电荷耦合器件 (CCD) 简介

2022-11-04 14:52:24 浏览:320

前言

数码相机系统,集成各种电荷耦合器件(CCD) 探测器配置是迄今为止最常见的图像捕获现代光学显微镜采用的技术。直到最近, 通常使用专门的常规胶片相机进行记录 在显微镜中观察到的图像。这种传统方法,依靠银基照相胶片的光子灵敏度涉及 以光化学形式临时存储潜在图像曝光薄膜中的反应位点,仅在化学处理(显影)后的薄膜乳液层。

 

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图1 - 用于光学显微镜的数字CCD相机系统

 

数码相机用CCD光子代替感光胶片 探测器,将薄硅片分成几何规则的 数千或数百万个光敏区域的阵列,可捕获 并以局部电荷的形式存储图像信息 这随入射光强度而变化。可变电子 与探测器的每个图像元素(像素)相关联的信号为 作为相应图像的强度值,非常快速地读出 位置,并在数值数字化后,图像可以是 重建并以虚拟方式显示在计算机显示器上 瞬间。

多种专为光学设计的数码相机系统 显微镜如图1所示。尼康数码日食 DXM1200 提供高质量的照片级逼真数字图像 分辨率高达 1200 万像素,噪点低,色彩极佳 再现,灵敏度高。相机由软件控制,使显微镜学家在收集时有很大的自由度, 组织和校正数字图像。实时色彩监控 支持每秒 12 帧的计算机屏幕,使 图像聚焦,可以通过三种格式进行保存:JPG,TIF和BMP,以实现更大的多功能性。

DS-5M-L1数码视线相机系统(图1)是尼康的 用于显微镜的创新数字成像系统,强调 一体化概念的易用性和效率,内置 独立控制单元中的液晶显示器。系统优化 捕获高达 500 万像素的高分辨率图像 简单的菜单和预编程的成像模式,适用于不同的 观察方法。独立设计具有以下优点: 独立操作,包括将图像存储到CF卡 安装在控制/监控单元中,但具有 网络功能(如果需要)。可以通过 USB 接口,以及通过以太网连接到局域网或互联网 港口。Web 浏览器支持可用于实时图像查看和远程 摄像机控制,并且摄像机控制单元支持HTTP,Telnet,FTP 服务器/客户端,并且与 DHCP 兼容。图示的摄像系统 图 1中表示当前可用于 使用光学显微镜进行数字成像。

也许是数字图像最显着的优势 光学显微镜中的捕获,如CCD相机系统所示,是 显微镜学家立即确定是否 已成功记录所需的图像。此功能是 考虑到许多实验的复杂性,特别有价值 成像情况和过程的瞬态性质 通常被调查。虽然电荷耦合器件检测器 它的功能与电影的作用相当,具有许多 在许多应用中具有卓越的成像属性。科学级 CCD相机具有非凡的动态范围、空间分辨率、 频谱带宽和采集速度。考虑到高光 某些CCD系统的灵敏度和光收集效率,薄膜 生产需要大约 ISO 100,000 的速度等级 具有可比信噪比 (SNR) 的图像。空间 当前CCD的分辨率与胶片相似,而它们的分辨率 光强分辨率高出一两个数量级 比胶片或摄像机实现的要好。传统摄影 薄膜在波长超过 650 纳米时不表现出灵敏度 与高性能CCD传感器形成鲜明对比,后者通常具有显着的 量子效率进入近红外光谱区域。线性 CCD相机在各种光强度下的响应 有助于卓越的性能,并提供这样的系统 成像分光光度计的定量功能。

CCD成像仪由大量感光元件组成 在薄硅衬底上以二维阵列排列。这 硅的半导体特性允许CCD芯片捕获和保持 适当电偏置下的光子感应电荷载流子 条件。单个图片元素或像素在 硅基体由窄透明正交网格组成 沉积在芯片上的载流电极条或栅极。CCD的基本光敏单元是金属氧化物半导体(MOS) 电容器用作光电二极管和存储设备。单个 MOS 这种类型的器件如图2所示,具有反向偏置 导致带负电荷的电子迁移到某个区域的操作 在带正电荷的栅极电极下方。电子释放 通过光子相互作用被储存在耗尽区直至满井储层容量。组装多个探测器结构时 成一个完整的CCD,阵列中的各个传感元件是 通过施加到表面的电压在一个维度上隔离 电极,并与相邻电极电隔离 其他方向通过在硅衬底内绝缘屏障或通道停止。

CCD的感光光电二极管元件响应入射 光子通过吸收大部分能量,导致释放 电子,以及相应缺电子位点的形成 (孔)在硅晶格内。一对电子-空穴是 由每个吸收的光子产生,并产生电荷 每个像素中的累积与 入射光子。施加到每个像素电极的外部电压 控制在 指定的时间间隔。最初,传感器阵列中的每个像素 作为潜在的井来储存电荷 收集,尽管带负电的电子或 可以累积带正电的空穴(取决于CCD 设计),入射光产生的电荷实体通常是 称为光电子。本讨论考虑 电子作为电荷载流子。这些光电子可以是 在读取之前累积并存储很长时间 该芯片由相机电子元件作为成像过程的一个阶段。

使用CCD相机生成的图像可分为四个主要 级或功能:通过光子相互作用产生电荷 设备的光敏区域,收集和存储 释放电荷、电荷转移和电荷测量。期间 第一阶段,响应入射产生电子和空穴 MOS电容器结构耗尽区域中的光子,以及 释放的电子迁移到在 相邻的正偏置栅极电极。铝制或 多晶硅表面栅极覆盖,但与, 埋在绝缘层内的载电荷通道 二氧化硅放置在栅极结构和硅之间 酶作用物。利用多晶硅作为电极材料提供 入射波长的透明度超过约400 纳米并增加设备的表面积比例 可用于光收集。在 耗尽区最初被收集成电正极 与每个像素相关的潜在孔。在读出过程中, 收集的电荷随后沿传输通道移动 在施加到栅极结构的电压的影响下。图3显示了定义单个CCD检测的电极结构元素。

 

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图2 - 金属氧化物半导体(MOS)电容器

 

通常,存储的电荷与光成线性比例 通量入射到传感器像素上,直至达到孔的容量; 因此,该全井容量(FWC)决定了 可以在像素中检测到的最大信号,并且是主要因素 影响CCD的动态范围。CCD的充电容量 势井很大程度上是物理尺寸的函数 单个像素。自首次商业化推出以来,CCD 已 通常配置成矩形的方形像素 面积阵列,最常见的是纵横比为 4:3。图4显示了几种最常见传感器格式的典型尺寸 在当前使用中,其尺寸名称以英寸为单位,根据 将CCD尺寸与vidicon管直径相关联的历史惯例。

CCD 格式

CCD的矩形几何形状和常见尺寸来自 他们早期与Vidicon管式相机的竞争,这需要 固态传感器产生电子信号输出 符合当时流行的视频标准。请注意, “英寸”名称不直接对应于任何CCD 尺寸,但表示扫描的矩形区域的大小 相应的圆形维迪康管。指定的“1英寸”CCD具有 对角线为 16 毫米,传感器尺寸为 9.6 x 12.8 毫米,来自 1 英寸 vidicon 管的扫描区域,具有 外径25.4毫米,输入窗口约18 直径毫米。不幸的是,这个令人困惑的命名法 一直存在,经常用于指CCD的“类型”而不是大小, 甚至包括按分数和分数组合分类的传感器 十进制术语,例如广泛使用的 1/1.8 英寸 CCD,即 中等尺寸介于 1/2 英寸和 2/3 英寸设备之间。

尽管消费级相机继续主要采用矩形 传感器以“标准化”尺寸格式之一构建,它正在成为 科学级相机越来越普遍地采用方形 传感器阵列,更好地匹配投影在 显微镜。生产各种传感器阵列尺寸,并且 在针对以下方面优化的设计中,单个像素尺寸差异很大 不同的性能参数。通用 2/3 英寸格式的 CCD 通常具有 768 x 480 或更多二极管阵列,尺寸为 8.8 x 6.6毫米(11毫米对角线)。最大尺寸 由许多传感器阵列的对角线表示相当 小于典型的显微镜视场,并导致 仅对整个视场的一部分进行高度放大的视图。这 在某些应用中,增加放大倍率可能是有益的,但如果 视野缩小是成像、放大的障碍 需要中间光学元件。另一种方法是使用 更大的CCD,与像场直径更匹配,范围 典型显微镜配置从18到26毫米。

CCD势阱存储容量的近似值可能是 通过将二极管(像素)面积乘以 1000 获得。一些 消费级 2/3 英寸 CCD,像素尺寸范围为 7 至 13 微米大小,能够存储50,000至100,000 电子。使用这种近似策略,二极管具有10 x 10 千分尺尺寸的全孔容量约为 100,000个电子。对于给定的CCD尺寸,设计选择涉及 数组中的像素总数,以及它们的尺寸, 需要在空间分辨率和像素电荷之间进行折衷 能力。当前消费类设备趋向于最大化像素 数量和分辨率导致二极管尺寸非常小,其中一些 使用小于 3 微米像素的较新的 2/3 英寸传感器 在大小上。

传统上采用专为科学成像设计的CCD 比用于消费者的光电二极管更大的光电二极管(特别是 视频速率)和工业应用。因为全井容量和 动态范围与二极管尺寸、科学级CCD直接相关 用于慢扫描成像应用通常采用二极管 最大可达 25 x 25 微米,以最大化动态范围, 灵敏度和信噪比。许多当前高性能 科学级相机融合了设计改进,具有 允许使用具有较小像素的大型阵列,这些数组能够 将显微镜的光学分辨率保持在高框架下 率。这些改进设计中的数百万像素的大型阵列 可以提供整个视场的高分辨率图像,并通过 利用像素合并(如下所述)和可变读出率, 必要时提供较大像素的更高灵敏度。

读取CCD阵列光电子

在测量CCD中每个传感元件的存储电荷之前 要确定该像素上的光子通量,电荷必须首先 传输到读出节点,同时保持 充电包。快速高效的电荷转移过程,以及 快速读出机制,对CCD的功能至关重要,因为 成像设备。当大量MOS电容器靠近放置时 一起形成传感器阵列,电荷通过 以导致 电荷从一个电容器溢出到下一个电容器,或从一排 电容器到下一个。硅内电荷的转换为 有效地耦合到施加到 覆盖电极结构,术语“电荷耦合”的基础 装置。CCD最初被设想为一个存储阵列,并打算 用作磁泡装置的电子版本。 电荷转移工艺方案满足关键要求 对于建立物理量的存储设备,代表 信息位,并在读出之前保持其完整性。在一个 CCD用于成像,信息位由数据包表示 来自光子相互作用的电荷。因为CCD是串行的 设备,一次读出一个充电包。

 

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图3-CCD传感元件(像素)结构

 

每个CCD光电二极管内在指定时间间隔内累积的存储电荷,称为积分时间或曝光时间, 必须测量以确定该二极管上的光子通量。 存储电荷的量化是通过组合实现的 并行和串行传输,提供每个传感器元件的电荷 按顺序分组到单个测量节点。电极网络, 或栅极结构,构建在与传感器元件相邻的 CCD 层上,构成电荷转移的移位寄存器。基本的电荷转移概念,使 二维二极管阵列的串行读出最初需要 来自成像仪表面的单个电荷包的整个阵列, 构成并行寄存器,同时 通过单行增量班次传输。电荷耦合移位 的整个并行寄存器将像素电荷行移动到最近的一行 寄存器边沿一条边变成专用的单行像素 的芯片称为串行寄存器。正是从这里 电荷数据包按顺序移动到片上行 用于测量的放大器。清空串行寄存器后,它是 由并行寄存器的另一个行移重新填充,以及 重复并行和串行移位,直到整个并行 注册已清空。一些CCD制造商使用术语垂直和水平分别指代并行和串行寄存器, 尽管后面的术语更容易与函数相关联 由每个人完成。

一个广泛使用的类比,以帮助可视化串行的概念 CCD的读数是用于降雨量测量的斗旅,在 落在水桶阵列上的雨强度可能因地点而异 以类似于成像传感器上的入射光子放置(见图5(a))。并行寄存器由 桶,在收集不同数量的信号(水)期间 整合期。铲斗在传送带上运输 逐步朝向一排空桶,代表 串行寄存器,并在第二个传送带上移动 垂直于第一个。在图 5(b) 中,一整行存储桶 正在并联移动到串行寄存器的储液器中。 串行移位和读出操作如图所示 5(c),表示每个桶中累积的雨水 依次转移到校准的测量容器中, 类似于CCD输出放大器。当所有内容 串行输送机上的容器已按顺序测量, 另一个并行移位传输下一行收集的内容 将存储桶放入串行寄存器容器中,然后该过程重复 直到测量完每个存储桶(像素)的内容。

有许多设计可以配置MOS电容器,并且 它们的栅极电压被驱动,形成CCD成像阵列。如前所述 以前,栅电极排列成条状,覆盖整个 CCD表面的成像表面。最简单和最常见的充电 传输配置是三相CCD设计,其中 每个光电二极管(像素)分为三部分,并有三个平行 由栅电极定义的电位孔。在这个设计中,每三分之一 门连接到同一时钟驱动器电路。基本意义 CCD中的元件,对应于一个像素,由三个门组成 连接到三个独立的时钟驱动器,称为相位 1、阶段 2 和 相位 3 时钟。三个平行门的每个序列组成一个 像素的寄存器,以及覆盖CCD的数千个像素 成像表面构成器件的并行寄存器。一旦被困 在势阱中,电子在 将电荷包从一个像素行移动到 下一个。施加到交替电极的一系列电压变化 平行(垂直)闸门结构移动潜在井和 在并行移位寄存器时钟控制下的被捕获电子。

三相转换中采用的一般时钟方案从电荷积分步骤开始,其中三个中的两个 每个像素的并行相位设置为高偏置值,从而产生 相对于第三个门的高场区域,该区域保持在低或 零潜力。例如,相1和2可以被指定为收集相,并保持在相对于相3更高的静电势,其作为屏障相,以分离在高场相中收集的电荷 相邻像素。电荷积分后,转移开始于 仅将相1栅极保持在高电位,以便充电 在该阶段生成将收集在那里,并在 阶段 2 和阶段 3 阶段现在都处于零电位,迅速扩散 进入第一阶段的潜在井。图 3说明了 电极结构定义了三相CCD的每个像素,以及 描绘了在下面的电位阱中积累的电子 相 1 电极,保持在正电压(标记 + V)。 电荷转移以适当定时的顺序进行 施加到栅极的电压以产生潜在的井 以及跨每个像素迁移的障碍。

 

图4 - 常见的CCD图像传感器格式

 

在每个传输步骤中,耦合到远在 电荷包变为正极,而含电子阱 变为负或设置为零(接地),迫使累积的电子 以推进下一阶段。而不是利用突然的电压 时钟序列中的转换,施加的电压在 相邻相位是渐进和重叠的,以确保 高效的电荷传输。过渡到第 2 阶段由 将正电位应用于第 2 阶段的门,传播 在第一阶段和第二阶段井之间收集的电荷,以及当 相位 1 电位返回地,整个充电数据包为 被迫进入第 2 阶段。类似的定时电压转换序列, 在并行移位寄存器时钟的控制下,用于移位 充电从第 2 阶段到第 3 阶段,该过程一直持续到 整个单像素偏移已完成。一个三相时钟 应用于整个并行寄存器的循环导致单行 整个阵列的移位。三相转移的重要因素 是相邻像素之间始终保持潜在屏障 充电数据包,允许一对一的空间对应 在整个图像中要保持的传感器和显示器像素之间 捕获序列。

图 6 说明了刚才描述的操作序列 三相CCD中的电荷转移以及时钟序列 用于由并行移位寄存器时钟提供的驱动脉冲 完成转移。在此像素的示意图可视化中, 电荷被描述为通过时钟从左向右转移 同时降低 正偏置电极(定义电位阱)并增加它 在右侧的电极上(图6(a)和6(b))。在最后 三个步骤(图6(c)),电荷已完全转移 从一个栅电极到下一个栅极。请注意,上升和下降 时钟驱动脉冲的相位定时略有重叠(不是 图示)为了更有效地转移费用和 尽量减少换档期间电荷损失的可能性。

随着每一次完整的并行传输,来自整个像素行的电荷包被移动到串行寄存器中,在那里它们可以依次移向输出放大器,如图5(c)所示。此水平(串行)传输 采用与立式相同的三相电荷耦合机制 行移位,在这种情况下,定时控制由来自 串行移位寄存器时钟。从所有像素传输后 用于读出的串行寄存器,并行寄存器时钟提供 移动下一排被俘光电子的时间信号 进入串行寄存器。串行寄存器中的每个电荷数据包为 传送到 CCD 的输出节点,在那里由 输出放大器(有时称为片上前置放大器) 将电荷转换为成比例的电压。电压 放大器的输出表示由 连续光电二极管,按从左到右的顺序读出 每一行以及从顶行到下行的整个行 二维数组。因此,此阶段的CCD输出为一个 模拟电压信号相当于累积电荷的光栅扫描 在设备的成像表面上。

在输出放大器完成其放大功能后 充电包并将其转换为比例电压,信号为 传输到模数转换器(ADC),该转换器将电压值转换为计算机解释所需的0和1二进制代码。每个像素 按步长分配与信号幅度对应的数字值 根据ADC的分辨率或位深度调整大小。为 例如,具有 12 位分辨率的 ADC 为每个像素分配一个值 范围从 0 到 4095,代表 4096 种可能的图像灰度级别 (2 到 12 次方等于 4096 数字化仪步长)。每个灰度级别 步进称为模数单元(ADU)。

当前CCD成像系统的技术复杂性是 考虑到需要大量的操作,这是非常了不起的 捕获数字图像,以及 过程完成。捕获 使用全画幅CCD相机系统的单幅图像可以概括为: 遵循:

  • 相机快门打开开始积累光电子, 栅极适当偏置以收集电荷。
  • 在积分期结束时,快门关闭并 以像素为单位的累积电荷在平行线上逐行移动 在来自相机电子设备的时钟信号控制下进行注册。 计费数据包行从 并行寄存器进入串行移位寄存器。
  • 传输串行寄存器中像素的电荷内容 一次一个像素进入输出节点,由片上读取 放大器,增强电子信号并将其转换为 模拟电压输出。
  • ADC根据每个像素的电压幅度为其分配一个数字值。
  • 每个像素值存储在计算机内存或相机帧缓冲区中。
  • 重复串行读出过程,直到所有像素行 并行寄存器被清空,通常为 1000 行或更多行 适用于高分辨率相机。
  • 内存中的完整图像文件,可能为几兆字节 在大小上,以合适的格式显示在计算机显示器上 视觉评估。
  • 在下一次曝光之前清除CCD的残留电荷 通过执行除数字化步骤以外的完整读出周期。

 

图 5 - 组桶式 CCD 类比

 

尽管执行了大量的操作,但可以在芯片上传输超过一百万个像素,分配具有12位分辨率的灰度值,存储在计算机内存中,并在不到一秒钟的时间内显示。对于以 5MHz 数字化速率运行的 100 万像素相机,读出和图像显示的典型总时间要求约为 0.5 秒。对于冷却CCD相机,电荷传输效率也非常高,即使阵列中距离输出放大器最远的区域的像素需要数千次传输,电荷损失也最小。

CCD图像传感器架构

CCD架构的三种基本变体通常用于成像系统:全帧,帧传输和隔行传输(见图7)。全画幅CCD,如前所述 读出程序的描述,具有近 其表面100%是光敏的,几乎没有死角 像素之间的间距。必须保护成像表面免受 在读取CCD期间入射光,因此, 机电快门通常用于控制曝光。 随后转移快门打开时累积的电荷 并在快门关闭后读出,并且因为两个步骤 不能同时发生,图像帧速率受 机械快门速度、电荷转移速率和读出步长。 尽管全画幅设备具有最大的光敏区域 CCD类型,它们最适用于具有高场景内标本的标本 动态范围,以及不需要时间分辨率的应用 不到一秒。在子阵列模式下操作时 (其中读出全像素阵列的缩小部分)在 为了加速读出,最快的帧速率在 每秒 10 帧的数量级,受机械快门限制。

帧传输CCD可以以比全画幅更快的帧速率运行 设备,因为曝光和读出可以同时发生 时间上不同程度的重叠。它们类似于全画幅 器件结构为并行寄存器,但占 矩形像素阵列被不透明遮罩覆盖,用作 未掩蔽收集的光电子的存储缓冲液 感光部分。图像曝光后,电荷累积 在光敏像素被迅速移动到存储上的像素 芯片的一侧,通常在大约 1 毫秒内。 因为存储像素受到 铝或类似的不透明涂层,将电荷储存在该部分 传感器可以以更慢、更有效的速率系统地读出 当下一个图像同时在 芯片的光敏面。不需要相机快门 因为电荷从图像区域转移到 芯片的存储面积仅为所需时间的一小部分 典型暴露。因为使用帧传输CCD的相机可以 以高帧率连续运行,无需机械快门, 它们适用于通过方法研究快速动力学过程 如染料比成像,其中高空间分辨率和动态 范围很重要。这种传感器类型的缺点是只有 CCD表面积的一半用于成像,并且 因此,需要比全画幅大得多的芯片 具有同等尺寸成像阵列的设备,增加了成本和 对物理摄像机设计施加限制。

在行间转移CCD设计中,列主动成像 像素和屏蔽存储传输像素在整个像素上交替出现 并行寄存器阵列。因为位于电荷转移通道 紧邻每个感光像素柱,存储电荷 只能将一列移动到传输通道中。这张单曲 传输步骤可以在不到 1 毫秒的时间内完成,之后 存储阵列通过一系列并行移位读出到 在图像阵列公开下一个图像阵列时进行串行寄存器 图像。隔行传输架构允许非常短的时间 通过电子控制暴露间隔实现积分周期, 代替机械快门,可以渲染阵列 通过丢弃累积的电荷来有效地对光不敏感,而不是 而不是将其转移到传输通道。虽然联运转移 传感器允许视频速率读数和明亮的高质量图像 照明对象,早期设备的基本形式遭受 动态范围、分辨率和灵敏度降低,因为 大约75%的CCD表面被 存储传输通道。

虽然早期的隔行传输CCD,例如视频中使用的CCD 摄录一体机,提供高读出速度和快速帧速率,无需 百叶窗的必要性,它们没有提供足够的性能 显微镜中的低光高分辨率应用。除了 由于交替导致感光度降低 成像和存储传输区域的列,快速读出率LED 在早期具有更高的相机读取噪声和减小的动态范围 行间传输成像仪。传感器设计和相机的改进 电子产品已经彻底改变了这种情况,以至于 当前的行间设备为数字提供卓越的性能 显微镜相机,包括用于低光应用的相机,例如 作为记录小浓度的荧光分子。贴壁微透镜, 在CCD表面上对齐以覆盖图像和存储像素对, 收集通常会在遮罩像素上丢失的光线并聚焦 它在光敏像素上(见图8)。通过结合小 像素尺寸 采用微透镜技术,隔行传感器能够 提供可媲美的空间分辨率和光收集效率 到全画幅和帧传输CCD。有效的光敏 利用片上微透镜的隔行传感器面积增加到 表面积的75-90%。

在CCD中加入微透镜的另一个好处 结构是传感器的光谱灵敏度可以扩展 进入蓝色和紫外线波长区域,提供增强 适用于较短波长应用的实用程序,例如流行的 采用绿色荧光蛋白 (GFP) 的荧光技术 和被紫外线激发的染料。为了增加量子 整个可见光谱的效率,最近的高性能芯片 采用由铟锡等材料组成的栅极结构 氧化物,在蓝绿色光谱中具有更高的透明度 地区。这种非吸收栅极结构导致量子效率 绿灯值接近 80%。

 

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图 6 - 三相 CCD 时钟系统

 

过去减少隔行传输动态范围的限制 CCD在很大程度上已被改进的电子技术所克服, 将相机读取噪声降低了约一半。因为 隔行CCD的有效像素面积约为其三分之一 可比的全框架设备,全阱容量(函数 像素面积)同样减少。以前,这个因素结合起来 相机读取噪声相对较高,导致信号不足 动态范围支持8位或10位以上的数字化。 高性能行间摄像头现在在读取噪声值为 低至 4 至 6 个电子,从而实现动态范围性能 相当于采用全画幅CCD的12位相机。 芯片设计因素的其他改进,如时钟方案, 在相机电子设备中,提高了读出率。 行间传输CCD现在可以实现12位百万像素图像 以 20 兆赫兹的速率获得,大约是 4 兆赫频率的 具有类似阵列尺寸的全画幅相机。其他技术 改进,包括半导体成分的修改, 被纳入一些行间转移CCD中,以提高量子 光谱近红外部分的效率。

CCD探测器成像性能

修改图像采集读出阶段的几个相机操作参数对图像质量有影响。大多数科学级CCD相机的读出率是可调的,通常 范围从大约 0.1 MHz 到 10 或 20 MHz。最大 可实现速率是ADC处理速度和 其他相机电子设备,反映数字化所需的时间 单个像素。旨在跟踪快速动力学过程的应用 需要快速的读出和帧速率才能达到足够的 时间分辨率,在某些情况下,视频速率为 30 每秒或更高的帧数是必需的。不幸的是,在各种 始终存在于电子图像中的噪声分量,读取 噪声是主要来源,高读出率会增加噪声 水平。当不需要最高时间分辨率时,最好 产生低像素强度值的标本的图像可以是 以较慢的读出速率获得,从而最大限度地减少噪音并保持 足够的信噪比。当动态过程需要快速 成像帧率,正常的CCD读出序列可以修改为 减少处理的电荷包数量,从而实现采集 在某些情况下,速率为每秒数百帧。这增加了 帧速率可以通过在CCD读出期间组合像素来实现 和/或仅读出检测器阵列的一部分,如前所述 下面。

大多数CCD相机系统的图像采集软件 光学显微镜允许用户定义较小的子集或子阵列, 指定用于图像捕获的整个像素阵列,以及 显示。通过为 处理后,未选择的像素将被丢弃,而不会被数字化 ADC和读出速度相应提高。取决于 所采用的相机控制软件,可以从 预定义的阵列大小,或使用计算机鼠标和显示器显示器以交互方式指定为感兴趣的区域。子阵列读数 技术通常用于获取延时序列 图像,以生成更小且更易于管理的图像文件。

来自CCD阵列中相邻像素的累积电荷包可以在读出期间组合,以形成减少数量的超像素。此过程称为像素合并, 并通过对两行或多行进行计时在并行寄存器中执行 在执行串行移位之前移入串行寄存器,并且 读出序列。分箱过程通常在串行中重复 通过在读出节点中计时多个班次进行注册,然后再 电荷由输出放大器读取。并行和 序列移位可以组合,但通常对称矩阵 像素组合形成每个超像素(见图9)。如 例如,3 x 3 分箱是通过最初执行 3 行并行移位到串行寄存器中(串行之前 传输),此时串行寄存器中的每个像素都包含 来自 3 个像素的组合电荷,这些像素是相邻的邻居 平行行。随后,执行 3 个串行移位步骤 测量电荷前的输出节点。由此产生的电荷 数据包作为单个像素处理,但包含组合的 9个物理像素(3 x 3超像素)的光电子含量。 尽管分箱会降低空间分辨率,但该过程通常允许 在无法成像的情况下进行图像采集 正常的CCD读数。它允许图像序列的更高帧速率,如果 采集速率受相机读取周期以及 为等效曝光时间提供改进的信噪比。 其他优点包括更短的曝光时间以产生 相同的图像亮度(对于活细胞成像非常重要),以及 较小的图像文件大小,从而减少计算机存储需求 加快图像处理速度。

第三个相机采集因素,会影响图像质量 因为它修改了CCD读出过程,是摄像系统的电子增益。数字CCD相机的增益调整 系统定义累积光电子的数量,确定 每个灰度级步骤由读出电子元件区分,并且 通常应用于模数转换步骤。增加 在电子增益中对应于 按灰度级别分配的光电子(电子/ADU),以及 允许将给定的信号电平划分为更多的灰度 级别步骤。请注意,这与应用于 光电倍增管或视频管,其中变化的信号为 由固定乘法因子放大。虽然电子增益 调整确实提供了一种将有限信号幅度扩展到 所需的大量灰度级别,如果过度使用, 区分相邻灰度水平的少量电子会导致 到数字化错误。高增益设置可能会因以下原因产生噪声 不准确的数字化,在最终表现为颗粒感 图像。如果需要减少曝光时间,则增加 电子增益将允许保持固定的大量灰度 尽管信号电平降低,但缩放步骤提供 施加的增益不会产生过度的图像劣化。作为一个 应用于常数的不同增益因子的影响示例 信号电平,初始增益设置,每个ADU分配8个电子 (灰度)指示由 8000 个电子组成的像素信号 将以 1000 灰度级别显示。通过通过以下方式增加增益 将 4 倍增益因数应用于基本设置,即 每个灰度级的电子数减少到 2(2 个电子/ADU),4000 灰度通过数字化电子设备来区分。

 

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图 7 - 常见电荷耦合器件 (CCD) 架构

 

数字图像质量可以用四种可量化来评估 标准部分由CCD设计决定,但也 反映前面描述的相机操作的实现 直接影响CCD成像性能的变量 探测器。主要的图像质量标准及其影响是 总结如下:

  • 空间分辨率:确定捕获精细标本细节而不在图像中可见像素的能力。
  • 光强度分辨率:定义所显示图像中可区分的灰度级别的动态范围或数量。
  • 时间分辨率:采样(帧)速率决定了跟踪实时试样运动或快速动力学过程的能力。
  • 信噪比:确定标本信号相对于图像背景的可见性和清晰度。

在显微镜成像中,通常并非所有重要图像 可以在单个图像中同时优化质量标准,或者 图像序列。在约束范围内获得最佳图像 由特定试样或实验施加通常需要 所列标准之间的妥协,这些标准往往相互矛盾 要求。例如,捕获实时的延时序列 荧光标记的标本可能需要减少总暴露量 将光漂白和光毒性降至最低的时间。几种方法可以 用于实现此目的,尽管每个都涉及 成像性能的某些方面。如果标本暴露较少 通常,时间分辨率降低;将像素合并应用于 允许较短的曝光会降低空间分辨率;并且不断增加 电子增益会影响动态范围和信噪比。 不同的情况通常需要完全不同的成像 获得最佳结果的基本原理。与前面的示例相比,在 为了在标本的单个图像中最大化动态范围 需要较短的曝光时间,应用合并或增益 增加可能会实现目标,而不会对 图像。执行高效的数字成像需要 显微镜师要完全熟悉关键的图像质量 标准,以及平衡相机采集的实际方面 参数,以最大化特定因素中的最重要因素 情况。

少量CCD性能因素和摄像机操作 参数在数字图像质量的主要方面占主导地位 显微镜,其效果在很大程度上是重叠的。因素 在实际使用CCD相机的背景下最为重要,并且 以下各节将进一步讨论,包括检测器噪声 光源和信噪比、帧速率和时间分辨率, 像素大小和空间分辨率、光谱范围和量子 效率和动态范围。

CCD摄像机噪声源

相机灵敏度,就最小可检测信号而言,是 由光子统计(散粒)噪声和电子噪声决定 CCD中产生的噪声。保守估计是信号 只有当它超过伴随噪声时才能从伴随噪声中区分出来 噪声系数约为2.7(信噪比为2.7)。最小信号 理论上可以产生给定的SNR值由随机确定 光子通量的变化,一种与 信号,即使使用理想的无噪声探测器。这个光子 统计噪声等于信号数的平方根 光子,由于无法消除,因此它决定了最大值 可实现的无噪声探测器的信噪比。信噪比为 因此由信号电平 S 除以信号的平方根 (S(1/2)) 给出,等于 S 的平方根。 如果需要 SNR 值为 2.7 才能区分来自 噪声,理论上8个光子的信号电平是最小的 可检测的光通量。

在实践中,其他噪声成分,与 标本光子信号,由CCD和摄像系统提供 电子,并增加了固有的光子统计噪声。一次 积聚在收集井中,噪声源产生的电荷 不能与光子衍生的信号区分开来。大多数系统噪声是由读出放大器噪声和热电子产生引起的。 探测器芯片的硅。热噪声可归因于 CCD衬底中释放硅原子的动力学振动 电子或空穴,即使设备处于完全黑暗中,并且 随后积聚在潜在井中。出于这个原因, 噪声称为暗噪声,表示 暗电荷积累幅度的不确定性 指定的时间间隔。暗电荷的产生速率,称为暗电流, 与光子感应信号无关,但温度很高 依靠。与光子噪声类似,暗噪声遵循 与暗电流的统计(平方根)关系,因此它 不能简单地从信号中减去。冷却 CCD 可减少 暗电荷每 20 度累积一个数量级 摄氏温度下降,高性能相机通常 使用过程中冷却。冷却到0度是非常有利的, 在 -30 度时,暗噪声降低到可以忽略不计的值 几乎任何显微镜应用。

如果CCD被冷却,剩下的主要电子噪声成分是读取噪声, 主要源于片上前置放大器 将电荷载流子转换为电压信号。虽然读 噪声均匀地添加到探测器的每个像素上,其幅度 无法精确确定,只能通过平均值近似 值,以每像素的电子单位(均方根或均方根)。一些 读出放大器噪声的类型与频率有关,并且 通常,读取噪声随着测量速度的增加而增加 在每个像素中充电。高读数和帧时的噪声增加 速率部分是由于需要更大的放大器带宽 在更高的像素时钟速率下。冷却CCD可减少读数 放大器噪声在一定程度上,虽然不是微不足道的水平。 当前集成了许多设计增强功能 高性能摄像系统大大降低了 但是,读取噪音。实现高读数和帧的一种策略 在不增加噪声的情况下,将CCD电分为 两个或多个段,以便在并行寄存器中转移电荷 朝向位于相对边缘或角落的多个输出放大器 的芯片。此过程允许从阵列中读出电荷 在不过度提高读取速率的情况下以更高的整体速度 (和噪声)的各个放大器。

 

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图 8- 微透镜阵列行间 CCD 技术

 

冷却CCD以减少暗噪声提供了提高电荷转移效率(CTE)的额外优势 的设备。这种性能因素变得越来越好 由于当前许多采用的大像素阵列尺寸很重要 CCD 成像仪,以及 快速动态过程的研究。每次换档充电 在CCD读出过程中沿传输通道的数据包,一个 一小部分可能会留下。虽然个人转移损失在 在大多数情况下,每个像素都是微不足道的,大量的传输 必需的,特别是在百万像素传感器中,可能会导致显着 距CCD读数最远处的像素损耗 放大器,除非电荷转移效率极高。 电荷转移不完全的发生会导致图像模糊 由于来自相邻像素的电荷混合。另外 每次像素传输时的累积电荷损耗,尤其是 数组,会导致图像阴影现象,其中 出现距离CCD输出放大器最远的图像区域 比与串行寄存器相邻的那些暗。电荷转移 制冷CCD的效率值可以是0.9999或更高,而 如此高的CTE在图像效果中通常可以忽略不计,低于 0.999 可能会产生阴影。

硬件和软件方法都可用于补偿 图像强度阴影。软件更正由 捕获均匀强度场的图像,然后利用该图像 由成像系统生成逐像素校正图, 可应用于后续样品图像以消除不均匀性 由于阴影。软件纠正技术一般是 在不需要更大校正系数的系统中令人满意 比局部强度的大约10-20%。较大 最多大约五倍的校正,可由硬件处理 通过调整单个像素的增益因子的方法 行。所需的增益调整由采样信号确定 位于 每个像素行末尾的图像区域。电压值从 并行寄存器边缘的参考像素列用作 控制电荷转移损耗,并产生 应用于从该行获得的电压的每个像素行 在读出期间。在某些地区校正系数很大 传感器,例如视频速率中远离输出放大器的区域 相机,并且这些图像的噪点水平可能会大幅增加 地区。尽管硬件校正过程消除了阴影 效果 在没有明显信号降低的情况下,应该意识到 由此产生的信噪比在整个过程中并不均匀 图像。

CCD图像传感器的空间和时间分辨率

在许多应用中,能够提供高时间分辨率的图像捕获系统是主要要求。例如,如果过程的动力学 正在研究需要中等分辨率的视频速率成像,a 然而,能够提供卓越分辨率的相机是没有的 如果它仅以慢速扫描速率提供该性能,则受益匪浅,并且 在高帧速率下表现不佳或根本不执行。全画幅 慢扫描相机不能在视频速率下提供高分辨率, 对于大型像素阵列,每帧大约需要一秒钟, 取决于电子产品的数字化率。如果标本 信号亮度足够高,允许较短的曝光时间(打开 10毫秒的数量级),使用分箱和子数组 选择使得每秒采集约 10 帧成为可能 通过具有机电功能的相机降低分辨率和框架尺寸 百叶窗。更快的帧速率通常需要使用 隔行传输或帧传输相机,不需要 百叶窗,通常也可以以更高的数字化率运行。 这种设计的最新一代高性能相机可以 以接近视频的速率捕获全画幅 12 位图像。

CCD成像系统目前出色的空间分辨率是 直接耦合到像素大小,并且由于 使CCD像素得以实现的技术改进 越来越小,同时保持其他性能特征 的成像仪。与典型的薄膜颗粒尺寸相比 (约10微米),许多CCD相机采用的像素 在生物显微镜中更小,提供绰绰有余 与常用的高放大倍率物镜结合使用时的分辨率 将相对大半径的衍射(Airy)盘投射到上 CCD 表面。行间传输科学级CCD相机现已上市 像素小于 5 微米,使其适合 即使是低放大倍率物镜也能实现高分辨率成像。 探测器元件尺寸与相关光学分辨率的关系 标准是选择数码相机的重要考虑因素,如果 应保持光学系统的空间分辨率。

奈奎斯特抽样准则通常用于确定 探测器像素大小相对于分辨率的充分性 显微镜光学器件的功能。奈奎斯特定理规定 光学系统产生的最小衍射盘半径 必须在成像阵列中按至少两个像素采样,以便 保持光学分辨率并避免混叠。举个例子, 考虑像素尺寸为 6.8 x 6.8 微米的 CCD,耦合 使用100倍、1.3数值孔径物镜,产生 探测器平面上的26微米(半径)衍射点。 使用这种检测器物镜可以实现出色的分辨率 组合,因为衍射盘半径覆盖大约 探测器阵列上的 4 像素跨度(26 / 6.8 = 3.8 像素),或接近 奈奎斯特极限准则的两倍。在此采样频率下, 有足够的余量可用,奈奎斯特准则接近 即使对 2 x 2 像素合并也感到满意。

图像传感器量子效率

探测器量子效率(QE)是衡量 捕获具有特定波长的光子的可能性 在设备的有源区域,以实现电荷释放 载体。该参数表示CCD成像仪在 从入射光子产生电荷,因此是主要的 摄像系统最小可检测信号的决定因素, 特别是在执行低光水平成像时。不收费 如果光子从未到达半导体耗尽层或 如果它完全通过而没有显着的能量转移。 光子和探测器之间相互作用的性质取决于 在光子的能量和相应的波长上,并且是 直接 与探测器的光谱灵敏度范围有关。虽然 传统的前照式CCD探测器具有高灵敏度和 高效,没有一个在任何波长下都具有100%的量子效率。

荧光显微镜中常用的图像传感器可以 检测 400-1100 纳米光谱范围内的光子, 峰值灵敏度通常在550-800纳米范围内。最大 QE 值仅为 40-50% 左右,除了最新的设计, 效率可能达到80%。图 10说明了 图中许多常用CCD的光谱灵敏度 量子效率是入射光波长的函数。最 科学成像中使用的CCD属于行间转移类型,并且 因为隔行掩模严重限制了感光表面 区域,许多旧版本表现出非常低的QE值。随着的到来 的表面微透镜技术,将更多的入射光引导到 传输通道之间的光敏区域,较新的联行 传感器的效率要高得多,许多传感器具有量子效率值 60-70%。

 

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图 9- 2 x 2像素分档电子转移序列

 

传感器光谱范围和量子效率进一步增强 紫外、可见光和近红外波长区域 几种高性能CCD中的各种附加设计策略。 因为铝表面传输门吸收或反射大部分 蓝色和紫外线波长,许多较新的设计采用其他 材料,如氧化铟锡,以改善透射和量子 在更宽的光谱范围内提高效率。甚至更高的量化宽松值也可以 使用专用的背薄CCD获得,其构造用于 允许从背面照明,避免表面电极 结构完全。为了使这成为可能,大多数硅 通过蚀刻去除基板,尽管所得设备是 精致且相对昂贵,量子效率约为 常规可以达到 90%。

可以使用其他表面处理和建筑材料 以获得额外的光谱范围优势。背薄性能 紫外波长区域的CCD通过 应用专用增透膜。改 性 半导体材料用于一些探测器以提高量子 近红外效率。对 传统前照式CCD的正常光谱范围可以是 通过应用波长转换荧光粉来实现 检测器面。为此目的选择荧光粉来吸收 感兴趣的光谱区域中的光子能量并发射光 CCD的光谱灵敏度区域。作为这方面的一个例子 策略,如果目标标本或荧光基团发出 300 的光 纳米(任何CCD的灵敏度都是最小的),转换 荧光粉可用于吸收 在 300 纳米处有效发射,在 CCD的峰值灵敏度范围。

动态范围

称为CCD探测器动态范围的术语 表示可量化的最大信号强度变化 通过传感器。数量由大多数CCD相机以数字形式指定 制造商的像素全阱容量(FWC)与 读取噪声,其基本原理是此值表示 场景内亮度范围从区域的限制条件 仅处于像素饱和度水平,几乎没有丢失的区域 在噪音中。传感器动态范围决定了最大数量 可分辨的灰度阶跃,可检测到的信号 划分。为了充分利用CCD的动态范围,它是 适合将模数转换器的位深度与 动态范围,以便区分尽可能多的灰度 步骤尽可能。例如,具有 16,000 电子 FWC 和 读出噪声为10个电子,动态范围为1600,其中 支持 10 到 11 位 A/D 转换。模数 位深度为 10 和 11 的转换器能够区分 分别为 1024 和 2048 灰度级别。如前所述,因为 计算机位只能假设两种可能状态中的一种,其数量 可由数字处理器 (ADC) 编码的强度步长 反映其分辨率(位深度),并且等于 2 提高到 位深度规范的值。因此,8、10、12 和 14 位 处理器最多可以编码 256、1024、4096 或 16384 灰色 水平。

将动态范围指定为全阱容量与读数的比率 噪声不一定是有用动态范围的实际衡量标准, 但对于比较传感器很有价值。在实践中,有用的动态 范围较小,因为CCD响应在完全之前变得非线性 达到井容量,并且因为信号电平等于读取噪声 在视觉上是不可接受的,对定量几乎无用 目的。请注意,最大动态范围不等于 最大可能的信噪比,尽管SNR也是一个 全井容量功能。相关的光子统计噪声 最大可能信号或 FWC 是 FWC 的平方根 值,或 126 个电子,用于前面的 16,000 个电子示例 FWC.因此,最大信噪比等于 最大信号除以噪声 (16,000/126),或 126,平方根 信号本身。光子噪声代表最小内禀系数 噪声水平,以及检测到的杂散光和电子(系统)噪声 将实际可实现的最大SNR降低为值 低于 126,因为这些来源通过增加电荷来降低有效 FWC 这不是给井的信号。

尽管制造商通常可能配备具有 动态范围约为 4000,例如,使用 12 位 ADC 时 (4096 数字化步骤),考虑几个因素是相关的 传感器动态范围与数字化能力之间的匹配 处理器。适用于一些最新的行间传输CCD相机 提供 12 位数字化,动态范围由 FWC和读取噪声约为2000,这通常不会 需要 12 位处理。但是,当前的许多设计 包括将增益设置为 0.5x 的选项,允许充分利用 12 位分辨率。该策略利用了以下事实: 串行寄存器的像素设计为具有两倍的电子 并行寄存器像素的容量,以及当相机在 2 x 2 像素融合模式(常见于荧光显微镜),12 位 可以获得高质量的图像。

重要的是要了解其中的各种机制 可以操纵电子增益以利用可用的位深度 处理器,以及不同相机的动态范围何时 相比之下,最好的方法是从像素计算值 全阱容量和相机读取噪声。经常看到相机 配备处理电子设备的系统具有更高的 数字化分辨率比固有动态范围要求的 照相机。在这样的系统中,在传统的1x电子下操作 增益设置可能导致大量未使用的处理器 灰度级别。相机制造商可以申请 未指定的增益因数为 2-4x,这可能并不明显 用户,尽管这种做法确实增强了信号以利用 ADC的全位深度,它会产生增加的数字化噪声,因为 构成每个灰度级步骤的电子数减少。

CCD相机对高位深度的需求可能会受到质疑 查看显示设备的事实,例如计算机显示器和许多 打印机仅使用 8 位处理,提供 256 个灰度级别,并且 其他印刷媒体以及人眼可能只提供5-7位 歧视。尽管视觉要求如此之低,但高 位深度、高动态范围的相机系统始终具有优势, 并且对于某些应用是必需的,特别是在荧光中 显微术。在 定量调查,灰度较大,光线越大 强度有待更准确地确定。此外,当 正在执行多个图像处理操作,图像数据 更精确地解析为许多灰度级步骤可以 承受更大程度的数学操作,无需 由于算术舍入误差而表现出退化。

高位成像系统的第三个优势是在以下情况下实现的: 选择捕获图像的一部分进行显示,并且 兴趣仅涵盖整个图像动态范围的一部分。自 优化有限动态范围的表示,原始 灰度级别的数量通常扩展为占据所有 256 个级别 8 位显示器或打印件。相机位深度越高,相机位深度越少 极度扩展,图像衰减相应减少。作为一个 例如,如果所选图像区域仅跨越完整图像区域的 5% 场景内动态范围,这代表了 200 多个灰度级别 4096 由 12 位处理器区分,但只有 12 步 8 位(256 级)系统。当在显示器上以 256 级显示时, 或打印后,将显示扩展到此程度的 12 级图像 像素化,并表现出块状或轮廓亮度步长,而不是 平滑的色调渐变。

彩色CCD图像传感器

虽然CCD本身对颜色不敏感,但三种不同的 通常采用策略来使用CCD相机生成彩色图像 系统,以捕获标本在 显微镜。早期显示和打印的技术困难 彩色图像不再是问题,信息增加 由颜色提供可以是实质性的。许多应用程序,例如 荧光显微镜,染色组织学和病理学研究 组织切片和其他标记标本观察使用 明场或微分干涉对比技术所依赖 颜色是必不可少的图像组件。彩色图像的采集 使用CCD相机时,红色,绿色和蓝色波长 通过滤色片隔离,单独获取,随后 组合成复合彩色图像。

用于实现颜色辨别的每种方法都有其优势 和弱点,并且都施加了限制速度的限制,降低 时间和空间分辨率,减小动态范围,增加 彩色相机中的噪点与灰度相机的比较。最常见的 方法是用交替掩模覆盖CCD像素阵列 红色、绿色和蓝色(RGB)微透镜滤光片以特定图案排列,通常是拜耳马赛克图案。或者,使用三芯片设计,图像用分束棱镜和颜色分割 过滤器分为三个 (RGB) 组件,这些组件使用单独的 CCD及其输出重新组合成彩色图像。第三 方法是一种采用单个CCD的帧序方法。 通过切换按顺序为每种颜色捕获单独的图像 滤色片放置在照明路径中或成像仪前面。

 

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图10-科学CCD光谱灵敏度

 

带有贴附彩色滤光片阵列的单芯片CCD用于 大多数彩色显微镜相机。滤波器数组由红色、绿色、 和蓝色微透镜应用于常规单个像素 模式。拜耳马赛克滤光片将颜色信息分布在 四像素传感器单元,包括一个红色、一个蓝色和两个绿色 过滤 器。在分布模式中强调绿色以更好地 符合人类视觉敏感度,并划分颜色信息 在四个像素的组中,只有适度降低分辨率。这 人类视觉系统主要从亮度获取空间细节 颜色信号的组成部分,并且此信息保留在每个 像素,不考虑颜色。视觉上令人满意的图像通过以下方式实现 将较低空间分辨率的颜色信息与 高分辨率单色结构细节。

单CCD彩色相机的独特设计改善了空间 通过在拍摄的图像之间稍微移动CCD来获得分辨率 序列,然后在它们之间进行插值(一种称为像素移位的技术), 尽管此过程大大减慢了图像采集速度。 单个像素遮罩的另一种方法是快速移动阵列 紧邻CCD上方的方形彩色微透镜 光子收集期间的表面。最后,最近介绍的 技术将三个光电子阱组合到每个像素中 用于区分光子波长的不同深度。最大 空间分辨率保留在这些策略中,因为每个像素 提供红色、绿色和蓝色信息。

三芯片彩色相机将高空间分辨率与 快速图像采集,允许高帧率,适合快速 图像序列和视频输出。通过使用分束器 直接向三个滤波的CCD发出信号,分别记录红色, 绿色和蓝色图像分量同时进行,非常高的捕获率 速度是可能的。但是,由于光强度传递到 每个CCD大幅减少,组合彩色图像很多 在给定相当的曝光的情况下,比单色单芯片图像更暗。 增益可以应用于彩色图像以增加其亮度,但是 信噪比受到影响,图像表现出更大的明显表现 噪声。三芯片相机获得的空间分辨率可以更高 如果每个 CCD 偏移 子像素量相对于其他。由于红色、绿色和蓝色 图像代表略有不同的样本,它们可以通过 用于生成更高分辨率合成图像的相机软件。多 显微镜和其他需要高空间的科学应用 和时间分辨率受益于使用三CCD相机 系统。

彩色相机称为帧顺序相机,配备电动滤光轮或液晶可调谐滤光片(LCTF) 将红色、绿色和蓝色分量图像按顺序公开到 单CCD。因为同一个传感器用于单独的红色、绿色、 和蓝色图像,保持芯片的全空间分辨率, 并自动获取图像配准。收购 连续三帧减慢了图像采集过程和 显示,适当的色彩平衡通常需要不同的集成 三种颜色的时间。虽然这种相机类型通常不是 适用于高帧率采集,使用 用于R-G-B的快速响应液晶可调滤波器 排序可以大大提高操作速度。这 在某些情况下,必须考虑LCTF的偏振灵敏度 应用,因为它们只传输一个偏振矢量,并且可能 改变在偏振光下观察的双折射标本的颜色。

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