые представляют серийный регистр, и которые перемещаются по второму конвейеру, ориентированы перпендикулярно первому.В рис. 5 (б) весь ряд ковшей параллельно смещается в резервуары последовательного регистра. Последовательные операции сдвига и считывания показаны на рис. . 5 (c) , на котором изображена дождевая вода, накопившаяся в каждом ведре. последовательно переносятся в калиброванную мерную емкость, аналог выходного усилителя ПЗС. Когда содержимое всего контейнеры на серийном конвейере были измерены последовательно, другой параллельный сдвиг передает содержимое следующей строки сбора ведра в контейнеры последовательного регистра, и процесс повторяется пока не будет измерено содержимое каждой корзины (пикселя).

На каждом этапе переключения напряжение, приходящееся на заднюю часть зарядовый пакет становится положительным, в то время как электроносодержащая яма сделан отрицательным или установлен на ноль (земля), заставляя накопленные электроны для перехода к следующему этапу.Вместо того, чтобы использовать резкое напряжение переходов в тактовой последовательности, приложенное напряжение изменяется на смежные фазы являются постепенными и перекрываются, чтобы обеспечить максимальную эффективная передача заряда. Переход к фазе 2 осуществляется прикладывая положительный потенциал к воротам фазы 2, распространяя накопленный заряд между скважинами фазы 1 и фазы 2, и когда потенциал фазы 1 возвращается на землю, весь пакет заряда принудительно переходит в фазу 2. Аналогичная последовательность синхронизированных переходов напряжения, под управлением часов параллельного регистра сдвига, используется для сдвига заряд от фазы 2 до фазы 3, и процесс продолжается до тех пор, пока полный сдвиг на один пиксель был завершен.Одни трехфазные часы цикл, примененный ко всему параллельному регистру, приводит к получению единственной строки сдвиг всего массива. Важный фактор при трехфазном переходе в том, что между соседними пикселями всегда поддерживается потенциальный барьер. зарядовых пакетов, что обеспечивает взаимно однозначное пространственное соответствие между датчиком и пикселями дисплея, которые должны сохраняться на всем изображении последовательность захвата.

Рисунок 6 иллюстрирует последовательность операций, только что описанных для передача заряда в трехфазной ПЗС-матрице, а также последовательность тактирования для импульсов возбуждения, подаваемых синхронизатором параллельного регистра сдвига на совершить перевод.На этой схематической визуализации пикселя заряд изображен перемещающимся слева направо по тактовому сигналу сигналы, которые одновременно уменьшают напряжение на положительно смещенный электрод (определяющий потенциальную яму) и увеличив его на электроде справа ( рисунки 6 (а) и 6 (б) ). В последнем из три ступени ( Рисунок 6 (c) ), заряд был полностью передан от одного электрода затвора к другому. Обратите внимание, что рост и падение фазы тактовых импульсов синхронизируются с небольшим перекрытием (не показано) для более эффективного переноса заряда и минимизировать возможность потери заряда во время смены.

При каждой полной параллельной передаче заряжаются пакеты от всего ряд пикселей перемещаются в регистр последовательного порта, где они могут быть последовательно смещается в сторону выходного усилителя, как показано на аналогия с ковшовой бригадой ( Рисунок 5 (c) ). Эта горизонтальная (последовательная) передача использует тот же трехфазный механизм связи заряда, что и вертикальный сдвиг строк, при этом управление синхронизацией обеспечивается сигналами от часы последовательного регистра сдвига. После того, как все пиксели перенесены из регистр последовательного интерфейса для считывания, часы параллельного регистра обеспечивают временные сигналы для смещения следующего ряда захваченных фотоэлектронов в регистр серийных номеров.Каждый пакет начислений в регистре серийного номера доставляется в выходной узел ПЗС, где он обнаруживается и считывается выходной усилитель (иногда называемый встроенным предусилителем) который преобразует заряд в пропорциональное напряжение. Напряжение выход усилителя представляет величину сигнала, производимого последовательные фотодиоды, считываемые последовательно слева направо в каждый ряд и от верхнего ряда к низу по всей двумерный массив. Выходной сигнал ПЗС на этом этапе, следовательно, является аналоговый сигнал напряжения, эквивалентный растровому сканированию накопленного заряда по поверхности изображения устройства.

После того, как выходной усилитель выполняет свою функцию увеличения зарядного пакета и преобразовав его в пропорциональное напряжение, сигнал передается на аналого-цифровой преобразователь ( ADC ), который преобразует значение напряжения в 0 и 1 двоичный код, необходимый для интерпретации компьютером. Каждый пиксель присваивается цифровое значение, соответствующее амплитуде сигнала, с шагом размер в соответствии с разрешением или битовой глубиной АЦП.Для Например, АЦП с 12-битным разрешением присваивает каждому пикселю значение от 0 до 4095, что соответствует 4096 возможным уровням серого изображения (2 в 12 степени равно 4096 шагам дигитайзера). Каждый уровень серого шаг называется аналого-цифровым блоком ( ADU ).

Технологическая сложность современных систем формирования изображений на основе ПЗС замечательно, учитывая большое количество операций, необходимых для захватить цифровое изображение, а также точность и скорость, с которой процесс завершен.Последовательность событий, необходимая для захвата одиночное изображение с полнокадровой системы камеры CCD можно резюмировать как следует:

• Затвор камеры открывается для начала накопления фотоэлектронов, с соответствующими электродами затвора, смещенными для сбора заряда.
• В конце периода интеграции заслонка закрывается и накопленный заряд в пикселях смещается строка за строкой по параллельному регистрируются под управлением тактовых сигналов от электроники камеры.Ряды пакетов зарядов передаются последовательно с одного края параллельный регистр в регистр последовательного сдвига.
• Передается содержимое заряда пикселей в последовательном регистре по одному пикселю за раз в выходной узел для считывания встроенным чипом усилитель, который усиливает электронный сигнал и преобразует его в аналоговый выход напряжения.
• АЦП назначает цифровое значение каждому пикселю в соответствии с его амплитудой напряжения.
• Каждое значение пикселя сохраняется в памяти компьютера или в буфере кадров камеры.
• Процесс последовательного считывания повторяется до тех пор, пока все строки пикселей очищается параллельный регистр, который обычно составляет 1000 или более строк для камер высокого разрешения.
• Полный файл изображения в памяти, размер которого может составлять несколько мегабайт. по размеру, отображается в подходящем формате на мониторе компьютера для визуальная оценка.
• ПЗС очищается от остаточного заряда перед следующей экспозицией путем выполнения полного цикла считывания, за исключением этапа оцифровки.

Несмотря на большое количество выполняемых операций, более одного миллиона пикселей может быть передано через чип, присвоено значение шкалы серого с 12-битным разрешением, сохранено в памяти компьютера и отображено менее чем за одну секунду.Типичное общее время, необходимое для считывания и отображения изображения, составляет примерно 0,5 секунды для 1-мегапиксельной камеры, работающей со скоростью оцифровки 5 МГц. Эффективность переноса заряда также может быть чрезвычайно высокой для охлаждаемых ПЗС-камер с минимальной потерей заряда, даже при тысячах переносов, требуемых для пикселей в областях матрицы, наиболее удаленных от выходного усилителя.

Архитектура датчика изображения CCD

Три основных варианта архитектуры CCD обычно используются для систем формирования изображений: полнокадровый , кадровая передача и построчная передача (см. Рисунок 7 ).Полнокадровая ПЗС-матрица, о которой говорилось в предыдущем описание процедуры считывания, имеет преимущество почти 100 процентов его поверхности светочувствительны, практически нет мертвых пространство между пикселями. Поверхность изображения необходимо защищать от падающий свет во время считывания ПЗС, и по этой причине электромеханический затвор обычно используется для управления экспозицией. Заряд, накопленный при открытой заслонке, впоследствии переносится и считываются после того, как ставня закрыта, и поскольку два шага не может происходить одновременно, частота кадров изображения ограничена скорость механического затвора, скорость переноса заряда и шаги считывания.Хотя полнокадровые устройства имеют самую большую светочувствительную область Типы ПЗС-матриц, они наиболее полезны с образцами, имеющими высокое качество изображения внутри сцены. динамический диапазон, а также в приложениях, не требующих разрешения по времени менее примерно одной секунды. При работе в режиме подмассива (в котором считывается уменьшенная часть полного массива пикселей) в чтобы ускорить считывание, на порядка 10 кадров в секунду, ограничено механическим затвором.

с кадровой передачей могут работать с более высокой частотой кадров, чем полнокадровые устройств, потому что экспонирование и считывание могут происходить одновременно с различная степень совпадения по срокам. Они похожи на полнокадровые устройств в составе параллельного регистра, но половина прямоугольная матрица пикселей покрыта непрозрачной маской и используется в качестве буфер для хранения фотоэлектронов, собранных немаскированными светочувствительная часть. После экспонирования изображения накопился заряд в светочувствительных пикселях быстро смещается в пиксели на хранилище стороне микросхемы, обычно в пределах примерно 1 миллисекунды.Поскольку пиксели памяти защищены от воздействия света алюминиевое или аналогичное непрозрачное покрытие, накопивший заряд в этой части датчик может систематически считываться с более медленной и более эффективной скоростью в то время как следующее изображение одновременно экспонируется на светочувствительная сторона чипа. Затвор камеры не нужен потому что время, необходимое для передачи заряда от области изображения к площадь хранения чипа составляет лишь часть времени, необходимого для типичная экспозиция.Поскольку камеры, использующие ПЗС-матрицы с кадровой передачей, могут быть работает непрерывно с высокой частотой кадров без механической опалубки, они подходят для исследования быстрых кинетических процессов методами таких как отображение соотношения красителей, в котором высокое пространственное разрешение и динамические диапазон важны. Недостатком этого типа датчика является то, что только половина площади поверхности ПЗС-матрицы используется для построения изображений, и следовательно, требуется гораздо больший чип, чем для полнокадрового устройство с массивом изображений эквивалентного размера, что увеличивает стоимость и наложение ограничений на физическую конструкцию камеры.

В конструкции ПЗС с построчным переносом столбцы активной визуализации пиксели и пиксели замаскированного хранения-передачи чередуются по всей массив параллельных регистров. Поскольку канал передачи заряда расположен непосредственно рядом с каждым столбцом светочувствительных пикселей, накопленный заряд должен быть перемещен только на один столбец в канал передачи. Этот сингл шаг передачи может быть выполнен менее чем за 1 миллисекунду, после чего массив хранения считывается серией параллельных сдвигов в последовательный регистр, пока массив изображений выставляется для следующего изображение.Архитектура межстрочного переноса позволяет очень быстро периоды интеграции благодаря электронному контролю интервалов экспозиции, а вместо механического затвора можно отрендерить массив эффективно нечувствителен к свету, отбрасывая накопленный заряд, а чем перекладывать на каналы передачи. Хотя интерлайн-перевод датчики позволяют считывать скорость видео и получать высококачественные изображения ярких освещенные предметы, основные формы более ранних устройств пострадали от уменьшены динамический диапазон, разрешение и чувствительность из-за того, что примерно 75 процентов поверхности ПЗС занимает каналы хранения-передачи.

Хотя более ранние ПЗС-матрицы с построчным переносом, например, используемые в видео видеокамеры, обеспечивающие высокую скорость считывания и высокую частоту кадров без необходимость жалюзи, они не обеспечивали адекватной производительности для приложения с высоким разрешением в условиях низкой освещенности в микроскопии. В добавление к снижение светочувствительности, связанное с переменным столбцы изображений и областей хранения-передачи, высокая скорость считывания светодиода к более высокому шуму чтения камеры и уменьшенному динамическому диапазону в более ранних формирователи изображений с межстрочным переносом.Улучшения в конструкции сенсора и камеры электроника полностью изменила ситуацию до такой степени, что современные устройства Interline обеспечивают превосходную производительность для цифровых камеры для микроскопии, в том числе те, которые используются в условиях слабого освещения, например как запись малых концентраций флуоресцентных молекул. Приверженец микролинзы , выровнен на поверхности ПЗС, чтобы покрыть пары пикселей изображения и хранилища, собрать свет, который обычно теряется на замаскированных пикселях, и сфокусироваться это на светочувствительных пикселях (см. Рисунок 8 ).Объединив небольшие размер пикселя с технологией микролинз, межстрочные датчики способны обеспечение пространственного разрешения и сопоставимой эффективности сбора света на ПЗС-матрицы с полнокадровым и покадровым переносом. Эффективный светочувствительный площадь межстрочных датчиков, использующих микролинзы на кристалле, увеличена до 75-90 процентов площади поверхности.

Дополнительное преимущество включения микролинз в ПЗС-матрицу структура состоит в том, что спектральная чувствительность датчика может быть расширена в синюю и ультрафиолетовую области длин волн, обеспечивая улучшенное утилита для более коротковолновых приложений, таких как популярные методы флуоресценции с использованием зеленого флуоресцентного белка ( GFP ) и красители, возбуждаемые ультрафиолетом.Чтобы увеличить квантовую эффективность в видимом спектре, новейшие высокопроизводительные чипы включают конструкции затвора из таких материалов, как индий-олово оксида, который имеет гораздо более высокую прозрачность в сине-зеленом спектральном область. Такие непоглощающие структуры затворов приводят к квантовой эффективности значения приближаются к 80 процентам для зеленого света.

Предыдущее ограничение уменьшенного динамического диапазона для межстрочного переноса ПЗС-матрицы в значительной степени преодолены за счет усовершенствованной электронной технологии, которая снизил шум чтения камеры примерно наполовину.Поскольку активная пиксельная площадь межстрочных ПЗС-матриц составляет примерно треть от сопоставимые полнокадровые устройства, полная емкость скважины (функция область пикселей) уменьшается аналогично. Ранее этот фактор в совокупности с относительно высоким уровнем шума чтения камеры, что привело к недостаточному сигналу динамический диапазон для поддержки более чем 8- или 10-битной оцифровки. Высокопроизводительные межстрочные камеры теперь работают со значениями шума считывания как низкий от 4 до 6 электронов, что обеспечивает динамический диапазон эквивалентно 12-битным камерам, использующим полнокадровые ПЗС-матрицы.Дополнительные улучшения в факторах дизайна микросхемы, таких как схемы тактирования, и в электронике камеры, позволили увеличить скорость считывания. ПЗС-матрицы с построчным переносом теперь позволяют обрабатывать 12-битные мегапиксельные изображения. регистрируется на частоте 20 мегагерц, что примерно в 4 раза превышает скорость полнокадровые камеры с сопоставимыми размерами массивов. Прочие технологические улучшения, в том числе модификации состава полупроводников, включены в некоторые ПЗС-матрицы с построчным переносом для улучшения квантовых эффективность в ближней инфракрасной части спектра.

Характеристики изображения ПЗС-детектора

Несколько рабочих параметров камеры, которые изменяют этап считывания при получении изображения, влияют на качество изображения. Скорость считывания большинства ПЗС-камер научного уровня можно регулировать, и обычно колеблется от примерно 0,1 МГц до 10 или 20 МГц. Максимум достижимая скорость зависит от скорости обработки АЦП и другая электроника камеры, которая отражает время, необходимое для оцифровки один пиксель.Приложения, предназначенные для отслеживания быстрых кинетических процессов требуется быстрое считывание и частота кадров для достижения адекватной временное разрешение и, в некоторых случаях, скорость видео 30 необходимо количество кадров в секунду или выше. К сожалению, из различных компоненты шума, которые всегда присутствуют в электронном изображении, считываются шум является основным источником, а высокая скорость считывания увеличивает шум уровень. Если самое высокое временное разрешение не требуется, лучше изображения образцов, которые дают низкие значения интенсивности пикселей, могут быть получается при более низкой скорости считывания, что минимизирует шум и поддерживает адекватное соотношение сигнал / шум.Когда динамические процессы требуют быстрых частоты кадров изображения, нормальная последовательность считывания ПЗС может быть изменена на уменьшить количество обрабатываемых пакетов заряда, что позволяет осуществлять сбор данных в некоторых случаях скорость составляет сотни кадров в секунду. Это увеличило частота кадров может быть достигнута путем объединения пикселей во время считывания ПЗС и / или считывая только часть детекторной матрицы, как описано ниже.

Программное обеспечение для получения изображений большинства систем CCD-камер, используемых в оптическая микроскопия позволяет пользователю определять меньшее подмножество, или подмассив , , всего массива пикселей, предназначенного для захвата изображения и отображать.Выбрав уменьшенную часть поля изображения для обработки, невыделенные пиксели отбрасываются без оцифровки АЦП, соответственно увеличивается скорость считывания. В зависимости от используемое программное обеспечение для управления камерой, подматрица может быть выбрана из предварительно определенные размеры массива или интерактивно обозначенные как интересующая область с помощью компьютерной мыши и монитора. Считывание подмассивов метод обычно используется для получения последовательностей покадровой съемки. images, чтобы создавать файлы изображений меньшего размера и с большей степенью управляемости.

Накопленные пакеты заряда от соседних пикселей в матрице ПЗС могут быть объединены во время считывания, чтобы сформировать уменьшенное количество суперпикселей . Этот процесс называется биннингом пикселей , и выполняется в параллельном регистре путем тактирования двух или более строк переходит в регистр последовательного порта перед выполнением последовательного сдвига и последовательность считывания. Процесс биннинга обычно повторяется в серийном регистрировать, синхронизируя несколько сдвигов в узле считывания перед заряд считывается выходным усилителем.Любая комбинация параллельных и последовательные смены можно комбинировать, но обычно это симметричная матрица пиксели объединяются, чтобы сформировать каждый отдельный суперпиксель (см. Рисунок 9) . В качестве пример, 3 x 3 биннинг выполняется путем первоначального выполнения 3 параллельных сдвига строк в последовательный регистр (до последовательного передачи), после чего каждый пиксель в последовательном регистре содержит комбинированный заряд от 3 пикселей, которые были соседями в соседнем параллельные ряды. Впоследствии 3 этапа последовательной смены выполняются в выходной узел до измерения заряда.Итоговый заряд пакет обрабатывается как один пиксель, но содержит объединенные фотоэлектронное содержание 9 физических пикселей (суперпиксель 3 x 3). Хотя бининг снижает пространственное разрешение, процедура часто позволяет получение изображения в условиях, которые делают невозможным получение изображений с нормальное считывание ПЗС. Это позволяет увеличить частоту кадров для последовательностей изображений, если скорость сбора данных ограничена циклом чтения камеры, а также обеспечение улучшенного отношения сигнал / шум для эквивалентного времени экспозиции.Дополнительные преимущества включают более короткое время выдержки для получения одинаковая яркость изображения (очень важно для визуализации живых клеток) и меньшие размеры файлов изображений, что снижает требования к памяти компьютера и ускоряет обработку изображений.

Фактор захвата третьей камерой, который может повлиять на качество изображения. поскольку он изменяет процесс считывания ПЗС, электронный коэффициент усиления системы камеры. Регулировка усиления цифровой камеры CCD система определяет количество накопленных фотоэлектронов, определяющих каждый шаг уровня серого распознается электроникой считывания, и обычно применяется на этапе аналого-цифрового преобразования.Увеличение в электронном усилении соответствует уменьшению количества фотоэлектроны, которые назначаются на уровень серого (электроны / ADU), и позволяет разделить данный уровень сигнала на большее количество серых ступени уровня. Обратите внимание, что это отличается от настроек усиления, применяемых к фотоэлектронные умножители или трубки видикона, в которых изменяющийся сигнал усиливается фиксированным коэффициентом умножения. Хотя электронное усиление регулировка действительно обеспечивает метод расширения ограниченной амплитуды сигнала до желаемое большое количество уровней серого, если оно используется чрезмерно, небольшое количество электронов, различающих соседние уровни серого, может привести к к ошибкам оцифровки.Настройки высокого усиления могут привести к появлению шума из-за неточная оцифровка, которая проявляется в виде зернистости в финальном изображение. Если желательно сокращение времени воздействия, увеличение электронное усиление позволит поддерживать фиксированное большое количество серого шага шкалы, несмотря на пониженный уровень сигнала, при условии, что примененное усиление не приводит к чрезмерному ухудшению качества изображения. Как пример влияния различных коэффициентов усиления на постоянную уровень сигнала, начальная настройка усиления, которая назначает 8 электронов на ADU (уровень серого) означает, что сигнал пикселя, состоящий из 8000 электронов будет отображаться на 1000 уровнях серого.Увеличивая прирост за счет применение коэффициента усиления 4x к базовой настройке, количество электронов на уровень серого снижается до 2 (2 электрона / ADU) и 4000 Уровни серого выделяются электроникой оцифровки.

Качество цифрового изображения можно оценить по четырем количественным критерии, которые частично определяются конструкцией ПЗС, но которые также отражают реализацию ранее описанной работы камеры переменные, которые напрямую влияют на качество изображения ПЗС-матрицы детектор.Основные критерии качества изображения и их влияние: резюмируется следующим образом:

• Пространственное разрешение: Определяет возможность захвата мелких деталей образца без видимых пикселей на изображении.
• Разрешение яркости света: Определяет динамический диапазон или количество уровней серого, которые можно различить на отображаемом изображении.
• Разрешение по времени: Частота выборки (кадров) определяет способность отслеживать движение живого образца или быстрые кинетические процессы.
• Отношение сигнал / шум: Определяет видимость и четкость сигналов образца относительно фона изображения.

В микроскопической визуализации не все важные изображения критерии качества можно одновременно оптимизировать в одном изображении или последовательность изображений. Получение лучших изображений в рамках ограничений налагается конкретным образцом или экспериментом, как правило, требует компромисс между перечисленными критериями, которые часто приводят к противоречивым требования.Например, при съемке покадровой последовательности живых выступлений. для образцов с флуоресцентной меткой может потребоваться снижение общего воздействия время минимизировать фотообесцвечивание и фототоксичность. Несколько методов могут могут быть использованы для достижения этой цели, хотя каждый из них включает в себя деградацию некоторые аспекты работы с изображениями. Если образец выставлен меньше часто временное разрешение снижено; применение биннинга пикселей к разрешить более короткие выдержки снижает пространственное разрешение; и увеличение электронное усиление ухудшает динамический диапазон и отношение сигнал / шум.Различные ситуации часто требуют совершенно разных изображений. обоснование оптимальных результатов. В отличие от предыдущего примера, в чтобы максимизировать динамический диапазон на одном изображении образца, который требует короткого времени выдержки, применения биннинга или усиления увеличение может достичь цели без значительного отрицательного воздействия на изображение. Для создания эффективных цифровых изображений требуется микроскопист должен быть полностью знаком с важнейшим качеством изображения критерии и практические аспекты приобретения балансировочной камеры параметры для максимизации наиболее значимых факторов в конкретном ситуация.

Небольшое количество факторов производительности ПЗС и исправная камера параметры доминируют над основными аспектами качества цифрового изображения в микроскопия, и их эффекты в значительной степени перекрываются. Факторы, которые являются наиболее важными в контексте практического использования камеры CCD, и обсуждается далее в следующих разделах, включая шум детектора источники и отношение сигнал / шум, частота кадров и временное разрешение, размер пикселя и пространственное разрешение, спектральный диапазон и квант КПД и динамический диапазон.

Источники шума камеры ПЗС

Чувствительность камеры по минимальному обнаруживаемому сигналу составляет определяется как фотонным статистическим (дробовым) шумом, так и электронным шум, возникающий в ПЗС-матрице. По консервативной оценке, сигнал можно отличить от сопутствующего шума только в том случае, если он превышает шум примерно в 2,7 раза (отношение сигнал / шум 2,7). Минимальный сигнал который теоретически может дать заданное значение SNR, определяется случайным вариации потока фотонов, источник собственного шума, связанный с сигнал, даже с идеальным бесшумным детектором.Этот фотон статистический шум равен квадратному корню из числа сигналов фотонов, и поскольку он не может быть устранен, он определяет максимальное достижимое отношение сигнал / шум для бесшумного детектора. Отношение сигнал / шум равно следовательно, определяется уровнем сигнала S , деленным на квадратный корень из сигнала ( S (1/2)), и равен квадратному корню из S . Если значение SNR 2,7 требуется для различения сигнала от шума, уровень сигнала 8 фотонов теоретически минимален обнаруживаемый световой поток.

На практике другие составляющие шума, не связанные с сигнал фотона образца, вносится ПЗС-матрицей и системой камеры электроники и добавить к собственному фотонному статистическому шуму. Один раз накапливается в сборных колодцах, заряд от источников шума нельзя отличить от сигнала, полученного от фотонов. Большая часть системного шума результат шума усилителя считывания и генерации тепловых электронов в кремний микросхемы детектора. Тепловой шум связан с кинетические колебания атомов кремния в подложке ПЗС, высвобождающие электроны или дырки, даже когда устройство находится в полной темноте, и которые впоследствии накапливаются в потенциальных ямах.По этой причине шум обозначается как темновой шум и представляет собой неопределенность в величине накопления темного заряда во время указанный временной интервал. Скорость генерации темного заряда, называемая темновым током , не связан с сигналом, индуцированным фотонами, но имеет высокую температуру зависимый. Подобно фотонному шуму, темновой шум следует за статистическая (квадратный корень) связь с темновым током, и, следовательно, это нельзя просто вычесть из сигнала.Охлаждение ПЗС снижает накопление темного заряда на порядок на каждые 20 градусов Снижение температуры по Цельсию, и высокопроизводительные камеры обычно охлаждается во время использования. Охлаждение даже до 0 градусов очень выгодно, а при -30 градусов темновой шум снижается до незначительного значения для практически любое приложение для микроскопии.

При условии, что ПЗС охлаждается, остающийся основной компонент электронного шума составляет шум чтения , в первую очередь происходит от предусилителя на кристалле во время процесса преобразования носителей заряда в сигнал напряжения.Хотя прочитанный шум добавляется равномерно к каждому пикселю детектора, его величина не может быть точно определен, а только приблизительно значение в единицах электронов (среднеквадратичное или среднеквадратичное) на пиксель. Некоторые типы шума усилителя считывания зависят от частоты, а в как правило, шум чтения увеличивается со скоростью измерения заряд в каждом пикселе. Увеличение шума при высоком считывании и кадре Частично это связано с тем, что усилитель требует большей полосы пропускания. при более высоких тактовых частотах пикселей.Охлаждение ПЗС снижает считывание шум усилителя в некоторой степени, хотя и не на незначительном уровне. В текущую высокопроизводительные системы камер, которые значительно снижают значимость читать шум, однако. Одна стратегия для достижения высоких показателей считывания и кадра скорости без увеличения шума заключается в электрическом разделении ПЗС-матрицы на два или более сегмента для сдвига заряда в параллельном регистре к нескольким выходным усилителям, расположенным на противоположных краях или углах чипа.Эта процедура позволяет считывать заряд с массива. с большей общей скоростью без чрезмерного увеличения скорости чтения (и шум) отдельных усилителей.

Охлаждение ПЗС-матрицы для уменьшения темнового шума дает дополнительное преимущество повышения эффективности переноса заряда ( CTE ) устройства. Этот фактор производительности становится все более и более важно из-за больших размеров массива пикселей, используемых во многих современных ПЗС-формирователи изображения, а также более высокая скорость считывания, необходимая для исследования быстрых динамических процессов.С каждой сменой заряда пакет по каналам передачи в процессе считывания ПЗС, небольшая часть может остаться. В то время как индивидуальные трансфертные потери при каждый пиксель в большинстве случаев крошечный, большое количество передач требуется, особенно в мегапиксельных сенсорах, может привести к значительному потери для пикселей на наибольшем удалении от считывания ПЗС усилитель (ы), если эффективность переноса заряда не очень высока. Возникновение неполного переноса заряда может привести к размытию изображения. из-за смешения зарядов от соседних пикселей.Кроме того, совокупные потери заряда при каждой передаче пикселя, особенно при больших массивов, может привести к явлению затенения изображения , в котором появляются области изображений, наиболее удаленные от выходного усилителя ПЗС тусклее, чем те, которые расположены рядом с последовательным регистром. Перенос заряда значения КПД охлаждаемых ПЗС-матриц могут быть 0,9999 и выше, а в то время как CTE с таким высоким значением обычно незначительны для эффекта изображения, значения ниже, чем 0,999, вероятно, приведет к затемнению.

Доступны как аппаратные, так и программные методы компенсации затенение интенсивности изображения.Программная коррекция реализована получение изображения поля с однородной интенсивностью, которое затем используется системой визуализации для создания карты попиксельной коррекции, которая может применяться к последующим изображениям образца для устранения неоднородности из-за штриховки. Методы коррекции программного обеспечения обычно удовлетворительно в системах, не требующих поправочных коэффициентов больше чем примерно 10-20 процентов местной интенсивности. Больше исправления, примерно до пяти раз, могут быть обработаны аппаратными средствами методы путем настройки коэффициентов усиления для отдельного пикселя ряды.Требуемая регулировка усиления определяется сигналом дискретизации. интенсивности в пяти или шести замаскированных эталонных пикселях, расположенных за пределами область изображения в конце каждой строки пикселей. Значения напряжения, полученные из столбцы опорных пикселей на краю параллельного регистра служат в качестве контролирует потери при переносе заряда и производит поправочные коэффициенты для каждая строка пикселей, которые применяются к напряжениям, полученным из этой строки во время считывания. Поправочные коэффициенты велики в регионах некоторых датчики, такие как области, удаленные от выходного усилителя по скорости видеосигнала камеры, и уровень шума может быть значительно увеличен для этих изображений области.Хотя процесс аппаратной коррекции убирает затенение эффекты без видимого уменьшения сигнала, следует понимать, что результирующее отношение сигнал / шум не является однородным по всей изображение.

Пространственное и временное разрешение в датчиках изображения CCD

Во многих приложениях система захвата изображений, способная обеспечить высокое временное разрешение это основное требование. Например, если кинетика процесса изучается, требует видеосъемки с умеренным разрешением, камера, способная обеспечить превосходное разрешение, тем не менее, выгода, если он обеспечивает такую ​​производительность только при низкой скорости сканирования, и работает незначительно или совсем не работает при высокой частоте кадров.Полнокадровый камеры с медленным сканированием не обеспечивают высокое разрешение при скорости видео, требуется примерно одна секунда на кадр для большого массива пикселей, в зависимости от скорости оцифровки электроники. Если образец яркость сигнала достаточно высока, чтобы обеспечить короткое время экспозиции (на порядка 10 миллисекунд), использование биннинга и подмассива выбор позволяет получать около 10 кадров в секунду на уменьшенное разрешение и размер кадра у камер с электромеханическим ставни.Более высокая частота кадров обычно требует использования камеры с построчной или кадровой передачей, не требующие жалюзи и, как правило, также могут работать с более высокими скоростями оцифровки. Последнее поколение высокопроизводительных камер этой конструкции может Захватывайте полнокадровые 12-битные изображения почти со скоростью видео.

Превосходное теперь пространственное разрешение CCD систем визуализации напрямую связано с размером пикселя и постоянно улучшается благодаря технологические усовершенствования, которые позволили создавать пиксели ПЗС все меньше и меньше при сохранении других эксплуатационных характеристик формирователей изображений.По сравнению с типичными размерами зерна пленки (приблизительно 10 микрометров), пиксели многих используемых CCD-камер в биологической микроскопии меньше по размеру и обеспечивает более чем адекватное разрешение в сочетании с широко используемыми объективами с большим увеличением которые проецируют дифракционные диски относительно большого радиуса (Эйри) на ПЗС-поверхность. ПЗС-камеры научного уровня с построчным переносом теперь доступны доступны с пикселями меньше 5 микрометров, что делает их подходящими для получения изображений с высоким разрешением даже с объективами с малым увеличением.Отношение размера элемента детектора к соответствующему оптическому разрешению критерии — важный фактор при выборе цифровой камеры, если должно сохраняться пространственное разрешение оптической системы.

Критерий выборки Найквиста обычно используется для определения адекватность размера пикселя детектора относительно разрешения возможности оптики микроскопа. Теорема Найквиста указывает, что наименьший радиус дифракционного диска, создаваемый оптической системой должны быть отобраны как минимум двумя пикселями в массиве изображений, чтобы сохранить оптическое разрешение и избежать наложения спектров.В качестве примера, рассмотрим ПЗС-матрицу с размерами пикселей 6,8 x 6,8 мкм, соединенную с объективом 100x, числовой апертурой 1.3, который дает Пятно дифракции 26 мкм (радиус) в плоскости детектора. Превосходное разрешение возможно с этим детектором-объективом. комбинация, потому что радиус дифракционного диска покрывает примерно 4-пиксельный диапазон (26 / 6,8 = 3,8 пикселя) на матрице детектора или почти вдвое больше предельного критерия Найквиста. На этой частоте дискретизации имеется достаточный запас, чтобы критерий Найквиста почти устраивает даже биннинг 2 x 2 пикселя.

Квантовая эффективность датчика изображения

Детектор квантовая эффективность ( QE ) является мерой вероятность того, что фотон с определенной длиной волны будет захвачен в активной области устройства для высвобождения заряда перевозчики. Параметр представляет эффективность тепловизора ПЗС в генерирует заряд от падающих фотонов, и поэтому является основным определитель минимально обнаруживаемого сигнала для системы камер, особенно при съемке при слабом освещении.Бесплатно генерируется, если фотон никогда не достигает обедненного слоя полупроводника или если он проходит полностью без передачи значительной энергии. Характер взаимодействия фотона с детектором зависит от от энергии фотона и соответствующей длины волны, и прямо относится к спектральному диапазону чувствительности детектора . Несмотря на то что обычные ПЗС-детекторы с передней подсветкой очень чувствительны и эффективные, ни один из них не имеет стопроцентной квантовой эффективности на любой длине волны.

Датчики изображения, обычно используемые в флуоресцентной микроскопии, могут обнаруживать фотоны в спектральном диапазоне 400-1100 нанометров, с пиковая чувствительность обычно в диапазоне 550-800 нм. Максимум Значения QE составляют всего около 40-50 процентов, за исключением новейших разработок, который может достигать 80-процентной эффективности. Рисунок 10 иллюстрирует спектральная чувствительность ряда популярных ПЗС-матриц на графике, отображающем квантовая эффективность как функция длины волны падающего света.Самый ПЗС-матрицы, используемые в научной визуализации, относятся к типу межстрочного переноса и потому что межстрочная маска сильно ограничивает светочувствительную поверхность области, многие старые версии показывают очень низкие значения QE. С появлением технологии поверхностных микролинз, чтобы направлять больше падающего света на светочувствительные области между каналами передачи, более новый межстрочный датчики намного более эффективны, и многие из них имеют значения квантовой эффективности 60-70 процентов.

Спектральный диапазон сенсора и квантовая эффективность дополнительно улучшены в ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны длин волн различные дополнительные стратегии проектирования в нескольких высокопроизводительных ПЗС-матрицах.Поскольку алюминиевые переходные ворота с поверхностью поглощают или отражают большую часть синие и ультрафиолетовые волны, во многих новых конструкциях используются другие материалы, такие как оксид индия-олова, для улучшения передачи и квантового эффективность в более широком спектральном диапазоне. Еще более высокие значения QE могут быть полученные с помощью специализированных ПЗС-матриц с обратным утонением, которые сконструированы так, чтобы допускать освещение с тыльной стороны, избегая поверхностного электрода структура целиком. Чтобы это стало возможным, большая часть кремния подложка удаляется травлением, и хотя получившееся устройство тонкий и относительно дорогой, квантовая эффективность примерно 90 процентов могут быть достигнуты в обычном порядке.

Могут использоваться другие материалы для обработки поверхности и строительные материалы. для получения дополнительных преимуществ спектрального диапазона. Производительность обратного прореживания ПЗС-матрицы в ультрафиолетовом диапазоне длин волн улучшаются за счет нанесение специализированных просветляющих покрытий. Изменено полупроводниковые материалы используются в некоторых детекторах для улучшения квантовых эффективность в ближнем инфракрасном диапазоне. Чувствительность к длинам волн вне диапазона нормальный спектральный диапазон обычных ПЗС-матриц с передней подсветкой может быть достигается применением люминофоров с преобразованием длины волны на лицо детектора.Люминофор для этой цели выбирают для поглощения энергия фотонов в интересующей спектральной области и излучение света в пределах область спектральной чувствительности ПЗС-матрицы. В качестве примера этого стратегии, если интересующий образец или флуорофор излучает свет на 300 нанометров (где чувствительность любой ПЗС минимальна), преобразование на поверхности детектора можно использовать люминофор, который поглощает эффективно при 300 нанометрах и излучает при 560 нанометрах, в пределах диапазон пиковой чувствительности ПЗС-матрицы.

Динамический диапазон

Термин, именуемый динамическим диапазоном ПЗС-детектора. выражает максимальное изменение интенсивности сигнала, которое может быть определено количественно датчиком.Количество указывается численно большинством камер CCD. производителей как отношение полной емкости пикселя ( FWC ) к шум чтения, с обоснованием, что это значение представляет ограничивающее условие, при котором яркость внутри сцены колеблется от регионов которые находятся только на уровне насыщенности пикселей, в области, которые практически не теряются в шуме. Динамический диапазон датчика определяет максимальное количество разрешаемые шаги уровня серого, в которые может быть включен обнаруженный сигнал разделенный. Чтобы в полной мере использовать динамический диапазон ПЗС-матрицы, она подходит для согласования разрядности аналого-цифрового преобразователя с динамический диапазон, позволяющий различать как можно больше шкалы серого шаги по мере возможности.Например, камера с FWC на ​​16000 электронов и шум считывания 10 электронов, имеет динамический диапазон 1600, что поддерживает 10-11-битное аналого-цифровое преобразование. Аналого-цифровой преобразователи с разрядностью 10 и 11 способны различать 1024 и 2048 уровней серого соответственно. Как указывалось ранее, поскольку компьютерный бит может принимать только одно из двух возможных состояний, количество шаги интенсивности, которые могут быть закодированы цифровым процессором (АЦП) отражает его разрешение (битовую глубину) и равно 2 в повышении значение спецификации битовой глубины.Следовательно, 8, 10, 12 и 14 бит процессоры могут кодировать максимум 256, 1024, 4096 или 16384 серого уровни.

Определение динамического диапазона как отношения полной емкости скважины к считыванию. шум не обязательно является реалистичной мерой полезного динамического диапазона, но полезен для сравнения датчиков. На практике полезный динамический диапазон меньше, потому что отклик ПЗС становится нелинейным перед полным достигнута емкость скважины и поскольку уровень сигнала равен шуму чтения неприемлемо визуально и практически бесполезно для количественной целей.Обратите внимание, что максимальный динамический диапазон не эквивалентен максимально возможное отношение сигнал / шум, хотя отношение сигнал / шум также является функция полной мощности скважины. Фотонный статистический шум, связанный с с максимально возможным сигналом, или FWC, является квадратным корнем из FWC значение, или 126 электронов, для предыдущего примера с 16000 электронами FWC. Таким образом, максимальное отношение сигнал / шум равно максимальный сигнал, деленный на шум (16000/126), или 126, квадратный корень из сам сигнал.Фотонный шум представляет собой минимальный собственный уровень шума, а также обнаружение рассеянного света и электронного (системного) шума уменьшить максимальное отношение сигнал / шум, которое может быть реализовано на практике, до значений ниже 126, так как эти источники уменьшают эффективную FWC, добавляя плату это не сигнал для колодцев.

Хотя производитель обычно оснащает камеру динамический диапазон примерно 4000, например, с 12-битным АЦП (4096 шагов оцифровки), при рассмотрении соответствие между динамическим диапазоном сенсора и возможностью оцифровки процессор.Для некоторых новейших CCD-камер с построчным переносом которые обеспечивают 12-битную оцифровку, динамический диапазон определяется из Шум FWC и чтения составляет примерно 2000, что обычно не требуется 12-битная обработка. Однако ряд современных дизайнов включить опцию для установки усиления на 0,5x, что позволяет полностью использовать 12-битное разрешение. Эта стратегия использует тот факт, что пиксели последовательного регистра имеют вдвое больше электронов. емкость пикселей параллельного регистра, и когда камера работает в Режим бининга 2 x 2 (обычный в флуоресцентной микроскопии), 12 бит могут быть получены изображения высокого качества.

Важно знать о различных механизмах, в которых электронным усилением можно управлять, чтобы использовать доступную битовую глубину процессора, и когда динамический диапазон разных камер по сравнению, лучший подход — вычислить значение из пикселя полная емкость лунки и шум чтения камеры. Обычно можно увидеть камеру системы, оснащенные обрабатывающей электроникой, имеют гораздо более высокую разрешение оцифровки, чем требуется внутренним динамическим диапазоном камера.В такой системе работа на обычном 1x электронном установка усиления приводит к потенциально большому количеству неиспользуемых процессоров уровни серой шкалы. Производитель камеры может применить неуказанный коэффициент усиления 2-4x, который может быть не очевиден для пользователя, и хотя эта практика действительно усиливает сигнал, чтобы использовать полной разрядности АЦП, он производит повышенный шум оцифровки, поскольку количество электронов, составляющих каждую ступеньку уровня серого, уменьшается.

Потребность в высокой битовой глубине в камерах CCD может быть поставлена ​​под сомнение ввиду того факта, что устройства отображения, такие как компьютерные мониторы и многие другие принтеры используют только 8-битную обработку, обеспечивая 256 уровней серого, и другие печатные носители, а также человеческий глаз могут обеспечивать только 5-7 бит дискриминация.Несмотря на такие низкие визуальные требования, высокие побитовые камеры с большим динамическим диапазоном всегда выгодны, и необходимы для определенных приложений, особенно при флуоресценции. микроскопия. При обработке логометрических или кинетических данных изображений в количественные исследования, большее количество уровней серого позволяет свету интенсивности, которые необходимо определить более точно. Кроме того, когда выполняются несколько операций обработки изображений, данные изображения которые более точно разделены на множество шагов уровня серого, могут выдерживать большую степень математических манипуляций без деградация из-за ошибок округления.

Третье преимущество высокоразрядных систем визуализации реализуется, когда часть захваченного изображения выбирается для отображения, а область интерес охватывает только часть полного динамического диапазона изображения. К оптимизировать представление ограниченного динамического диапазона, исходный количество уровней серого обычно увеличивается, чтобы занять все 256 уровней 8-битный монитор или печать. Чем выше битовая глубина камеры, тем меньше экстремальное расширение и, соответственно, меньшая деградация изображения. Как Например, если выбранная область изображения занимает только 5 процентов от полной внутрисценовый динамический диапазон, это более 200 уровней серого 4096 распознается 12-битным процессором, но только 12 шагов с 8-битная (256 уровней) система.При отображении на мониторе с 256 уровнями или распечатано, 12-уровневая картинка, развернутая до такой степени, будет выглядеть пиксельные и демонстрируют блочные или контурные ступени яркости, а не плавные тональные градации.

Датчики цветного изображения CCD

Хотя матрицы ПЗС по своей природе не чувствительны к цвету, три разных стратегии обычно используются для получения цветных изображений с помощью камеры CCD системы, чтобы запечатлеть внешний вид образцов в микроскоп. Ранее возникшие технические трудности при отображении и печати цветные изображения больше не являются проблемой, а увеличение количества информации цвет может быть существенным.Многие приложения, такие как флуоресцентная микроскопия, исследование окрашенной гистологии и патологии срезы тканей и другие наблюдения за образцами с метками с использованием методы светлого поля или дифференциального интерференционного контраста полагаются на цвет как важнейший компонент изображения. Получение цветных изображений с камерой CCD требует, чтобы длины волн красного, зеленого и синего цветов были изолированы цветными фильтрами, приобретаются отдельно и впоследствии объединены в составное цветное изображение.

Каждый подход, используемый для достижения цветовой дискриминации, имеет свои сильные стороны и слабые места, и все налагают ограничения, ограничивающие скорость, ниже временное и пространственное разрешение, уменьшение динамического диапазона и увеличение шум в цветных камерах по сравнению с полутоновыми камерами.Самый распространенный Метод состоит в том, чтобы покрыть массив пикселей ПЗС чередующейся маской красный, зеленый и синий ( RGB, ) микролинзовые фильтры, расположенные в определенном порядке, обычно это мозаичный узор Bayer . В качестве альтернативы, с трехчиповым дизайн, изображение разделено светоделительной призмой и цветным фильтрует на три (RGB) компонента, которые захватываются отдельными ПЗС-матрицы и их выходы объединены в цветное изображение. Третий Подход представляет собой метод с последовательностью кадров , в котором используется одна ПЗС-матрица. для последовательного захвата отдельного изображения для каждого цвета путем переключения цветные фильтры, размещенные на пути освещения или перед тепловизором.

В большинство фотоаппаратов для цветной микроскопии. Массив фильтров состоит из красного, зеленого, и синие микролинзы, нанесенные на отдельные пиксели в обычном шаблон. Мозаичный фильтр Байера распределяет цветовую информацию по четырехпиксельные сенсорные блоки, включающие один красный, один синий и два зеленых фильтры. Зеленый цвет подчеркнут в схеме распределения для лучшего соответствуют зрительной чувствительности человека и разделяют информацию о цвете среди групп по четыре пикселя лишь незначительно ухудшает разрешение.В человеческая зрительная система приобретает пространственные детали в первую очередь из яркости компонент цветовых сигналов, и эта информация сохраняется в каждом пиксель независимо от цвета. Визуально удовлетворительные изображения достигаются сочетание цветовой информации низкого пространственного разрешения с монохромные детали конструкции высокого разрешения.

Уникальный дизайн цветных камер с одной ПЗС-матрицей улучшает пространственное разрешение за счет небольшого смещения ПЗС-матрицы между изображениями, снятыми в последовательность, а затем интерполяция между ними (метод, известный как смещение пикселей ), хотя получение изображения значительно замедляется из-за этого процесса.Другой подход к маскированию отдельных пикселей — быстрое перемещение массива цветных микролинз в квадратном узоре непосредственно над ПЗС-матрицей поверхность во время сбора фотонов. Наконец, недавно представленный технология объединяет три фотоэлектронных ямы в каждый пиксель на разная глубина различения длины волны фотона. Максимум пространственное разрешение сохраняется в этих стратегиях, потому что каждый пиксель предоставляет информацию о красном, зеленом и синем цвете.

Трехчиповая цветная камера сочетает высокое пространственное разрешение с быстрое получение изображений, обеспечивающее высокую частоту кадров, подходящую для быстрого последовательности изображений и видеовыход.Используя светоделитель для прямой сигнал на три фильтрованных ПЗС, которые отдельно записывают красный цвет, зеленый и синий компоненты изображения одновременно, очень высокий захват возможны скорости. Однако, поскольку интенсивность света, подаваемого на каждая ПЗС-матрица существенно уменьшена, комбинированное цветное изображение значительно тусклее, чем монохромное однокристальное изображение при сопоставимой экспозиции. К цветному изображению можно применить усиление для увеличения его яркости, но отношение сигнал / шум страдает, и изображения демонстрируют большую очевидность шум.Пространственное разрешение, достигаемое трехчиповыми камерами, может быть выше чем у отдельных ПЗС-сенсоров, если каждая ПЗС-матрица смещена на количество субпикселей относительно остальных. Поскольку красный, зеленый и синий изображения представляют собой немного разные образцы, их можно объединить программное обеспечение камеры для создания композитных изображений с более высоким разрешением. Много микроскопия и другие научные приложения, требующие больших пространственных и временное разрешение выигрывают от использования камеры с тройной ПЗС-матрицей системы.

Цветные камеры, называемые чередующимися кадрами, оснащены моторизованным колесом фильтров или жидкокристаллическим перестраиваемым фильтром ( LCTF ) для последовательного экспонирования красного, зеленого и синего компонентов изображения на одиночная ПЗС-матрица.Поскольку один и тот же датчик используется для отдельных красных, зеленых, и голубых изображений сохраняется полное пространственное разрешение чипа, и регистрация изображения выполняется автоматически. Приобретение три кадра подряд замедляют процесс получения изображения и дисплей, и правильный цветовой баланс часто требует другой интеграции раз для трех цветов. Хотя этот тип камеры обычно не подходит для захвата с высокой частотой кадров, использование быстродействующие жидкокристаллические перестраиваемые фильтры для R-G-B секвенирование может существенно увеличить скорость работы.В поляризационная чувствительность LCTF должна учитываться в некоторых приложений, поскольку они передают только один вектор поляризации, и могут изменить цвета двулучепреломляющих образцов, рассматриваемых в поляризованном свете.

CCD и CMOS: беспленочные камеры

Вместо пленки в цифровой камере есть датчик, который преобразует свет в электрические заряды.

Датчик изображения, используемый в большинстве цифровых фотоаппаратов, представляет собой устройство с зарядовой связью (ПЗС). В некоторых камерах используется технология комплементарного металлооксидного полупроводника (CMOS) .Датчики изображения CCD и CMOS преобразуют свет в электроны. Если вы читали «Как работают солнечные элементы», то уже знакомы с одной из технологий, используемых для преобразования. Упрощенный способ представить себе эти датчики — это представить себе двумерный массив из тысяч или миллионов крошечных солнечных элементов.

Как только датчик преобразует свет в электроны, он считывает значение (накопленный заряд) каждой ячейки изображения. Вот где проявляются различия между двумя основными типами датчиков:

• ПЗС переносит заряд через чип и считывает его в одном углу массива.Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) затем преобразует значение каждого пикселя в цифровое значение, измеряя количество заряда на каждом фотоэлементе и преобразовывая это измерение в двоичную форму.
• КМОП-устройства используют несколько транзисторов в каждом пикселе для усиления и перемещения заряда с помощью более традиционных проводов.

Различия между двумя типами сенсоров приводят к ряду плюсов и минусов:

• ПЗС-сенсоры создают высококачественные изображения с низким уровнем шума. КМОП-сенсоры обычно более чувствительны к шумам.
• Поскольку каждый пиксель на датчике CMOS имеет несколько транзисторов, расположенных рядом с ним, светочувствительность кристалла CMOS ниже. Многие фотоны попадают не в фотодиод, а в транзисторы.
• CMOS-датчики традиционно потребляют мало энергии. ПЗС-матрицы, с другой стороны, используют процесс, который потребляет много энергии. ПЗС-матрицы потребляют в 100 раз больше энергии, чем эквивалентные КМОП-матрицы.
• ПЗС-сенсоры производятся серийно в течение более длительного периода времени, поэтому они более зрелые.У них, как правило, пиксели более высокого качества и их больше.

Хотя между двумя датчиками существует множество различий, они оба играют одинаковую роль в камере — они превращают свет в электричество. Чтобы понять, как работает цифровая камера, вы можете думать о них как о почти идентичных устройствах.

ПЗС-камеры | Хамамацу Фотоникс

Этот веб-сайт или его сторонние инструменты используют файлы cookie, которые необходимы для его функционирования и необходимы для достижения целей, указанных в этой политике использования файлов cookie.Закрыв баннер с предупреждением о файлах cookie, прокручивая страницу, щелкая ссылку или продолжая просмотр иным образом, вы соглашаетесь на использование файлов cookie.

Hamamatsu использует файлы cookie, чтобы сделать ваше пребывание на нашем веб-сайте более удобным и обеспечить его функционирование.

Вы можете посетить эту страницу в любое время, чтобы узнать больше о файлах cookie, получить самую последнюю информацию о том, как мы используем файлы cookie, и управлять настройками файлов cookie. Мы не будем использовать файлы cookie для каких-либо целей, кроме указанных, но обратите внимание, что мы оставляем за собой право обновлять наши файлы cookie.

Чтобы современные веб-сайты работали в соответствии с ожиданиями посетителей, им необходимо собрать определенную базовую информацию о посетителях. Для этого сайт создает небольшие текстовые файлы, которые размещаются на устройствах посетителей (компьютерных или мобильных) — эти файлы известны как файлы cookie, когда вы заходите на сайт. Файлы cookie используются для обеспечения функциональности и эффективности веб-сайтов. Файлы cookie уникально назначаются каждому посетителю и могут быть прочитаны только веб-сервером в домене, который отправил файл cookie посетителю.Файлы cookie не могут использоваться для запуска программ или доставки вирусов на устройство посетителя.