mmc_logo
samples
download

 

ПЗС камеры для микроскопа
 
  ПЗС камеры для микроскопа – камеры на основе ПЗС сенсоров (Прибор с Зарядовой Связью, англ. CCD, Charge-Coupled Device). В этой статье мы расскажем об устройстве ПЗС матриц и терминологии, связанной с ними. Это поможет вам не ошибиться в выборе камеры для вашего микроскопа.  
     
  ПЗС матрицы - история  
 
Камеры на ПЗС сенсорах – проверенное временем решение для получения аналогового и цифрового изображения с микроскопа. Первые ПЗС матрицы появились еще в 1969 году в Лабораториях Белла, знаменитого изобретателя телефонного аппарата и многих других приборов. Возможность получать заряд посредством фотоэлектрического эффекта сделала съемку изображений основной областью применения ПЗС. Уже в 1970 году сотрудники Bell Labs нашли возможность получать изображение с помощью линейных устройств. Важнейшим шагом в продвижении ПЗС-матриц на рынок видеокамер стало активное участие компании Sony, руководство которой увидело огромный потенциал ПЗС-матриц как источников получения цифрового изображения и вложила в разработку, массовое производство и внедрение новых устройств большие средства. Крестным отцом современных ПЗС камер для микроскопа можно считать Кадзуо Ивама (Kazuo Iwama), одного из руководителей компании Sony, который еще в 1969 году посетил лаборатории Белла в США и был впечатлен новым устройством для получения изображений. Благодаря его активному участию, ПЗС камеры стали производиться в массовом масштабе. На надгробной плите Кадзуо Ивамы установлена ПЗС-матрица для увековечения его вклада в развитие и распространение ПЗС камер. До сих пор компания Sony является самым известным и успешным производителем ПЗС-матриц. Поэтому мы используем сенсоры Sony в наших камерах для микроскопов премиум-сегмента для флуоресцентных исследований и решения задач в условиях плохой освещенности.  
Кадзуо Ивама
 
ПЗС сенсор на могиле Кадзуо Ивамы
 
     
  Устройство ПЗС камер для микроскопа  
  ПЗС-матрица, также как и ее ведущий конкурент в области получения изображений с микроскопа, КМОП сенсор, представляет собой массив маленьких светочувствительных элементов (сенселей), которые реагируют на попадание в них фотонов света, генерируя электрический сигнал. В зависимости от интенсивности света меняется электрический сигнал, сигналы аккумулируются, передаются в аналогово-цифровой преобразователь и затем формируют цифровое изображение в виде массива точек с разным значением яркости (пикселов или пикселей). Основным отличием ПЗС матрицы является то, что ее выходной сигнал представляет собой аналоговый сигнал, а выходной сигнал КМОП-матрицы сразу является цифровым. Первые камеры на основе ПЗС-матриц были аналоговыми. Затем появилась возможность встраивать в устройство аналогово-цифровой преобразователь и получать цифровые изображения.  
     
  Элементы ПЗС-матриц имеют следующую общую конструкцию: кремниевая подложка p-типа с каналами из полупроводников n-типа, над каналами – электроды из поликристаллического кремния. После подачи электрического потенциала на электрод под каналом создается так называемая потенциальная яма, в которой и хранятся электроны. Фотон света, попадая в кремний, генерирует электроны, электроны притягиваются потенциальной ямой и остаются в ней. Чем ярче свет – тем больше фотонов попадает на электрод и тем больший заряд накапливается в яме. Затем остается только считать накопившиеся заряды и преобразовать их в аналоговый и далее – в цифровой сигнал. По способу накопления (буферизации) и переноса заряда ПЗС-матрицы длятся на полнокадровые (full-frame CCD-matrix), матрицы с буферизацией кадра (frame—transfer CCD) и матрицы с буферизацией строк (interline CCD matrix).  
     
  Виды ПЗС камер  
  В полнокадровых ПЗС-матрицах заряд всего кадра переносится при закрытом механическом затворе (для того, чтобы новые фотоны не искажали заряд во время переноса, эффект full-frame matrix smear, «размазывание» заряда в полнокадровой матрице). Современные полнокадровые матрицы оснащаются устройством буферизации заряда, что позволяет повысить скорость считывания, но, тем не менее, частота кадров в такой матрице будет низкой, поскольку необходимо время на считывание сигнала с целого кадра. Чувствительность камер на основе полнокадровых матриц крайне высока, поэтому их используют для решения специальных научных задач в условиях низкой освещенности и для съемки статичных объектов.  
     
  Для демонстрации непрерывного сигнала, используемого в видеотехнике, были разработаны ПЗС матрицы с буферизацией строк (interline CCD matrix). В камерах на основе таких матриц не требуется механический затвор, и именно такие камеры используются для съемки изображений с микроскопа, потому что для настройки изображения на фокус необходимо видеть изменения живого видео на экране. Фотоаппараты с механическим затвором использовать для съемки с микроскопа крайне неудобно (подробнее см. Профессиональная камера для микроскопа или фотоаппарат - что выбрать?).  
     
  Не следует путать английский термин interline (буферизация строк) c термином interlaced (чересстрочная развертка). Термин interline (дословно между строк) возник в связи с тем, что регистр для считывания заряда находится между основными регистрами камеры. Термин interlaced относится к типу развертки кадра: кадр может считываться целиком в один цикл сканирования (progressive scan, прогрессивная развертка) или же используются два цикла для считывания, сначала нечетных, потом четных строк (interlace scan чересстрочная развертка). Чересстрочная развертка на сегодняшний день уже устаревшая технология, такие камеры используются в системах видео наблюдения. Современная ПЗС камера для микроскопа – камера с прогрессивной разверткой и буферизацией строк (англ. progressive scan interline CCD).  
     
  Еще один тип матриц с повышенной чувствительностью для научных исследований – матрицы с обратной засветкой (back-illuminated matrix). Их конструкция отличается тем, что свет попадает непосредственно на кремниевую подложку. Это позволяет избежать рассеивания света, которое неизбежно возникает при использовании электродов перед подложкой. Для возникновения фотоэлектрического эффекта подложку приходится шлифовать до толщины 10-15 микрон, поэтому матрицы с обратной засветкой имеют более высокую стоимость производства, но и выдают более качественной изображение благодаря снижению эффекта рассеивания заряда.  
     
  Для научных исследований также применяются ПЗС сенсоры с функцией лавинного умножения электронов (EMCCD Electron Multiplying CCD). Эти ПЗС матрицы оснащены выходными усилительными каскадами, способными умножать количество электронов, продуцируемых падающим на матрицу потоком света и позволяют усиливать очень слабый световой сигнал при минимальном уровне шума. Камеры на основе EMCCD могут работать при освещенности 10 в минус пятой степени люкс, что соответствует темной пасмурной ночи и даже регистрировать единичные фотоны.  
     
  Наши ПЗС камеры для микроскопа  
  Наверное, основным недостатком ПЗС камер для микроскопа с точки зрения пользователя является их высокая стоимость. Действительно, себестоимость качественного ПЗС сенсора зачастую во много раз превышает стоимость КМОП сенсора такого же размера. Основным достоинством ПЗС камер для микроскопа является их высокая чувствительность. В связи с этим, мы рекомендуем использовать камеры на основе ПЗС матриц для комлектации систем премиум класса, предназначенных, в первую очередь, для наблюдения флуоресцентных препаратов со слабыи свечением, а также для решения прочих задач в условиях недостаточной освещенности. В нашей продуктовой линейке представлены камеры для микроскопов на основе ПЗС сенсоров компании Sony:
  • MMC-50C-S/MMC-50M-S 5 Мп камеры с сенсором 2/3" ICX655, цветная и ч/б
  • MMC-14C-S/MMC-14M-S 1,3 Мп камера с сенсором 2/3" ICX285, технология ExView HAD, цветная и ч/б
  • MMC-28C-S/MMC-28M-S 2,8 Мп камера с сенсором 2/3" ICX674, технология ExView HAD II, цветная и ч/б
Технология ExView HAD (HAD Hole Accumulation Diode) - это разработка компании Sony, позволяющая повысить чувствительность камер посредством использования более эффективных диодов на матрице камеры. Эта технология позволяет существенно снизить шумы, повысить чувствительность, в том числе, засчет включения ближнего инфракрасного диапазона. Микролинзы особой конструкции фокусируют свет на чувствительных элементах камеры. В итоге получается сенсор, квантовая эффективность и чувствительность которого в разы превышает параметры обычной ПЗС матрицы. ExView HAD II - второе поколение данной технологии. Новая архитектура позволяет добиться более высокой чувствительности при меньшем физическом размере светочувствительных элементов, и при том же размере сенсора - большего разрешения.
 
  См. также:
Профессиональная камера для микроскопа: преимущества использования
Профессиональная камера для микроскопа или фотоаппарат - что выбрать?
 
 
Назад
 
 
 
© 2009 MMCSoft. All rights reserved.