科学版数码生物成像系统

一、前沿2009年10月6日，瑞典皇家科学院宣布，将2009年诺贝尔物理学奖的一半授予美国科学家威拉德• 博伊尔和乔治• 史密斯，因为他们于1969年发明了半导体集成电路成像技术,CCD感应器。经过四十年的发展，CCD技术由实验室逐步走向了市场，具有越来越广阔的应用。CCD数码成像对摄影产生了革命性的影响。在感光胶片之外，人们可以通过电子电路捕捉图像，这些以数字形式存在的图像更加易于处理和分发。数字图像已经成为许多研究领域中不可替代的重要工具。数码成像技术应用到显微镜上，以替代以往的胶卷拍摄，现在已经广泛应用了。以前我们用胶卷来进行显微拍摄，要等一卷拍完，冲洗出来才能确定拍摄的图像是否清晰，如果拍摄的图像不理想，而显微观察的样品又失效了，就需要重新制作样品，给研究工作带来很大的不便，而现在使用显微数码相机来拍摄显微图像，所见即所得，当时就是保存处理，甚至统计分析，极大的提高了工作效率。二、显微数码成像系统的组成显微数码成像系统包括CCD/CMOS专业相机，图像采集处理软件，显微镜接口，数据传输线等，其中最核心的设备是CCD和CMOS图像传感器，前者由光电耦合器件构成，后者由金属氧化物器件构成。两者都是光电二极管结构感受入射光并转换为电信号，主要区别在于读出信号所用的方法。CCD(Charge Coupled Device ，感光耦合组件)上感光组件的表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列。当其表面感受到光线时，会将电荷反应在组件上，整个CCD上的所有感光组件所产生的信号，就构成了一个完整的画面。CCD的结构分三层 ，第一层“微型镜头”“ON-CHIP MICRO LENS”，这是为了有效提升CCD的总像素，又要确保单一像素持续缩小以维持CCD的标准面积，在每一感光二极管上(单一像素)装置微小镜片。CCD的第二层是“分色滤色片”，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYG补色分色法。原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。第三层：感光层，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。数码成像的核心器件除CCD,现在越来越多的使用CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补性氧化金属半导体，CMOS和CCD一样同在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。CMOS的优势在于成本低，耗电需求少，便于制造， 可以与影像处理电路同处于一个芯片上，缺点是较容易出现杂点。三 显微镜成像系统相关参数对CCD/CMOS数码成像系统的结构和原理有了一个基本了解后，我们再对成像系统的一些基本参数作一个说明。在实际应用中，很多用户对像素多少很敏感，一上来就提到我要多少万像素的成像系统，其实在专业成像应用中，像素多少只是影响成像的一个因素，还有其他很多指标，包括分辨率，感光器件大小，动态范围,灵敏度，量子效率，信噪比等。感光器件的面积大小是衡量显微成像系统质量的一个重要指标，感光器件的面积越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。当前数码成像系统中较常应用的感光器件规格如下：1英寸（靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm，对角线16mm），2/3英寸， 1/2英寸，1/3英寸，另外有时也用到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，显微数码成像系统的像素由低到高有：45万左右，140万左右，200万左右，300万左右，500万左右，900万像素，甚至还有更高的达到2000万像素以上。一般来说，像素越高，图像分辨率越高，成像也就越清晰，但有时候图像分辨率达到一定程度后，就不是影响成像质量的主要指标了。比如图像分辨率高，噪声也很高时，成像质量也不会很好。暗电流是导致CCD噪音的很重要的因素。暗电流指在没有曝光的情况下，在一定的时间内，CCD传感器中像素产生的电荷。我们在做荧光拍摄的时候，需要的曝光的时候比较长，这样导致CCD产生较多的暗电流，对图像的质量影响非常大。通常情况下通过降低CCD的温度来最大限度的减少暗电流对成像的影响。Peltier制冷技术一般可将CCD温度降低5-30°C，在长时间拍摄或一次曝光超过5-10秒，CCD芯片会发热，没有致冷设备的芯片，“热”或者白的像素点就会遮盖图像，图像会出向明显的雪花点。CCD结构设计、数字化的方法等都会影响噪音的产生。当然通过改善结构、优化方法，同样能减少噪音的产生。显微荧光或其他弱光的拍摄对CCD噪音的降低要求很高，应选用高分辨率数字冷却CCD成像系统，使其能够捕获到信号极其微弱的荧光样品图像，并且能够最大程度的降低噪音，减少背景，提供出色的图像清晰度。所以一般在荧光及弱光观察时需要选择制冷CCD。在显微数码成像过程中，对于荧光及弱光的拍摄，除了制冷降低热噪声外，还可使用 BINNING技术提高图像的灵敏度，BINNING像素合并是一种非常有用的功能，它可被用来提高像素的大小和灵敏度，比如摄像头像素大小为5u,当经过2x2合并后，像素大小为10u，3X3合并后，像素大小为15u, 这是图像的整体像素变少了，但成像的灵敏度可提高9倍。动态范围表示在一个图像中最亮与最暗的比值。12bit表示从最暗到最亮等分为212＝4096个级别，16bit即分为216个级别，可见bit值越高能分出的细微差别越大，一般CMOS成像系统动态范围具有8-10bit, CCD以10-12bit为主，少部分可达16bit。对动态范围进行量化需要一个运算公式，即动态范围值 = 20 log (well depth/read noise)，动态范围的值越高成像系统的性能就越好。量子效率也称像素灵敏度，指在一定的曝光量下,像素势阱中所积累的电荷数与入射到像素表面上的光子数之比。不同结构的CCD其量子效率差异很大。比如100光子中积累到像素势阱中的电荷数是50个，则量子效率为50％（100 photons = 50 electrons means 50% efficiency）。值得注意的是CCD 的量子效率与入射光的波长有关。对显微数码成像系统的参数有了整体认识后，在实际应用中选择合适型号的产品就比较容易了。高分辨率显微数码成像技术在国外已有二十来年的发展历史，产品目前已比较成熟。国外的专业数码产品有多个品牌，比较著名的有德国的ProgRes，美国Roper Scientific的系列产品，另外OLYMPUS、NIKON、LEICA、ZEISS等显微镜厂家也有一些配套的专业数码成像系统 。其中CCD成像系统主要采用SONY及KODRA公司的芯片，因此相关产品性能差别不是很大。国内专业数码成像产品的设计制造时间还不长，但随着配套技术的成熟，100万像素以上的CCD/CMOS专业数码成像产品开始陆续推出，主要的专业厂家有北京的大恒、微视、杭州欧普林，广州明美等企业。北京大恒早期主要研发生产图像采集卡，目前可以量产140万像素的CCD摄像头，130万/200万/320万/500万像素CMOS摄像头，主要用到工业领域。

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简单的说说吧，数码相机也是一种CCD，只是比较低端，一般只给出像数值（其实这个值意义也不大，现在号称有1700万像素，其实那是用物理抖动实现的，实际像素值还是400万什么的）科学级CCD需要提供的参数很多，如量子效率，满井容量，单个像素大小，靶面大小，响应范围，制冷，暗电流噪声等等。还有科学级CCD都是黑白的，好一点的动态范围一般是12bit以上，t好的CCD没有彩色的。彩色原因只是加了RGB通道，虽然标称是24bit动态范围，其实每个通道8bit，加起来是24bit。比单色ccd差远了。科学级CCD与数码比最大的弱点就是分辨率了，由于要实现那么多参数指标，决定了其靶面不能做到太大，单个像素不能太小（不详细说了）。目前最好的ccd之一是andor对EMCCD，为了实现高灵敏度，单个像素大小做到16um，靶面是512*512的。要是用来成像，分辨率还是差点。用途方面。要是想获得比较好的图片，比如染色切片，彩色荧光图片，当然用数码相机拍。这数码相机拍还分两种：一种是单反的，拆掉镜头，直接用相机的靶面成像，相机自身不可以调焦了。还有就是用相机自带的镜头取景，可调节，可采集大视野（不过要专门做接口，国内重庆光电可以做）。要是对荧光强度进行分析，当然还是用科学级CCD了。所以一般在荧光显微镜上配一个数码相机，一个科学级CCD就差不多了。