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如何選購顯微數碼成像分析系統?
來源:技術文章    更新時間:2022-05-19    瀏覽:1445次

一、前沿
2009年10月6日,
瑞典科學院宣布,將2009年諾貝爾物理學獎的一半授予美國科學家威拉德•博伊爾和喬治•史密斯,因為他們于1969年發明了半導體集成電路成像技術,CCD感應器。經過四十年的發展,CCD技術由實驗室逐步走向了市場,具有越來越廣闊的應用。

CCD數碼成像對攝影產生了革命性的影響。在感光膠片之外,人們可以通過電子電路捕捉圖像,這些以數字形式存在的圖像更加易于處理和分發。數字圖像已經成為許多研究領域中不可替代的重要工具。數碼成像技術應用到顯微鏡上,以替代以往的膠卷拍攝,現在已經廣泛應用了。以前我們用膠卷來進行顯微拍攝,要等一卷拍完,沖洗出來才能確定拍攝的圖像是否清晰,如果拍攝的圖像不理想,而顯微觀察的樣品又失效了,就需要重新制作樣品,給研究工作帶來很大的不便,而現在使用顯微數碼相機來拍攝顯微圖像,所見即所得,當時就是保存處理,甚至統計分析,極大的提高了工作效率。

二、顯微數碼成像系統的組成
顯微數碼成像系統包括CCD/CMOS專業相機,圖像采集處理軟件,熒光顯微鏡|顯微鏡攝像頭|顯微鏡接口,數據傳輸線等,其中最核心的設備是CCD和CMOS圖像傳感器,前者由光電耦合器件構成,后者由金屬氧化物器件構成。兩者都是光電二極管結構感受入射光并轉換為電信號,主要區別在于讀出信號所用的方法。

CCD(Charge Coupled Device ,感光耦合組件)上感光組件的表面具有儲存電荷的能力,并以矩陣的方式排列。當其表面感受到光線時,會將電荷反應在組件上,整個CCD上的所有感光組件所產生的信號,就構成了一個完整的畫面。CCD的結構分三層 ,第一層“微型鏡頭"“ON-CHIP MICRO LENS",這是為了有效提升CCD的總像素,又要確保單一像素持續縮小以維持CCD的標準面積,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,另一個則是CMYG補色分色法。原色CCD的優勢在于畫質銳利,色彩真實,但缺點則是噪聲問題。第三層:感光層,這層主要是負責將穿過濾色層的光源轉換成電子信號,并將信號傳送到影像處理芯片,將影像還原。

數碼成像的核心器件除CCD,現在越來越多的使用CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,互補性氧化金屬半導體,CMOS和CCD一樣同在數碼相機中可記錄光線變化的半導體。CMOS傳感器中每一個感光元件都直接整合了放大器和模數轉換邏輯,當感光二極管接受光照、產生模擬的電信號之后,電信號首先被該感光元件中的放大器放大,然后直接轉換成對應的數字信號。CMOS的優勢在于成本低,耗電需求少,便于制造, 可以與影像處理電路同處于一個芯片上,缺點是較容易出現雜點。

三 顯微鏡成像系統相關參數
對CCD/CMOS數碼成像系統的結構和原理有了一個基本了解后,我們再對成像系統的一些基本參數作一個說明。在實際應用中,很多用戶對像素多少很敏感,一上來就提到我要多少萬像素的成像系統,其實在專業成像應用中,像素多少只是影響成像的一個因素,還有其他很多指標,包括分辨率,感光器件大小,動態范圍,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質量的一個重要指標,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。當前數碼成像系統中較常應用的感光器件規格如下:1英寸(靶面尺寸為寬12.7mm*高9.6mm,對角線16mm),2/3英寸, 1/2英寸,1/3英寸,另外有時也用到1/1.8英寸,1/2.5英寸的CCD/CMOS感光器件。
 
像素是CCD/CMOS能分辨的最小的感光元件,顯微數碼成像系統的像素由低到高有:45萬左右,140萬左右,200萬左右,300萬左右,500萬左右,900萬像素,甚至還有更高的達到2000萬像素以上。一般來說,像素越高,圖像分辨率越高,成像也就越清晰,但有時候圖像分辨率達到一定程度后,就不是影響成像質量的主要指標了。比如圖像分辨率高,噪聲也很高時,成像質量也不會很好。暗電流是導致CCD噪音的很重要的因素。暗電流指在沒有曝光的情況下,在一定的時間內,CCD傳感器中像素產生的電荷。我們在做熒光拍攝的時候,需要的曝光的時候比較長,這樣導致CCD產生較多的暗電流,對圖像的質量影響非常大。通常情況下通過降低CCD的溫度來最大限度的減少暗電流對成像的影響。Peltier制冷技術一般可將CCD溫度降低5-30°C,在長時間拍攝或一次曝光超過5-10秒,CCD芯片會發熱,沒有致冷設備的芯片,“熱"或者白的像素點就會遮蓋圖像,圖像會出向明顯的雪花點。CCD結構設計、數字化的方法等都會影響噪音的產生。當然通過改善結構、優化方法,同樣能減少噪音的產生。顯微熒光或其他弱光的拍攝對CCD噪音的降低要求很高,應選用高分辨率數字冷卻CCD成像系統,使其能夠捕獲到信號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察時需要選擇制冷CCD。

在顯微數碼成像過程中,對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,它可被用來提高像素的大小和靈敏度,比如攝像頭像素大小為5u,當經過2x2合并后,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。

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

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

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

國內專業數碼成像產品的設計制造時間還不長,但隨著配套技術的成熟,100萬像素以上的CCD/CMOS專業數碼成像產品開始陸續推出,主要的專業廠家有北京的大恒、微視、杭州歐普林,廣州明美等企業。北京大恒早期主要研發生產圖像采集卡,目前可以量產140萬像素的CCD攝像頭,130萬/200萬/320萬/500萬像素CMOS攝像頭,主要用到工業領域。廣州明美是國內少數專業從事顯微數碼成像產品研發與銷售的高新技術企業,由于具有雄厚的顯微鏡技術背景,明美推出的130萬-900萬系列CMOS專業成像系統,1/2\ 2/3 寸140萬像素、300萬像素的CCD顯微成像系統,都專門針對顯微成像的特點,對底層驅動軟件進行了修正,使之顯微成像操作更方便,色彩還原更真實,清晰度更高。

顯微數碼成像系統一般都是在電腦上預覽與保存,因此需要配套的相應的圖像采集及處理軟件,這方面國內由于知識產權保護等原因,很多公司對軟件的開發重視程度不夠,認為硬件開發出來就萬事大吉了,結果很多國產的成像系統的控制調節不方便,功能有限,需要專業的操作人員才能得到好的圖象,影響了市場的普及推廣,不過最近兩年這種情況有了明顯的改進,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。

2009年中,明美推出了采用SONY芯片的500萬像素冷CC D顯微成像系統MC50,其相關技術指標達到了Roper Scientific公司MP5.0的標準,實際拍攝效果與進口產品相比也毫不遜色,操作人性,最重要的是,MC50的價格只有國外同類產品的一半左右,這樣會大大推動顯微成像系統的應用與普及,真正打破了國外廠家在專業數碼成像領域的壟斷。
 注意:此文有廣州明美原創,如需轉載請注明出處,否則不得轉載

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