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貨真價實 坦誠無欺
新聞資訊

尼康顯微鏡CCD有哪些組成?

2014-03-30  發布者:admin 

 數字照相機係統中,集成了多種電荷耦合器件(CCD)檢測器的配置,是迄今為止在現代光學顯微鏡所采用的最常見的圖像捕獲技術。 直到最近,專門常規膠片照相機普遍用於記錄在顯微鏡下觀察的圖像。 這種傳統的方法,依靠的基於銀的照相膠片的光子的敏感性,涉及的光化學反應位點的曝光膠片,它的化學處理(顯影之後才成為可見的膜乳劑層中形成潛像的臨時存儲)。

數碼相機的CCD的光子檢測器,一個薄的矽晶片分成數以千計的光敏感區域或一百萬幾何規則排列替換敏化膜,在形式捕獲和存儲圖像信息的本地化是隨入射光強度的電荷。 與檢測器的每個畫麵元件(像素)的相關聯的變量的電子信號被讀出,非常迅速地對相應圖像的位置的強度值,和下麵的值的數字化,圖像可以被重建並在計算機顯示器上顯示的幾乎瞬間。

專門用於光學顯微鏡設計的幾個數字相機係統示於圖1。 尼康數碼Eclipse的DXM1200提供高品質的照片,逼真的數字化圖像的分辨率最大可達1200萬像素,低噪音,卓越的色彩還原,靈敏度高。 該相機是由軟件,使顯微鏡有很大的自由度去收集,組織和糾正數字圖像控製。以每秒12幀的支持計算機屏幕上實時色彩監控可以方便的圖像,可以保存三種格式可供選擇的重點:JPG,TIF,BMP和更大的靈活性。

在DS-5M-L1數碼瞄準器相機係統(圖1)是尼康的創新數字成像顯微鏡,強調易用性和所有功能於一身的概念效率,結合係統內置的液晶顯示器在一個獨立的控製單元。 該係統優化的高分辨率圖像可達5百萬像素,通過簡單的菜單和預編程的成像模式適用於不同的觀察方法捕獲。 獨立的設計提供了獨立的操作,包括圖像存儲到CF卡裝在控製/監視單元的優勢,但具有完整的網絡功能,如果需要的多功能性。 連接可以通過一個USB接口的PC,以及局部區域網絡或經由以太網端口因特網。 網頁瀏覽器支持可用於實時圖像瀏覽和遠程攝像機控製,攝像機控製單元支持HTTP,TELNET,FTP服務器/客戶端,DHCP是兼容的。 在圖1所示的攝像係統代表當前可用於數字成像與光學顯微鏡的先進技術。

也許數字圖像捕捉在光學顯微鏡的一個最顯著優點,例舉由CCD照相機係統中,這樣的可能性,對顯微鏡立即確定是否期望的圖像已經被成功地記錄。 這種能力是特別有價值考慮的許多成像的情況下,實驗的複雜性和常常被認為是研究過程的瞬態特性。 雖然在等效作用到該薄膜的電荷耦合器件檢測器的功能,它具有多個用於成像在許多應用中優於屬性。 科學級CCD相機顯示出非凡的動態範圍,空間分辨率,光譜帶寬和采集速度。 考慮到高感光度CCD一些係統中,約ISO 100,000將被要求出示的可比信號噪聲比(SNR)圖像的膠片速度等級的光收集效率。 當前CCD的空間分辨率是類似的膜,而其光強分辨率大小的一個或兩個數量級比由膠片或攝影機取得較好的。 傳統的照相膠片不表現出靈敏度在波長超過650納米的光的對比度,以高性能的CCD傳感器,它通常具有顯著量子效率到近紅外光譜區域。 CCD相機在寬範圍內的光強度的線性響應有助於優異的性能,並給出了這種係統的定量能力,成像光譜儀。

的CCD成像器包括大量的布置在上一個薄的矽襯底上的二維陣列光感測元件。 矽的半導體特性使CCD芯片來捕獲和保持在適當的電偏壓條件光子誘發的電荷載體。 各個畫麵元素或像素,是在矽基質由窄透明載流電極條帶,或 ,沉積在芯片上的正交網格來定義。 CCD的基本光感測單元是一個金屬氧化物半導體(MOS)電容器操作為光電二極管和存儲設備。 這種類型的單個MOS器件示於圖2中,與反向偏置操作使負電荷的電子遷移至帶正電的柵電極下方的區域。 電子被光子相互作用解放被存儲在耗盡區到全井儲容量。 當多個檢測器結構被組裝成一個完整的CCD,陣列中各個檢測元件被施加到表麵電極上的電壓隔離在一個維度上,並且通過絕緣壁或通道電隔離的其在其他方向上的鄰居停止時 ,內矽襯底。

向入射的光子的CCD響應通過吸收太多的能量,從而導致釋放電子,並在矽晶格中相應的缺乏電子的位點(孔)的形成的光傳感光電二極管元件。 一個電子 - 空穴對從每個被吸收的光子產生的,並積聚在每個像素中產生的電荷是線性正比於入射光子的數量。 施加到每個像素的電極的外部電壓控製在規​​定的時間間隔內累積的電荷的存儲和移動。 首先,在傳感器陣列用作勢阱的每個像素,以收集過程中存儲的電荷,並且,雖然無論是帶負電荷的電子或帶正電的空穴可以積累(取決於CCD設計),由入射光產生的電荷的實體通常是被稱為光電子 。 本討論認為電子是電荷載流子。 這些光電子能之前從芯片中讀取由相機電子裝置的成像過程中的一個階段進行累加並存儲在長的時期。

與設備的感光區域,收集和儲存所釋放電荷,電荷傳輸和電荷測量的電荷產生通過光子相互作用:圖像生成用CCD照相機可以分為四個主要階段或功能。 在第一階段期間,電子和空穴在響應於入射光子在MOS電容器結構的耗盡區中產生,並釋放出電子遷移到相鄰的正偏壓的柵電極下方形成良好的電勢。 鋁或多晶矽表麵的柵電極疊置的係統,但是是從,電荷攜帶被掩埋一層絕緣的二氧化矽置於所述柵極結構和矽襯底之間的內通道隔開。 多晶矽利用作為電極材料提供透明度入射波長大於約400納米,並且增加了設備,可用於集光的表麵麵積的比例。在耗盡區中產生的電子最初收集到與每一像素相關聯的正電勢阱。 在讀出時,收集到的電荷隨後沿著施加到柵極結構的電壓的影響下,傳輸通道移位。 圖3示出在電極結構,其限定一個單獨的CCD傳感元件。

在一般情況下,所存儲的電荷是線性正比的光束入射在傳感器上的像素到井的能力;因而這滿阱容量(FWC)確定所用的像素被檢測的最大信號,並且是一個首要因素影響CCD的動態範圍。 的CCD勢阱的電荷容量在很大程度上是各個像素的物理尺寸的函數。 自從首次引入商業上,CCD的通常被配置成與方形像素組裝成矩形區域陣列,以4:3是最常見的縱橫比。 圖4根據一個即涉及CCD大小,以攝像管的管徑曆史慣例呈現的幾種最常見的傳感器格式目前使用的典型的尺寸,其尺寸指定以英寸。

CCD格式

的矩形幾何形狀和CCD的常見尺寸從與光導攝象管筒攝像機早期的競爭,這需要的固態傳感器,以產生一個電子信號輸出,符合現行視頻標準的時候造成的。 請注意,“英寸”的指定不直接向任何CCD的尺寸相對應,但是表示掃描在相應圓光導攝象管筒的矩形區域的大小。 一個指定的“1英寸”的CCD具有對角線16毫米和9.6×12.8毫米傳感器的尺寸,從1英寸光導攝象管筒具有25.4毫米的外徑和輸入窗口中大約為18毫米的被掃描區域而得直徑。 不幸的是,這種混亂的命名法已持續,經常在參照CCD“類型”,而不是尺寸使用,甚至還包括分類的分數和小數的術語,例如廣泛使用的1/1.8英寸的CCD是在中間的組合傳感器2英寸和3英寸設備之間的大小。

雖然消費類相機繼續主要采用建造的“標準化”大小格式之一矩形傳感器,它正在成為越來越普遍的科學級相機把方形的傳感器陣列,更好地在顯微鏡投影的圓形圖像字段相匹配。 大範圍的傳感器陣列規模的生產,而單個像素的尺寸差別很大的不同性能參數的優化設計。 在共同的3英寸格式的CCD通常具有768×480或更二極管8.8×6.6毫米(11毫米對角線)和尺寸的陣列。 由對角線許多傳感器陣列表示的最大尺寸小於視典型顯微鏡場相當小,並且導致在全視場的僅一部分的高度放大的視圖。 增加的放大倍率可以有利於在一些應用中,但是,如果視場減小,是成像的障礙,縮圖式中間光學元件是必需的。 另一種方法是使用一個更大的CCD傳感器,更好的像場直徑,取值範圍為18至26毫米的典型顯微結構相匹配的。

CCD的潛力,以及存儲容量的近似值可以通過乘以1000二極管(像素)區獲得。 許多消費級3英寸的CCD,具有像素尺寸介乎7至13微米大小,都能夠從50,000到100,000的電子存儲。使用這種近似策略,用10×10微米尺寸的二極管將有一個全井產能約100,000電子。 對於一個給定的CCD的大小,設計選擇有關陣列中的像素的總數,並因此它們的尺寸,需要的空間分辨率和像素電荷容量之間的折衷。 在目前的消費電子設備朝著最大化的像素數和分辨率有一種趨勢,導致在非常小的二極管的尺寸,用一些較新的3英寸傳感器采用像素小於3微米大小。

專為科學成像的CCD都采用傳統的比那些麵向消費者(尤其是視頻速率)和工業應用較大的光電二極管。 因為全阱容量和動態範圍是二極管尺寸的直接功能,在慢掃描成像應用中使用的科學級CCD具有通常采用二極管一樣大的25×25微米,以便最大限度地動態範圍,靈敏度,以及信信噪比。 目前許多高性能科學級攝像機采用了已啟用使用具有更小的像素,這是能夠保持顯微鏡的光學分辨率,高幀率的大型陣列的設計改進。 幾百萬像素的這些改進設計的大陣列可以提供對整個視場的高清晰度圖像,並利用像素組合(下文討論)和可變速率讀出,必要時提供更大的像素更高的靈敏度。

CCD的陣列讀出的光電子

從在CCD每感元件之前存儲的電荷可被測量以確定該像素的光子通量,電荷必須首先被轉移到讀出節點,同時保持電荷包的完整性。 一種快速和有效的電荷轉移過程,以及快速讀出機構,是至關重要的CCD作為攝像元件的功能。 當大量的MOS電容被放置在靠近在一起以形成傳感器陣列,電荷在整個設備通過操縱上的圖案,導致電荷從一個電容到溢出到下一個,或從一排電容器柵極電壓移電容下。 電荷的矽內的翻譯是有效地耦合於施加到上覆的電極結構中,術語“電荷耦合”設備的基礎時鍾電壓模式。 對CCD最初被設想為一個存儲器陣列,並且意在充當電子版磁泡裝置。 電荷轉移過程方案滿足用於建立表示信息比特的物理量,並保持其完整性,直至讀出的存儲設備中的關鍵要求。 在用於成像的CCD中,信息位是由來自光子相互作用而得電荷的分組表示。 因為CCD是一個串口設備,電荷包被讀出,一次一個。

在指定的時間間隔期間每個CCD光電二極管中累積的所存儲的電荷,被稱為積分時間曝光時間 ,必須進行測量,以確定在該二極管上的光子通量。 存儲的電荷的定量是由能夠提供每個傳感器元件的電荷包,在序列中,以一個單一的測量節點並行和串行傳輸的組合來實現。所述電極網,或門結構 ,在傳感器元件相鄰的層建立到CCD,構成移位寄存器的電荷轉移。基本電荷轉移的概念,使串行讀出從二維二極管陣列最初需要從成像麵個別電荷包的整個陣列中,構成並行寄存器 ,可以同時由一個單排增量移位傳送。 整個並行寄存器的電荷耦合移位移動的距離最近的寄存器邊緣像素電荷的行成沿著被稱為串行寄存器的芯片的一個邊緣像素的一個專門單列。 它是從這一排的電荷包移動順序來一個片上放大器進行測量。 經過串行寄存器被清空,它是由另一行移位的並行寄存器的重新填充,以及並行和串行移位的周期反複進行,直到整個並行寄存器被清空。 一些CCD製造商利用條款的垂直水平中所指的並行和串行寄存器,分別,盡管後者範圍與每個完成的功能更容易地相關聯。

一種廣泛使用的比喻在一個可視化的CCD串行讀出的概念,以幫助為水桶大隊的降雨測量,其中降雨強度下降桶陣列上可能會因地而異的相似入射光子放置在成像傳感器(請參閱圖5(a))。 並行寄存器是由水桶的數組,它在一個積分周期已收集各種量的信號(水)的表示。 在鏟鬥中逐步的方式向著一排表示串行寄存器空水桶的輸送傳送帶上,並且其移動的第二傳送裝置垂直取向的第一個。 在圖5(b),桶整排被移出並行到串行寄存器的水庫。 串行移位和讀出操作被示於圖5(c),其中描繪了在每個桶中順序地被轉移到一個校準的測量容器,類似於對CCD輸出放大器的累積雨水。 當串行傳送的所有容器中的內容已經在序列測定,收集桶到串行寄存器容器的下一行的另一個平行移動傳輸內容,這個過程重複進行,直到每個桶(像素)的內容進行了測量。

有許多設計,其中的MOS電容器可以被配置,並且其柵極電壓驅動,以形成一個CC​​D成像陣列。 如前所述,柵電極被布置在條帶覆蓋在CCD麵的整個成像麵上。 最簡單和最常用的電荷轉移配置是3相 CCD設計,其中每個光電二極管(像素)被分成三份與由柵電極限定三個平行的勢阱。 在這個設計中,每個第三柵極連接到相同的時鍾驅動器電路。 在CCD上的基本感元件,對應於一個像素,包括三個柵極連接到三個獨立的時鍾驅動器,稱為相1,相2和相3的時鍾。 三個平行澆口的每個序列組成單個像素的寄存器,以及數以千計的像素覆蓋在CCD的成像麵構成該設備的並行寄存器。 一旦被困在一個勢阱中,電子穿過每個像素中的三個步驟,從而改變電荷包從一個像素行到下一個移動。 的施加到平行(垂直)柵極結構的交替的電極電壓的變化的序列動勢阱,並根據並行移位寄存器的時鍾的控製下捕獲電子。

三相傳輸中使用的一般定時計劃開始於一個電荷積分步驟,其中每兩個像素中的三個平行的相位被設置為一個高的偏置值,產生高場區域相對於所述第三門,其被保持在低或零電位。例如,階段1和2可以指定收集階段 ,在較高的靜電勢相對舉行第3階段,它作為一個屏障相被收集在相鄰像素的高場階段單獨收費。 下麵的電荷積分,轉移隻持有階段1門高電位,使該階段產生的電荷會收集那裏開始,並在相位2和相位3階段產生的電荷,現在無論是在零電位,迅速擴散進入下階段1的勢阱。 圖3示出在電極結構,其限定一個3相CCD的每個像素,並描繪了電子累積在井相關的相位-1電極,其被保持在正電壓(標記為+ V)的電位。 電荷轉移的進展與適當定時的電壓施加到柵極,以使潛在的阱和勢壘,以在每個像素的遷移順序。

在每次轉移步驟,耦合到遠遠超過電荷包的電壓為正時以及含電子為負或設為零(接地),從而迫使累積的電子向前進到下一個階段。 而不是利用突然的電壓轉換的定時序列,在相鄰的相的施加電壓的變化是漸進的和重疊,以確保最有效的電荷轉移。 到階段2的轉變是通過施加正電位,以相2門,相位1和相位2井之間散布收集的電荷,並且當相位-1電位返回到地,整個電荷包被強製進入第2階段。 的定時電壓轉換類似的序列,根據並行移位寄存器時鍾的控製,是用來充電的第二階段轉向第三階段,這個過程一直持續到一個完整的單像素移位已經完成。一個三相時鍾周期應用於整個並行寄存器的結果,在整個陣列的單排移。 在三相傳輸的一個重要因素是,一個勢壘總是相鄰像素的電荷包,這使得保持在整個圖像捕獲序列傳感器和顯示像素之間的1對1的對應空間之間保持。

圖6示出操作的說明隻是用於電荷轉移在一個3相CCD,以及用於通過並行移位寄存器提供時鍾來完成的傳輸驅動脈衝的定時序列的序列。 在該像素的該示意性的可視化,電荷被描繪從左到右由定時信號的同時減少對正偏置電極上的電壓(在定義的勢阱)並增加其上的電極向右側(圖6(被轉移a)和圖6(b))。 在過去的三個步驟(圖6(c))的,電荷被完全從一個柵電極轉移到下一個。 請注意,時鍾驅動脈衝的上升沿和下降沿相位定時,以便更有效地傳送電荷,以盡量減少電荷損失在換檔過程中的可能性稍微(未示出)重疊。

每個完整的並行傳輸,電荷從整個像素行的數據包移入串行寄存器在那裏他們可以向輸出放大器被順序地移動,如圖中的鬥鏈式比喻(圖5(c))。 這個水平(串行)傳送利用相同的三相充電聯接機構作為縱行移位,以通過從串行移位寄存器的時鍾信號提供的在這種情況下,定時控製。 後的所有像素被從串行寄存器,用於讀出傳輸時,並行寄存器時鍾提供的時間信號,用於俘獲光電子的下一行轉移到串行寄存器。 在串行寄存器中的每個電荷包將被傳遞到CCD的在那裏被檢測和讀出由一個輸出放大器(有時被稱為芯片上的前置放大器),該電荷轉換為成比例的電壓輸出節點。 放大器的輸出電壓表示由連續的光電二極管所產生的信號幅度,作為讀出順序由左至右每行中和從頂行到底部的整個二維陣列。 在此階段的CCD輸出,因此,等效於在裝置的成像表麵上積聚的電荷的光柵掃描的模擬電壓信號。

後輸出放大器滿足放大電荷包,並將其轉換為成比例的電壓的它的功能,該信號被發送到一個模擬-數字轉換器(ADC),該轉換的電壓值轉換成所必需的01的二進製碼解釋由計算機。 每個像素被分配了ADC的對應於信號幅度的數字值,在根據分辨率或位深度的大小的步驟。 例如,能夠12位分辨率ADC的分配每個像素的取值範圍為0〜4095,相當於4096可能的圖像灰度級(2的12次方等於4096數字化儀的步驟)。 每個灰度級的步驟被稱為一個模擬到數字的單元(ADU)。

當前CCD成像係統的技術複雜性是顯著的考慮大量捕獲的數字圖像所需的操作,以及與該處理完成的精度和速度。 捕獲單個圖像與全幀CCD相機係統所需的事件順序可以總結如下:

  • 相機快門打開,開始光電子的積累,同為電荷收集偏壓適當的柵極電極。

  • 在積分周期結束時,快門閉合,在像素中累積的電荷被根據來自相機電子裝置的時鍾信號控製移位的行由行跨越並行寄存器。 的電荷包的行按順序從並行寄存器的一個邊緣傳送到串行移位寄存器。

  • 充在串行寄存器像素的內容傳送一個象素在一個時間到輸出節點由一個片上放大器,它可增強電子信號,並將其轉換成模擬電壓輸出被讀取。

  • 一個ADC,根據其電壓幅度分配給每個像素的數字值。

  • 每個像素值被存儲在計算機存儲器中或在相機的幀緩衝器。

  • 反複進行串行讀出過程,直到並行寄存器的所有像素行被排空,這通常是1000個或更多行的高分辨率攝像機。

  • 在內存中的完整映像文件,這可能是幾兆大小,顯示在計算機屏幕上的視覺評估在一個合適的格式。

  • CCD被清除剩餘電荷之前,在下曝光通過執行完整的讀出周期以外的數字化步驟。

盡管大量執行的操作的,超過百萬像素可以轉移在整個芯片,分配一個灰度值具有12位的分辨率,存儲在計算機存儲器中,並在不到一秒內顯示。 用於讀取和圖像顯示一個典型的總時間的要求是約0.5秒一個100萬像素的攝像頭在5 MHz的數字化速率運行。 電荷轉移效率也可以是非常高的對冷卻-CCD攝像機,與發生的電荷的損失最小,即使有成千上萬所需的是最遠離輸出放大器陣列的區域中的像素轉移。

CCD圖像傳感器架構

CCD結構的三個基本變化是在成像係統中常見的用途: 全畫幅 , 幀傳輸隔行傳輸 (見圖7)。 全幀的CCD,如在讀出過程中的先前描述的簡稱,具有近100%的其表麵為光敏的優勢,與像素之間幾乎沒有死空間。 成像表麵必須的CCD讀出期間防止入射光,並且因為這個原因,機電快門通常采用用於控製曝光。 充電用的快門開啟積累隨後被轉讓並讀出後,快門是關閉的,並且因為不能同時出現在兩個步驟中,圖像的幀速率是由機械快門速度,電荷的傳輸速率,並讀出步驟的限製。 雖然全屏設備具有CCD類型的最大感光麵積,它們是最有用的具有高場景內動態範圍的樣本,並且在應用中不要求小於約一秒鍾的時間分辨率。 當在一個子陣列模式(在其中充分像素陣列的簡化部分被讀出),以加快讀出操作時,最快的幀速率可以是每秒10幀,受限於機械快門的順序。

幀轉移CCD可能會在比全畫幅設備更快的幀速率運行,因為曝光和讀出可以在時機不同程度的重疊同時發生。 它們類似於在並行寄存器的結構全屏設備,但有一半的矩形像素陣列的所覆蓋的不透明掩模,並且被用作用於由未屏蔽的光敏感部分收集的光電子的存儲緩衝器。 下麵的圖像曝光,電荷在感光像素中累積的迅速移動到像素上的芯片的存儲端,通常在約1毫秒。因為存儲的像素是由鋁或類似的不透明塗層,在該部分中的傳感器的存儲的電荷的保護,光照射,可以係統地讀出以較慢的,更有效的速率,而下一個圖像同時被暴露的感光側該芯片。一種照相機快門是沒有必要的,因為需要從圖像區域的電荷轉移到該芯片的存儲區域中的時間是所需的典型的曝光時間隻有一小部分。 因為利用幀轉移的CCD攝像機可以連續地以高的幀速率,而機械快門操作時,它們適合於通過諸如染料比率成像,其中,高空間分辨率和動態範圍是重要的研究快速動力學過程。 該傳感器類型的一個缺點是,隻有一半的CCD的表麵積被用於成像,因此,一個更大的芯片相比,需要為具有同等大小的成像陣列的全屏裝置,加入到成本和物理攝像頭設計施加約束。

在隔行傳輸CCD設計,主動成像像素,蒙麵存儲傳輸像素交替在整個並行寄存器陣列的列。因為電荷轉移通道位於緊靠每個感光像素列中,存儲的電荷必須隻錯開一列到傳送通道。 此單傳送步驟可以在小於1毫秒,之後,在存儲陣列中讀出由一係列平行移動到串行寄存器,而圖像陣列被暴露的下一個圖像來進行。 的隔行傳輸體係結構允許極短的積分時間,通過電子控製曝光間隔,並在發生一個機械快門,該陣列可通過丟棄積累的電荷而不是將其轉移到傳輸通道中呈現有效的光不敏感。 雖然隔行傳輸傳感器允許照亮對象的視頻速率讀出和高質量的圖像,從縮小的動態範圍,分辨率和靈敏度,由於其約75%的CCD表麵的被占用的事實出現早期設備的基本形式由存儲傳輸信道。

雖然早期的隔行傳輸CCD的,如在視頻攝錄一體機使用,提供了高讀出速度和快速的幀速率沒有百葉窗的必要性,他們沒有提供足夠的性能在顯微鏡弱光高分辨率應用。 除了在歸屬於成像和存儲轉移的區域的交替列的光靈敏度的降低,快速讀出率導致較高的相機讀取噪聲和早期隔行轉移成像減小動態範圍。 在傳感器的設計和相機電子的改善,徹底改變了局麵,以致目前的隔行設備進行數碼顯微相機,包括那些用於光線昏暗的場合,如拍攝低濃度的熒光分子提供卓越的性能。 貼壁微透鏡 ,在CCD表麵對齊,以支付對圖像和存儲的像素,收集光線,通常會被丟在了蒙麵像素,它專注於感光像素(見圖8)。 通過結合小的像素尺寸與微透鏡技術,隔行傳感器能夠提供的空間分辨率和光收集效率堪比全畫幅和幀轉移CCD的。 利用片上微透鏡隔行傳感器的有效感光麵積增大的表麵麵積的75-90%的。

在CCD的結構結合微透鏡的一個額外的好處是,該傳感器的光譜靈敏度可以擴展成藍色和紫外波長區域,對於較短波長的應用,如使用的綠色熒光蛋白流行熒光技術(GFP)提供增強的效用和興奮紫外線染料。 為了增加整個可見光譜量子效率,最近的高性能芯片結合的材料,如銦錫氧化物構成的柵極結構,其具有在藍綠光譜區域高得多的透明性。 這種非吸收柵結構導致量子效率值接近80%的綠燈。

降低動態範圍隔行傳輸CCD的過去限製已經在很大程度上被克服了改進的電子技術,降低了攝像頭讀取噪聲的大約一半。 因為行間CCD的有效像素尺寸是大約三分之一是可比的全幀的設備,全井容量(像素麵積的函數)也同樣降低。 此前,這個因素,再加上比較高的攝像頭讀取噪聲,導致信號的動態範圍不足以支撐超過8位或10位數字化。 高性能隔行掃描相機現在讀出噪聲值低至4至6個電子操作,導致動態等效於12位相機采用全畫幅的CCD範圍性能。 在芯片設計因素,如時鍾方案,並在相機電子其他改進,已經啟用了增加讀出速率。 隔行傳輸CCD的,目前已使12位萬像素的圖像在20兆赫率,全畫幅相機的約4倍,可比的數組大小的比率被收購。 其它的技術改進,包括半導體組合物的改進,在某些隔行傳輸CCD的摻入改善量子效率在光譜的近紅外部分。

CCD探測器成像性能

該修改的圖像采集的讀出階段幾個照相機的操作參數對圖像質量的影響。 最科學級CCD相機的讀出速率可調,通常介乎約0.1 MHz到10MHz或20MHz。 可達到的最大速率是ADC和其它相機電子裝置,它反映了數字化的單個象素所需的時間的處理速度的函數。 應用旨在跟蹤快速動力學過程需要快速讀出和幀速率,以達到足夠的時間分辨率,並且在某些情況下,每秒或更高的30幀的視頻速率是必要的。 的各種噪聲成分,它們總是存在於電子圖像不幸的是,讀噪聲是一個主要來源,高讀出率增加的噪聲水平。 隻要不要求最高的時間分辨率,那生產低像素強度值標本更好的圖像可以以較低的讀出速率,這最大限度地減少噪音,保持足夠的信號與噪聲的比值來獲得。 當動態過程需要快速成像的幀速率,正常的CCD讀出序列可以被修改,以減少處理的電荷包的數量,從而使每秒幾百幀的采集速率在某些情況下。 此增加的幀速率可以通過在CCD讀出和/或通過讀出所述檢測器陣列的僅僅一部分,如下所述合成的像素來實現。

在光學顯微鏡中使用的大多數CCD攝像機係統的圖像采集軟件允許用戶定義一個較小的子集,或子陣列 ,以被指定為圖像捕獲和顯示的整個像素陣列。 通過選擇用於處理的圖像場的減小部分,未選擇的像素被丟棄,而不被數字化的ADC,和讀出速度也相應地增加。 根據所用的照相機的控製軟件,一個子陣列可從預先定義的數組大小選擇,或交互地指定為感興趣使用計算機鼠標和顯示器的顯示區域 。 子陣列的讀出技術通常用於獲取時間推移的圖像序列,以便產生更小,更容易管理的圖像文件。

從相鄰像素CCD陣列中積累的電荷數據包可以在讀出期間被組合以形成superpixels數量的減少。 這個過程被稱為像素組合,並且在並行寄存器由定時兩個或更多個行移位到串行寄存器之前執行串行移位和讀出的順序執行。 像素合並過程是通過定時多個移位到讀出節點之前的電荷通過輸出放大器的讀出通常是重複的串行寄存器。 的並行和串行移位的任意組合可以被組合,但通常的像素的對稱矩陣組合以形成各自單個超像素(參見圖9)。 作為一個例子,3×3像素合並由最初執行的行3個平行轉移到串行寄存器(之前的串行傳輸),在這一點上在串行寄存器每個像素包含3個像素,這是在鄰居的總電量完成相鄰平行的行。 接著,3個串行移位的步驟中執行到輸出節點的電荷被測量之前。 所得到的電荷包被處理為一個單一的像素,但包含9個物理像素(3×3超像素)合並的光電子內容。 雖然分級降低的空間分辨率,程序往往允許的情況下,使成像不可能有正常的CCD讀出的圖像采集。 它允許更高的幀速率的圖像序列,如果采集速率是由相機的讀周期,以及提供改進的信號與噪聲的比值為等效的曝光時間限製。 其它優點包括更短的曝光時間,以產生相同的圖像亮度(活細胞成像非常重要的),和更小的圖像文件的大小,從而降低了計算機的存儲需求,並加速圖像處理。

第三照相機采集的因素,這可能會影響圖象的質量,因為它改變了CCD讀出的過程中,是照相機係統的電子增益 。 一個數字CCD相機係統的增益調整限定的累計光電子確定由讀出電子區分每個灰度級的步驟的數目,通常是施加在模擬到數字的轉換步驟。 在電子增益的增加對應於所按灰度級(電子/ ADU)分配的光電子數的減少,並允許在給定的信號電平被劃分成灰度電平的步驟的數量較多。 注意,這不同於施加到光電倍增管或光導攝象管管,其中,所述變化的信號是由一個固定的乘法因子放大增益的調整。 雖然電子增益調整確實提供了一個方法來擴大一個有限的信號幅度,以所希望的大量的灰度級,如果是過度使用的,小數目的電子來區分相鄰的灰度級可導致數字化誤差。 高增益設置可能會導致噪聲由於不準確的數字化,它顯示為顆粒狀的最終圖像。 如果在曝光時間的減少是需要,增加電子增益將使維持一個固定的大量的灰度級的步驟,盡管減少了信號電平的,所提供的所施加的增益不產生過度的圖像劣化。 作為施加到一個恒定的信號電平來分配每個ADU(灰度級),8個電子的初始增益設置不同的增益因子的影響,例如,決定了由8000的電子的像素信號會在1000灰度級進行顯示。 通過應用一個4倍的增益因子的基設置提高增益,每個灰度級的電子的數目減少到2(2個電子/ ADU),和4000的灰度級是由數字化電子電路區別開來。

數字圖像質量可以在其對部分由CCD設計確定4量化的標準來評價,但是這也反映了先前描述的相機操作變量直接影響CCD探測器的成像性能的實施。 主圖像的質量標準和效果總結如下:

  • 空間分辨率:確定捕捉到細微的細節標本沒有像素是可見的圖像的能力。

  • 光強度分辨率:定義動態範圍或灰度級是可區分所顯示的圖像的數目。

  • 時間分辨率:采樣(幀)速率決定跟隨活體標本運動或快速動力學過程的能力。

  • 訊噪比:確定樣本信號相對的能見度和清晰度,圖像背景。

顯微鏡的成像,它是常見的,並非所有的重要的圖像質量的標準,可以同時優化在一個單一的圖像,或圖像序列。 獲得由特定樣品或實驗所施加的限製範圍內最好的圖像通常需要的標準之間的妥協上市,這往往產生矛盾的要求。 例如,捕捉現場熒光標記標本的時間推移順序可能需要降低總的曝光時間,以減少光漂白和光毒性。 幾種方法可用於實現此目的,雖然每個涉及的成像性能的某些方麵的降低。 如果試樣是不經常暴露在外,時間分辨率降低;施加像素組合,以允許更短的曝光降低空間分辨率,以及增加電子增益妥協的動態範圍和信號 - 噪聲比。 不同的情況下往往需要完全不同的成像基本原理以獲得最佳效果。 相反,在前麵的例子中,為了最大限度地提高動態範圍中的樣品,需要很短的曝光時間的單個圖像,分級的應用程序或增益增加可能完成的目標而不在圖像上顯著負麵影響。 進行高效的數字成像需要的顯微鏡是完全熟悉關鍵的圖像質量標準,並平衡攝像頭采集參數的實際問題,以最大限度地提高最顯著的因素在特定情況下。

少數的CCD性能的因素和攝像頭操作參數主宰的數字顯微鏡圖像質量的主要方麵,其效果重疊在很大程度上。 因素,這些因素中的實際的CCD相機中使用的上下文最顯著,並在下麵的章節中進一步討論,包括檢測器的噪聲源和信號 - 噪聲比,幀速率和時間分辨率,像素大小和空間分辨率,光譜範圍和量子效率和動態範圍。

CCD攝像頭噪聲源

攝像機的靈敏度,在最小可檢測信號的計算,是由兩個光子統計(打擊)的噪聲和在CCD上產生的電子噪聲。 一個保守的估計是,信號可以隻由附帶的噪聲,如果它超過了約2.7(2.7 SNR)的一個因子的噪聲來區別。 這在理論上可以得到一個給定的SNR值中的最小信號是由光子通量,與信號相關聯,即使在理想的無噪聲檢測器的固有噪聲源的隨機變化來確定。 此光子統計噪聲等於信號的光子數的平方根,並且因為它不能被消除,其確定可達到的最大信噪比為一個無噪聲檢測器。 因此,信號/噪聲比由信號電平,S,由信號(S(1/2))的平方根除以給定的,並且等於S的平方根。 如果需要從噪聲判別信號為2.7的SNR值,8個光子的信號電平是最小理論上可檢測的光束。

在實踐中,其它噪聲分量,這是不與試樣光子信號相關聯的,由CCD和相機係統的電子貢獻,並添加到該固有光子統計噪聲。 一旦積累在收集井,從噪聲源所產生的電荷不能從光子衍生的信號區別開來。 大多數係統噪聲的結果從讀出放大器的噪聲和熱電子的產生在檢測器芯片中的矽。 熱噪聲是由於動能在釋放電子或空穴,即使該設備是在完全黑暗的,並隨後積聚在勢阱中的CCD基板的矽原子的振動。 由於這個原因,噪聲被稱為暗噪聲 ,並表示在指定時間間隔期間中的暗電荷積累的幅度的不確定性。 生成的暗電荷的速率,稱為暗電流 ,是無關的光子誘導的信號,但是高度依賴於溫度。 在相似的光子噪聲,暗噪聲如下的統計(平方根)的關係,以暗電流,因此不能簡單地從信號中減去。 冷卻CCD數量級為每20度攝氏溫度下降的順序降低暗電荷累積,並且高性能的攝像機在使用過程中通常被冷卻。 冷卻甚至到0度是非常有利的,並且在-30度時,暗噪聲減少到忽略不計的值幾乎任何顯微鏡應用。

提供了CCD冷卻,剩下的主要的電子噪聲分量被讀出噪聲 ,轉換電荷載體轉換成電壓信號的過程中,與芯片上的前置放大器主要原。 雖然讀出噪聲均勻地添加到該檢測器的每一個像素,其大小不能精確確定的,而是僅由一個平均值近似,在電子每像素(根均方或有效值)為單位。 一些類型的讀出放大器的噪聲是頻率相關的,並且在一般情況下,讀出與測量的每個像素中的電荷的速度噪音增大。 在高速讀取和幀速率噪聲的增加是部分在更高的像素時鍾速率所需的更大的放大器帶寬的結果。 冷卻CCD減少讀出放大器的噪聲在一定程度上,雖然沒有以一個很小的水平。 一些設計改進在當前的高性能攝像係統,大大降低讀出噪聲的意義被納入,但是。 一種策略是實現高的讀出及幀速率不增加噪聲到CCD電分成兩個或多個段,以便在平行寄存器朝向位於該芯片的相對的邊或角的多個輸出放大器轉移電荷。 這個過程允許電荷從該陣列在一個更大的整體速度讀出,而不過度地增加各個放大器的讀出速率(和噪聲)。

冷卻的CCD,以便減少暗噪聲提供了改進該裝置的電荷轉移效率(CTE)的附加 ​​優點。 這個性能因素已變得越來越重要,因為在許多當前的CCD成像器中使用的大的像素陣列的尺寸,以及所需的快速動態過程的調查更快的讀出速率。 帶有電荷分組的每個移沿傳輸通道中的CCD讀出過程中,一小部分可以被留下。 而在每個像素單獨傳輸損耗是微乎其微的,在大多數情況下,需要大量的轉移,特別是在像素的傳感器,可導致對像素顯著損失在從CCD讀出放大器(S)的最大距離,除非該電荷轉移效率是極高。 的不完整的電荷轉移的發生可導致圖像模糊,由於電荷從相鄰像素的混合。 另外,累積的電荷損失在每個像素轉移,特別是與大型陣列,可能導致圖像的陰影 ,在該圖像最遠離CCD輸出放大器的區域顯得較鄰近該串行寄存器的調光器的現象。 在冷卻的CCD電荷轉移效率值可以是0.9999或更大,而熱膨脹係數這一高通常是可以忽略的圖像效果,值大於0.999下都可能產生陰影。

硬件和軟件的方法可用來補償圖像的灰度陰影。 一個軟件校正是通過捕獲均勻強度的字段中,然後由成像係統用於生成可應用於後續的試樣圖像,以消除不均勻性由於著色的像素由像素校正地圖的圖像來實現。 軟件校正技術一般是令人滿意的,不需要比約10-20%的局部強度的更大的校正因子的係統。 較大的修正,高達約五倍,可以通過硬件方法,通過增益因子個別像素行調整處理。 所要求的增益調整是通過抽樣的信號強度在位於圖像區域以外的每一個像素行的末尾5或6掩蔽的參考像素來確定。 從參考像素的列的並行寄存器邊緣而獲得的電壓值作為電荷傳輸損耗的控製,並產生校正因子施加到在讀出期間從該行中得到的電壓,即各像素行。 校正因子是大一些傳感器,如從在視頻速率相機和噪音水平輸出放大器遙遠的地區的區域可以大大提高這些圖像區域。 雖然硬件校正處理去除陰影的影響,但沒有明顯的信號降低,但應該認識到,所得到的信號 - 噪聲比是不均勻的,在整個圖像。

在CCD圖像傳感器的空間分辨率和時間分辨率

在許多應用中,能夠提供高時間分辨率的圖像捕獲係統是一個主要的要求。 例如,如果一個正在研究過程的動力學就必須視訊率成像在中等分辨率,能夠提供卓越的分辨率的攝像頭,沒有好處然而,如果它隻是提供了性能慢掃描速率,並進行輕微或不是所有的高幀率。 全屏慢掃描相機不以視頻速率提供高的分辨率,需要每幀約一秒鍾為一個大的像素陣列,這取決於電子設備的數字化率。 如果樣品信號的亮度是足夠高的,以允許(10毫秒的量級)短的曝光時間,使用分級和子陣列的選擇使得有可能獲得約每秒10幀在降低分辨率和幀大小與具有機電快門的相機。 更快的幀速率通常需要使用的隔行傳輸或幀傳輸相機,它不需要遮板,通常也可以在更高的數字化速率運行。 最新一代的這種設計的高性能攝像機可以在附近的視頻速率捕捉全畫幅的12位圖像。

CCD成像係統中的現已優良的空間分辨率直接耦合到像素的大小,並因該已允許CCD的像素要作出越來越小的同時保持了成像器的其它性能特征的技術改進不斷改善。 在比較典型的薄膜晶粒尺寸(約10微米),在生物顯微鏡采用多CCD相機的像素是較小的,並提供足夠多分辨率再加上該項目比較大,半徑衍射(艾裏)常用的高倍率物鏡時磁盤到CCD表麵。 隔行傳輸科學級CCD相機,現已有像素小於5微米更小,使它們適合於高分辨率成像,即使使用低倍物鏡。 的探測器元件尺寸相關的光學分辨率標準的關係是在選擇數碼相機,如果光學係統的空間分辨率要被保持的一個重要的考慮因素。

奈奎斯特采樣準則通常是用來確定對於顯微鏡光學係統的分辨能力檢測器像素大小是否足夠。奈奎斯特定理規定,由光學係統產生最小的衍射圓盤半徑必須由成像陣列中的至少兩個像素,以保持光學分辨率和避免混疊采樣。 作為一個例子,考慮具有6.8×6.8微米,再加上100倍,1.3數值孔徑的物鏡,其產生在探測器平麵的26微米(半徑)的衍射點的像素尺寸的CCD。 優異的分辨率是可能與此探測器目標組合,因為衍射圓盤半徑覆蓋所述檢測器陣列上的約4像素跨度(26 / 6.8 = 3.8象素),或者近兩倍的奈奎斯特極限的標準。 在這個采樣頻率,足夠的保證金是可用的奈奎斯特準則幾乎是滿意,甚至帶有2 x 2像素組合。

圖像傳感器的量子效率

檢測器的量子效率(QE)是具有特定波長的光子將在該設備以使解放的電荷載流子的有效區域被捕獲的可能性的度量。 該參數表示一個CCD成像器的效能在產生電荷從入射的光子,並因此最小可檢測信號的照相機係統的一個重要的決定因素,在執行低亮度電平的成像時尤為如此。 如果一個光子永遠不會到達半導體耗盡層,或者如果它完全穿過沒有顯著的能量轉移。無電荷產生 光子和檢測器之間的相互作用的性質取決於光子的能量與相應的波長,並直接關係到檢測器的光譜靈敏度範圍 。 雖然傳統的前照式CCD探測器是高度敏感的,高效的,無有100%量子效率在任何波長。

通常采用在熒光顯微鏡圖像傳感器可以檢測光子的400-1100納米的光譜範圍內,具有峰值靈敏度通常在550-800納米的範圍內。 最大量子效率值隻有約40%-50%,但在最新設計的,它可以達到80%的效率。 圖10示出了一些流行的CCD中繪出的量子效率為入射光波長的函數的曲線圖的光譜敏感性。 在科學成像中使用的大多數的CCD是隔行轉移型,因為行間口罩嚴重限製了感光表麵區域,許多舊版本的表現出非常低的QE值。 同的表麵上的微透鏡技術,以引導更多入射光傳輸信道之間的光敏區域的出現,新的隔行掃描傳感器是更加有效和許多有60-70%的量子效率的值。

傳感器的光譜範圍和量子效率得到進一步提高在紫外,可見光和近紅外波長區域通過在幾個高性能的CCD的各種附加的設計策略。 因為鋁表麵傳輸門吸收或反射大部分的藍色和紫外波長,許多較新的設計采用其他材料,如銦錫氧化物,以提高傳輸和量子效率在較寬的光譜範圍。 甚至更高的量子效率值可以與專門的薄型背照式CCD上,被構造成允許從照明後側,避免了表麵電極結構完全獲得。 要做到這一點,大部分的矽基板的被蝕刻除去,並且,雖然所得到的器件是微妙的和相對昂貴的,約90%的量子效率可以定期地得以實現。

其他表麵處理以及建築材料可用於獲得額外的頻譜範圍的好處。 在紫外波長區域薄型背照式CCD的性能是通過專門的防反射塗層的應用增強。 改性的半導體材料用於一些探測器,以提高量子效率在近紅外。 靈敏度外常規前照式CCD的正常光譜的波長範圍內可以通過的波長轉換的熒光體的應用,以檢測人臉來實現。 磷光體用於此目的,AG亚游集团選擇吸收的光子能量在感興趣的光譜區和CCD的分光靈敏度區域內發光。 作為這種策略的一個例子,如果所關注的標本或熒光團,在300納米(其中任何的CCD的靈敏度是最小的)發出的光,轉換磷光體,可以在檢測器的表麵,有效地吸收在300納米和發射560納米雇,CCD的峰值靈敏度範圍內。

動態範圍

簡稱為CCD探測器的動態範圍的術語表示的最大信號強度的變化,可以由傳感器來定量。 量進行了數值指定被大多數CCD攝像機的製造商,作為像素的全阱容量(FWC)的讀出噪聲的比值,用的理由,這個值表示隻是在像素飽和等級的限製條件,其中intrascene亮度範圍從區域到那些幾乎失去了在噪聲區域。 在傳感器的動態範圍確定的分辨灰度級的步驟在其中檢測到的信號可以被劃分的最大數量。 為了充分利用一個CCD的動態範圍,它是適當的模擬 - 數字轉換器的比特深度相匹配,以便使盡可能多的灰度步驟盡可能歧視的動態範圍。 例如,對於一個16,000電子FWC和10個電子讀出噪聲相機,擁有1600的動態範圍,在10和11位A / D轉換支持。 模擬 - 數字轉換器的位深度的10和11是能夠鑒別1024和2048的灰度級,分別為。如前所述,因為計算機位隻能假設有兩個可能狀態中的一個,可以由數字處理器(ADC),被編碼的強度步驟的數量反映了其分辨率(位深度),並且等於2升高到值的位深度的規範。 因此,8,10,12,和14-bit處理器可以最多256,1024,4096或16384級灰度編碼。

指定的動態範圍為滿阱容量來讀取噪聲的比率不一定是有用的動態範圍的現實的措施,但是,用於比較傳感器有價值。 在實踐中,有用的動態範圍較小,因為兩者CCD響應變得非線性全阱容量達到最大時,由於信號電平等於讀出噪音是不可接受的視覺和幾乎沒用定量的目的之前。 注意,最大動態範圍不等於最大可能的信號 - 噪聲比,雖然信噪比也是滿阱容量的函數。 以最大可能的信號,或FWC相關聯的光子統計噪聲,是FWC值,或126的電子的平方根,為16000電子FWC的前麵的例子。 因此,最大信號 - 噪聲比等於最大的信號通過噪聲(16000/126)分割,或126,信號本身的平方根。 光子噪聲是最低的固有噪聲電平,並且兩個檢測到的散射光線和電子(係統)的噪聲降低,可以實現在實踐中低於126的值的最大SNR,因為這些來源中加入電荷未被信號降低有效FWC到孔中。

雖然製造商可能通常裝備具有大約4000的動態範圍,例如,用一個12位的ADC(4096個數字化步驟)的照相機中,一些因素是在考慮傳感器的動態範圍和處理器的數字化能力之間的匹配相關。 對於一些最新的隔行傳輸CCD相機,提供12位數字化,動態範圍從FWC確定並讀取噪聲大約2000,這通常不會需要12位處理。 然而,許多當前的設計包括在0.5倍的增益設置一個選項,允許12位分辨率充分利用。 這種策略利用了這一事實,該串行寄存器的像素被設計成具有平行寄存器像素的兩倍的電子容量的優點,並且當照相機在2×2像素合並模式(在熒光顯微鏡中常見)被操作時,12位的高質量的圖像可以獲得。

要注意,其中的電子增益可以被操縱,以利用可用的比特深度處理器的各種機製是很重要的,並且當被比較的不同的攝像機的動態範圍,最好的方法是從像素的全計算值阱容量和攝像頭讀取噪聲。 它是經常可以看到配備有具有比所要求的照相機所固有的動態範圍高得多的分辨率數字化處理電子照相係統。 在這種係統中,操作在常規1X電子增益設置在一個潛在的大量未使用的處理器灰度級的結果。 這是可能的相機製造商應用的2至4倍未指定的增益因子,它可能不是很明顯給用戶,並且,雖然這種做法不放大信號,以利用全比特深度的ADC,它產生的增加的數字化噪聲作為構成每個灰度級的步驟的電子數目被減少。

對於需要高比特深度CCD攝像機可能鑒於這一事實顯示設備,如電腦顯示器和打印機的許多僅使用8位處理,提供256級灰度,和其他印刷媒體,以及人的眼睛可能有疑問隻提供5-7位的歧視。 盡管這樣低的視覺需求,高比特深度,高動態範圍相機係統總是有利的,並且出於某些應用中,特別是在熒光顯微鏡。 當處理比例或定量調查動力學成像數據,更大的灰度級的數目允許的光強度,以更準確地確定。 此外,當正在執行的多個圖像處理操作,即更精確地分解成多個灰度電平的步驟的圖像數據可經受更大程度的數學運算,而不表現出退化的算術舍入入誤差的結果。

當選擇了用於顯示所捕獲的圖像的一部分的高比特成像係統的第三個優點是實現,並且感興趣區域橫跨整個圖像的動態範圍的僅一部分。 為了優化有限的動態範圍的代表性,灰度級的原來的號碼通常是擴展到占據所有256級8位顯示器或打印。 較高的相機的位深度的結果在一個不那麽極端的擴張,並相應減少圖像劣化。 作為一個例子,如果選擇的圖像區域橫跨隻有5%的全部intrascene的動態範圍,這代表了4096以上200灰度級由一個12位的處理器識別,但隻有12具有一個8位(256級)的步驟製度。 當在256級顯示器,或印上顯示,在12級的圖像擴大到這個程度會出現像素化,並表現出塊狀或輪廓亮度步驟,而不是平滑的色調層次。

彩色CCD圖像傳感器

雖然CCD的不是固有的顏色敏感,三種不同的策略是通常使用的,以捕獲樣品中的顯微鏡的視覺外觀,以產生彩色圖像的CCD攝像係統。 在顯示和打印彩色圖像早些時候技術上的困難都不再是問題,並且通過顏色提供增加的信息可以十分重大。 許多應用中,如熒光顯微鏡,染色的組織學和病理學的組織切片,並用明場或微分幹涉對比技術的其它標記的試樣的觀察研究依賴於顏色作為基本圖像分量。 收購的彩色圖像用CCD照相機需要紅色,綠色,和藍色波長通過彩色濾光片,後天分離分開,並隨後組合成一個複合的彩色圖像。

用來實現顏色辨別每種方法都有優點和缺點,以及所有強加的約束,限製速度,降低時間和空間分辨率,降低動態範圍,並增加彩色攝像機的噪聲相比,灰度攝像頭。 最常見的方法是將毛毯CCD像素陣列的紅色,綠色和藍色(RGB)的微透鏡排列在一個特定的模式,通常是拜耳鑲嵌圖案的過濾器以交替的掩模。 或者,用三芯片設計中,圖像被分成一個分光棱鏡和彩色濾光片為三個(RGB)分量,它被捕獲,獨立的CCD,並重新組合成一個彩色圖像的輸出。 第三種方法是,采用一個單一的CCD由開關放置在照明路徑中或在成像器的正麵的顏色過濾器來順序地捕獲的單獨圖像的每個顏色的幀順序方法。

該單芯片CCD與附著的彩色濾波器陣列是用在大多數彩色顯微攝像頭。 濾波器陣列由施加在各個像素中的規則圖案的紅色,綠色和藍色的微透鏡。 拜耳馬賽克過濾器在四個像素傳感器單元,包括一個紅色,一個藍色,兩個過濾綠色的顏色分布信息。 綠色強調的分布格局以更好地符合人的視覺靈敏度,並劃分為四個像素組中的顏色信息,僅略有降低分辨率。 人類視覺係統獲取的空間信息主要來自彩色信號的亮度分量,並且該信息被保留在每個像素不管顏色。 視覺上滿意的圖像是由具有高分辨率單色結構細節相結合的低空間分辨率的顏色信息來實現。

單CCD彩色攝像機的獨特設計通過稍微移動順序拍攝的圖像之間的CCD,然後它們之間內插(被稱為像素移位的技術)可以改善空間分辨率,但圖像的獲取由這個過程相當慢。 另一種方法中,以單個像素掩蔽是快速光子收集期間緊接在CCD表麵移動的彩色微透鏡陣列在一個方形圖案。 最後,最近推出的技術結合了三種光電子井到每個像素在不同深度的光子的波長的歧視。 最大空間分辨率被保持在這些策略,因為每個像素提供了紅色,綠色和藍色的顏色信息。

三芯片彩色攝像機結合了高空間分辨率快速圖像采集,讓高幀率適合快速的圖像序列和視頻輸出。 通過采用一個分束器,以指示信號至3過濾CCD上,分別同時記錄的紅色,綠色和藍色圖像成分,非常高的捕捉速度是可能的。 然而,因為光強度傳遞到每個CCD實質上降低,合並彩色圖像比給定的一個可比曝光單色單芯片圖像更暗。 增益可被應用於彩色圖象,以增加它的亮度,但信號 - 噪聲比患有和圖像呈現更大的表觀噪聲。 由3板式照相機獲得的空間分辨率可以比單個的CCD傳感器的更高,如果每個CCD是由相對於其他子像素偏移量。 由於紅色,綠色和藍色的圖像表示稍有不同的樣品,它們可以通過將相機軟件進行組合,以產生更高分辨率的合成圖像。 許多顯微鏡和要求高的空間,並從使用三CCD相機係統的時間分辨率效益等科學應用。

彩色攝像機被稱為幀順序都配備了電動濾光輪或液晶可調諧濾波器(LCTF),以順序地露出紅色,綠色和藍色成分的圖像到一個單一的CCD。 因為相同的傳感器用於單獨的紅色,綠色和藍色的圖像,該芯片的充分的空間分辨率被保持,並且是自動獲得的圖像配準。 相繼收購三個框架減慢圖像采集和顯示的過程中,和適當的色彩平衡往往需要不同的積分時間為三種顏色。 雖然這種類型的相機通常不適合於高幀率采集,利用快速響應的液晶可調諧濾波器用於RGB測序可以提高操作速度大致。 LCTFs的偏振靈敏度,必須在某些應用中被考慮,因為它們隻傳送一個偏振向量,並可能改變在偏振光下觀察雙折射樣品的顏色。



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