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如何選購(gòu)顯微數(shù)碼成像分析系統(tǒng)?
來(lái)源:技術(shù)文章    更新時(shí)間:2022-05-19    瀏覽:1753次

一、前沿
2009年10月6日,
瑞典科學(xué)院宣布,將2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半授予美國(guó)科學(xué)家威拉德•博伊爾和喬治•史密斯,因?yàn)樗麄冇?969年發(fā)明了半導(dǎo)體集成電路成像技術(shù),CCD感應(yīng)器。經(jīng)過(guò)四十年的發(fā)展,CCD技術(shù)由實(shí)驗(yàn)室逐步走向了市場(chǎng),具有越來(lái)越廣闊的應(yīng)用。

CCD數(shù)碼成像對(duì)攝影產(chǎn)生了革命性的影響。在感光膠片之外,人們可以通過(guò)電子電路捕捉圖像,這些以數(shù)字形式存在的圖像更加易于處理和分發(fā)。數(shù)字圖像已經(jīng)成為許多研究領(lǐng)域中不可替代的重要工具。數(shù)碼成像技術(shù)應(yīng)用到顯微鏡上,以替代以往的膠卷拍攝,現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用了。以前我們用膠卷來(lái)進(jìn)行顯微拍攝,要等一卷拍完,沖洗出來(lái)才能確定拍攝的圖像是否清晰,如果拍攝的圖像不理想,而顯微觀(guān)察的樣品又失效了,就需要重新制作樣品,給研究工作帶來(lái)很大的不便,而現(xiàn)在使用顯微數(shù)碼相機(jī)來(lái)拍攝顯微圖像,所見(jiàn)即所得,當(dāng)時(shí)就是保存處理,甚至統(tǒng)計(jì)分析,極大的提高了工作效率。

二、顯微數(shù)碼成像系統(tǒng)的組成
顯微數(shù)碼成像系統(tǒng)包括CCD/CMOS專(zhuān)業(yè)相機(jī),圖像采集處理軟件,熒光顯微鏡|顯微鏡攝像頭|顯微鏡接口,數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)等,其中最核心的設(shè)備是CCD和CMOS圖像傳感器,前者由光電耦合器件構(gòu)成,后者由金屬氧化物器件構(gòu)成。兩者都是光電二極管結(jié)構(gòu)感受入射光并轉(zhuǎn)換為電信號(hào),主要區(qū)別在于讀出信號(hào)所用的方法。

CCD(Charge Coupled Device ,感光耦合組件)上感光組件的表面具有儲(chǔ)存電荷的能力,并以矩陣的方式排列。當(dāng)其表面感受到光線(xiàn)時(shí),會(huì)將電荷反應(yīng)在組件上,整個(gè)CCD上的所有感光組件所產(chǎn)生的信號(hào),就構(gòu)成了一個(gè)完整的畫(huà)面。CCD的結(jié)構(gòu)分三層 ,第一層“微型鏡頭"“ON-CHIP MICRO LENS",這是為了有效提升CCD的總像素,又要確保單一像素持續(xù)縮小以維持CCD的標(biāo)準(zhǔn)面積,在每一感光二極管上(單一像素)裝置微小鏡片。CCD的第二層是“分色濾色片",目前有兩種分色方式,一是RGB原色分色法,另一個(gè)則是CMYG補(bǔ)色分色法。原色CCD的優(yōu)勢(shì)在于畫(huà)質(zhì)銳利,色彩真實(shí),但缺點(diǎn)則是噪聲問(wèn)題。第三層:感光層,這層主要是負(fù)責(zé)將穿過(guò)濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號(hào),并將信號(hào)傳送到影像處理芯片,將影像還原。

數(shù)碼成像的核心器件除CCD,現(xiàn)在越來(lái)越多的使用CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體,CMOS和CCD一樣同在數(shù)碼相機(jī)中可記錄光線(xiàn)變化的半導(dǎo)體。CMOS傳感器中每一個(gè)感光元件都直接整合了放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯,當(dāng)感光二極管接受光照、產(chǎn)生模擬的電信號(hào)之后,電信號(hào)首先被該感光元件中的放大器放大,然后直接轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。CMOS的優(yōu)勢(shì)在于成本低,耗電需求少,便于制造, 可以與影像處理電路同處于一個(gè)芯片上,缺點(diǎn)是較容易出現(xiàn)雜點(diǎn)。

三 顯微鏡成像系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)
對(duì)CCD/CMOS數(shù)碼成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理有了一個(gè)基本了解后,我們?cè)賹?duì)成像系統(tǒng)的一些基本參數(shù)作一個(gè)說(shuō)明。在實(shí)際應(yīng)用中,很多用戶(hù)對(duì)像素多少很敏感,一上來(lái)就提到我要多少萬(wàn)像素的成像系統(tǒng),其實(shí)在專(zhuān)業(yè)成像應(yīng)用中,像素多少只是影響成像的一個(gè)因素,還有其他很多指標(biāo),包括分辨率,感光器件大小,動(dòng)態(tài)范圍,靈敏度,量子效率,信噪比等。

感光器件的面積大小是衡量顯微成像系統(tǒng)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo),感光器件的面積越大,捕獲的光子越多,感光性能越好,信噪比越低。當(dāng)前數(shù)碼成像系統(tǒng)中較常應(yīng)用的感光器件規(guī)格如下:1英寸(靶面尺寸為寬12.7mm*高9.6mm,對(duì)角線(xiàn)16mm),2/3英寸, 1/2英寸,1/3英寸,另外有時(shí)也用到1/1.8英寸,1/2.5英寸的CCD/CMOS感光器件。
 
像素是CCD/CMOS能分辨的最小的感光元件,顯微數(shù)碼成像系統(tǒng)的像素由低到高有:45萬(wàn)左右,140萬(wàn)左右,200萬(wàn)左右,300萬(wàn)左右,500萬(wàn)左右,900萬(wàn)像素,甚至還有更高的達(dá)到2000萬(wàn)像素以上。一般來(lái)說(shuō),像素越高,圖像分辨率越高,成像也就越清晰,但有時(shí)候圖像分辨率達(dá)到一定程度后,就不是影響成像質(zhì)量的主要指標(biāo)了。比如圖像分辨率高,噪聲也很高時(shí),成像質(zhì)量也不會(huì)很好。暗電流是導(dǎo)致CCD噪音的很重要的因素。暗電流指在沒(méi)有曝光的情況下,在一定的時(shí)間內(nèi),CCD傳感器中像素產(chǎn)生的電荷。我們?cè)谧鰺晒馀臄z的時(shí)候,需要的曝光的時(shí)候比較長(zhǎng),這樣導(dǎo)致CCD產(chǎn)生較多的暗電流,對(duì)圖像的質(zhì)量影響非常大。通常情況下通過(guò)降低CCD的溫度來(lái)最大限度的減少暗電流對(duì)成像的影響。Peltier制冷技術(shù)一般可將CCD溫度降低5-30°C,在長(zhǎng)時(shí)間拍攝或一次曝光超過(guò)5-10秒,CCD芯片會(huì)發(fā)熱,沒(méi)有致冷設(shè)備的芯片,“熱"或者白的像素點(diǎn)就會(huì)遮蓋圖像,圖像會(huì)出向明顯的雪花點(diǎn)。CCD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)字化的方法等都會(huì)影響噪音的產(chǎn)生。當(dāng)然通過(guò)改善結(jié)構(gòu)、優(yōu)化方法,同樣能減少噪音的產(chǎn)生。顯微熒光或其他弱光的拍攝對(duì)CCD噪音的降低要求很高,應(yīng)選用高分辨率數(shù)字冷卻CCD成像系統(tǒng),使其能夠捕獲到信號(hào)極其微弱的熒光樣品圖像,并且能夠
的降低噪音,減少背景,提供出色的圖像清晰度。所以一般在熒光及弱光觀(guān)察時(shí)需要選擇制冷CCD。

在顯微數(shù)碼成像過(guò)程中,對(duì)于熒光及弱光的拍攝,除了制冷降低熱噪聲外,還可使用 BINNING技術(shù)提高圖像的靈敏度,BINNING像素合并是一種非常有用的功能,它可被用來(lái)提高像素的大小和靈敏度,比如攝像頭像素大小為5u,當(dāng)經(jīng)過(guò)2x2合并后,像素大小為10u,3X3合并后,像素大小為15u, 這是圖像的整體像素變少了,但成像的靈敏度可提高9倍。

動(dòng)態(tài)范圍表示在一個(gè)圖像中最亮與最暗的比值。12bit表示從最暗到最亮等分為212=4096個(gè)級(jí)別,16bit即分為216個(gè)級(jí)別,可見(jiàn)bit值越高能分出的細(xì)微差別越大,一般CMOS成像系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍具有8-10bit, CCD以10-12bit為主,少部分可達(dá)16bit。對(duì)動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行量化需要一個(gè)運(yùn)算公式,即動(dòng)態(tài)范圍值 = 20 log (well depth/read noise),動(dòng)態(tài)范圍的值越高成像系統(tǒng)的性能就越好。

量子效率也稱(chēng)像素靈敏度,指在一定的曝光量下,像素勢(shì)阱中所積累的電荷數(shù)與入射到像素表面上的光子數(shù)之比。不同結(jié)構(gòu)的CCD其量子效率差異很大。比如100光子中積累到像素勢(shì)阱中的電荷數(shù)是50個(gè),則量子效率為50%(100 photons = 50 electrons means 50% efficiency)。值得注意的是CCD 的量子效率與入射光的波長(zhǎng)有關(guān)。

對(duì)顯微數(shù)碼成像系統(tǒng)的參數(shù)有了整體認(rèn)識(shí)后,在實(shí)際應(yīng)用中選擇合適型號(hào)的產(chǎn)品就比較容易了。高分辨率顯微數(shù)碼成像技術(shù)在國(guó)外已有二十來(lái)年的發(fā)展歷史,產(chǎn)品目前已比較成熟。國(guó)外的專(zhuān)業(yè)數(shù)碼產(chǎn)品有多個(gè)品牌,比較著名的有德國(guó)的ProgRes,美國(guó)Roper Scientific的系列產(chǎn)品,另外OLYMPUS、NIKON、LEICA、ZEISS等顯微鏡廠(chǎng)家也有一些配套的專(zhuān)業(yè)數(shù)碼成像系統(tǒng) 。其中CCD成像系統(tǒng)主要采用SONY及KODRA公司的芯片,因此相關(guān)產(chǎn)品性能差別不是很大。

國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)數(shù)碼成像產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造時(shí)間還不長(zhǎng),但隨著配套技術(shù)的成熟,100萬(wàn)像素以上的CCD/CMOS專(zhuān)業(yè)數(shù)碼成像產(chǎn)品開(kāi)始陸續(xù)推出,主要的專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家有北京的大恒、微視、杭州歐普林,廣州明美等企業(yè)。北京大恒早期主要研發(fā)生產(chǎn)圖像采集卡,目前可以量產(chǎn)140萬(wàn)像素的CCD攝像頭,130萬(wàn)/200萬(wàn)/320萬(wàn)/500萬(wàn)像素CMOS攝像頭,主要用到工業(yè)領(lǐng)域。廣州明美是國(guó)內(nèi)少數(shù)專(zhuān)業(yè)從事顯微數(shù)碼成像產(chǎn)品研發(fā)與銷(xiāo)售的高新技術(shù)企業(yè),由于具有雄厚的顯微鏡技術(shù)背景,明美推出的130萬(wàn)-900萬(wàn)系列CMOS專(zhuān)業(yè)成像系統(tǒng),1/2\ 2/3 寸140萬(wàn)像素、300萬(wàn)像素的CCD顯微成像系統(tǒng),都專(zhuān)門(mén)針對(duì)顯微成像的特點(diǎn),對(duì)底層驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)行了修正,使之顯微成像操作更方便,色彩還原更真實(shí),清晰度更高。

顯微數(shù)碼成像系統(tǒng)一般都是在電腦上預(yù)覽與保存,因此需要配套的相應(yīng)的圖像采集及處理軟件,這方面國(guó)內(nèi)由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等原因,很多公司對(duì)軟件的開(kāi)發(fā)重視程度不夠,認(rèn)為硬件開(kāi)發(fā)出來(lái)就萬(wàn)事大吉了,結(jié)果很多國(guó)產(chǎn)的成像系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)不方便,功能有限,需要專(zhuān)業(yè)的操作人員才能得到好的圖象,影響了市場(chǎng)的普及推廣,不過(guò)最近兩年這種情況有了明顯的改進(jìn),明美光電,歐普林科技等公司都推出了配套的功能豐富的軟件系統(tǒng)。

2009年中,明美推出了采用SONY芯片的500萬(wàn)像素冷CC D顯微成像系統(tǒng)MC50,其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了Roper Scientific公司MP5.0的標(biāo)準(zhǔn),實(shí)際拍攝效果與進(jìn)口產(chǎn)品相比也毫不遜色,操作人性,最重要的是,MC50的價(jià)格只有國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的一半左右,這樣會(huì)大大推動(dòng)顯微成像系統(tǒng)的應(yīng)用與普及,真正打破了國(guó)外廠(chǎng)家在專(zhuān)業(yè)數(shù)碼成像領(lǐng)域的壟斷。
 注意:此文有廣州明美原創(chuàng),如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處,否則不得轉(zhuǎn)載

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