基本面
一个成像传感器的任务是将一个光信号转换成电信号。这一原则的成像传感器是基于所谓的光生伏打效应,它描述了光子与物质相互作用免费电子导致的累积。在大多数相机硅底物用于这一目的。在所有情况下电子从其绑定一个光子的吸收。
硅的自然属性使它理想作为重要组成部分的基本单位最成像传感器:像素。
像素
独立于类型的传感器可以考虑像素作为基本单位之一。一个像素的主要因素依次是对光敏感光电二极管与硅耦合电子存储(图1)。负责生成硅电子可以收集,然后移动,最后转换成数字信号。额外组件的一个像素包括电气控制电路和色素层排除不必要的或破坏性的波长。
在成像过程中,光子撞击二极管转换成电子。这些电子存储在电子存储井后续转移的读出——放大器(图2)。放大器读取电子积累和转换成电压,而相邻模拟-数字转换器(广告)数字化和产生等效数字信号。
电荷产生一个像素的数量成正比的光子的传感器,它通常是曝光时间的影响(积分时间),检测波长和最重要的光强度。作为一个经验法则像素大小定义了电子的数量,可以收集没有饱和的一个像素。像素的大小通常之间的不同2-24µm²显微镜成像传感器。
由于典型的像素结构,而不是整个像素表面对光敏感。的填充因数图像传感器的描述一个像素的感光面积的关系,其整体区域。微透镜可以添加到一个像素更好的聚焦光到感光区域改善填充因数。
完整的数码影像传感器由数以百万计的像素组织的一系列几何。经常像素的数量和“决议”。值得注意的是这不是简单的像素的数目,但它们的大小定义分辨率的相机芯片。一般小的像素将更高的分辨率比大。最后,分辨率显微镜系统不仅取决于传感器阵列,但完整的光学系统。
噪声和信噪比
不幸的是噪声是一种基本的物理影响所有信号。的影响和主导噪声不同的类型不同的传感器类型。一般人能相机噪声划分为三个主要类别根据其来源:
黑暗的噪音-也被称为暗电流——是一项基本噪声传感器中。暗噪声是由热能引起硅随机生成电子的像素。暗噪声像素与曝光时间。它表示在电子每像素每秒(e - /像素/秒)。它是更少的关心应用程序与短曝光时间快。长时曝光时间为弱荧光信号,如1秒或更多噪音类型可以成为一个主要的问题。黑暗的噪音减少冷却传感器,每8度的暗电流减半冷却(图3)。
读噪音来源于电子读出传感器参与量化信号的电路。作为一个经验法则读噪声可以减少通过减少像素读出率。这像素读出速率定义了如何快速充电可以从传感器读取(单位:MHz)。因为这决定了相机的帧速率快速阅读噪声必须考虑实验高速延时的活细胞。一些相机提供可能改变宣读利率使摄像机能够优化快速读出模式或慢低噪音低光应用程序模式。阅读单元噪声是e- - - - - -和独立的集成时间。阅读与暗噪声可以用来决定是否一个特定的相机是否适合低光荧光的应用程序。
光子散粒噪声噪音的另一个来源是基于不确定性计算入射光子。换句话说,它起源于光子的随机性质对传感器的影响但不引入传感器本身。最好是用想象来解释你试图抓住雨滴在bucket中。即使每个桶都是相同的大小和形状,并不是每一个桶会完全相同数量的下降因此检测芯片上的光子可以被可视化为泊松分布。
在低光条件下如荧光成像技术当信号强度很低,不同的噪声源可以对图像的质量产生重大影响,因为他们影响信噪比。为应用程序使用正确的相机捕捉好的图像是必要的。
的信噪比(信噪比)是一个图像的总体质量的衡量,这是深受传感器类型。一般来说它可以被指定为其灵敏度。虽然这可能相当复杂,但信噪比表达感兴趣的一个信号是如何区别于背景噪声(图4)。这里有几个因素探索,随着信号取决于光子数量到达传感器与传感器相结合的能力将光子转换成一个信号以及相机可以抑制不需要的噪声。这就是为什么e . g .填充因子和微镜头发挥重要作用,以及量子效率的传感器(参见“量子效率”的一节)。
最后重要的是提到的光学噪声样本,自动荧光或贫穷染色通常是一个图像的主要噪声源。使用先进的传感器不能帮助你克服一个准备不充分的样本。
充分的能力
充分的能力在很大程度上是依赖于物理像素的大小。它指的是单个像素的电荷存储能力。这是电子的最大数量饱和之前可以收集。达到充分能力可以比作一桶装满水(图5)。
更大的像素有充分能力大于小像素(通常18000 e- - - - - -6.45µm像素vs 300000 e- - - - - -24µm像素)。空间分辨率是充分大的牺牲能力进而影响动态范围(参见“动态范围”的一节)。
电子超过充分能力不能量化。在某些情况下电荷能泄露到相邻的像素被称为造成影响盛开的(图6)。一些传感器包含反盛开的电子设备试图放掉多余的电荷抑制盛开的工件。
图6:盛开的文物。在左边图像桶的体积足够容纳所有传入的水滴。旁边显示一个相应的微观图像。如果进水超过桶的容量,水会溢出和填补相邻的容器。满溢的电子会导致盛开的文物可以看到在显微图像。
动态范围
直接连接的特点充分能力是动态范围。它描述了传感器的能力同时纪录低点和高强度信号。在一个实际意义上这意味着噪声中的弱信号是不会丢失和最亮的信号不饱和传感器。数学术语表达动态范围被定义为完全能力(FWC)除以相机噪音。
它经常被描述在分贝单位(dB):
动态范围提高如果充分能力较高,相机噪音较低。在第一个近似一个可以说,因此以下参数影响动态范围:
- 像素大小(充分能力)
- 温度(暗噪声)
- 读出率(读出噪声)
为荧光应用程序一个大动态范围是一个主要的好处文档明亮的荧光信号在一个黑暗的背景下(图7),尤其是当量化信号。
动态范围是直接的影响获得。“收益”一词是用来表达一个生成信号的放大。如果你如双传感器的增益有效减半充分能力,这反过来又降低了动态范围。因此之间的权衡灵敏度和动态范围通常是必需的。
如果传感器固有的动态范围分别为应用程序是不够的——标本——一个可能会考虑一个“高动态范围”(HDR)收购。在这个过程中一系列的图像获取不同曝光强度。由此产生的图像是最后通过应用不同的算法计算(图8)。这种方法的缺点是需要长时间获取的图像。因此这不是可取的快速移动或光敏样本。
图8:HDR收购。这个标本(椴树属规范。)领域有很强的荧光信号(上部)和弱荧光信号(下部)。相机的动态范围不足以记录黑暗地区同时与光明。因此暴露强度只能优化图像强(左)或弱(中间)荧光信号。HDR照片(右)由一系列图像获得不同曝光强度组合在一起,一个图像。
量子效率
在一个理想世界100人会假设光子能够产生100电子。与传感器交互时,光子被吸收,甚至直接通过反映出来。传感器的能力吸收一定波长的光转换成电子被称为其量子效率(量化宽松政策)。
一个传感器的量子效率是受很多因素影响,包括:
- 填充因数
- 除了/微透镜的性能
- 抗反射涂层
- 传感器格式(或front-illuminated)
量子效率永远是入射光的波长的函数。硅探测器最常用在科学成像能够检测波长在可见光的范围(~ 400到1000海里)。通过观察一个量化宽松曲线可以看到有效的一个特定的传感器是在一个特定的波长转换成信号(图9)。
大多数的相机传感器front-illuminated在入射光进入前面的像素,不得不通过半透明层包含像素电路,在触及对光敏感硅(图1)。这些层造成一些损失,所以front-illuminated传感器通常有最大量化宽松的50 - 60%左右。表面的电子传感器只能生成一个局部电场他们无法操纵的电荷形成更深层次的硅片(图10)。
在的情况下黑色背景光传感器,直接点击“返回”的对光敏感硅,而无需通过像素电路,提供最大量化宽松的接近95%。制造背景的传感器,也称为back-thinned,这些额外的硅是地面——一个昂贵的过程——创建一个非常薄的硅层的所有像素的电子电荷可以操作。
位深度
位深度有关,但不应混淆,动态范围,指的是模拟信号的数字化-或切碎灰度值或灰色的水平。数码相机传感器的动态范围取决于其FWC和噪音。位深度取决于模数转换器的能力生成的电子的数量转换成灰度值。灰色鳞片可以产出越多,更多的细节也可以复制(图11)。
一些相机提供更多的灰度值比电子的最大数量可以由光子(例如16位信号数字化排到~ 65 k灰度单位)。在极端情况下传感器饱和可能低于1000光子/像素的图像还显示65000灰度值。此外,电脑屏幕通常只能显示8位数据。这就是为什么一个摄像头信号超过8位必须按比例缩小显示。用户可以影响这个过程的帮助下查找表(附近地区)。玩它常常可以发现隐藏的细节在一个图像。
图11:动态范围与深度。传感器的动态范围是指能够同时记录低和高强度信号。这可以追溯到它的像素FWC及其噪声特性。高FWC有利于高强度信号的检测,许多光子的像素。另一方面低噪音低强度信号检测是好的。而动态范围主要是指像素的特点,模数转换器的位深度是一个属性。位深度越大,越完整图像的动态范围可以解决。随着数字成像传感器2位模数转换器可以输出4灰色的水平,4个16位模数转换器等。
成像速度和装箱
数码相机的成像速度测量帧速率显示帧每秒(fps)。这是图片的数量(帧)相机可以在一秒获得。许多因素会影响相机的最大可实现的帧速率。在给定的曝光时间需要考虑以下参数:
- 像素计数
- 像素读出速率
- 计算机接口(USB 2.0 / USB 3.0 / CamLink等等)。
最简单的方法来提高帧速率是通过减少像素的数量被切换到一个更小的读出感兴趣的区域(ROI)。随着帧速率的增加,光子撞击传感器的数量将减少,因此根据样品类型有一个点需要额外的敏感性。一个技巧,可以用来提升速度和减少噪音是“片上装箱”。
在装箱,而不是分别读出每个像素的数据,数据从几个相邻的像素组合在串行芯片寄存器和宣读“Super-Pixel”。以这种方式的数据2 x2, 3 x3或4 x4和更多的像素可以组合(图12)。
面元提高了信噪比的决议。假设每个像素包含100个电子和读取电子噪声是10,读出一个接一个的信噪比是10/1。如果被2 x2信号读出是现在400和阅读噪声仍然是40/1的信噪比大大增加。随着读出电子学处理较少的数据点(4 x少2 x2的装箱)帧率也增加。装箱的主要缺点是分辨率的损失的有效像素大小增加本值的平方(图13)。
使用装箱是标准的快速荧光成像技术如快速延时。目的是减少噪音,数据规模,减少曝光时间。后者尤其值得一提,因为这减少了漂白活细胞和光照造成损害的。
brightfield应用文档的彩色病理组织,装箱常应用于现场图像允许光滑的屏幕上的图像而显微镜阶段是感动。
类型的传感器
最上面的描述的特性和参数是通用的所有类型的显微镜成像传感器。然而,根据历史的发展和技术进步之间的显微镜工作者可以选择不同类型的传感器和摄像头,分别。他们在原则体系结构(如不同。CCDvs。互补金属氧化物半导体),能够增强信号(例如EMCCDs与ccd)和图像质量(如。互补金属氧化物半导体比sCMOS)。
CCD传感器-电荷耦合装置:相机的主力是基于这个传感器类型brightfield和荧光成像。典型的电荷生成像素从一个像素转移到其他表面串行寄存器(图14)。从串行注册费用通过一个接一个的读出电子信号转换为电压,放大,量化和数字化。内的所有数据CCD传感器通常是通过一个输出节点宣读。
EMCCD传感器- - - - - -电子倍增CCD:EMCCD传感器基本上是CCD传感器的一个新兴市场获得注册传感器和电子宣读。的新兴市场获得注册放大信号之前遇到读出电子学。除了这个EMCCD相机采用减少传感器技术典型峰QE > 90%。这些类型的相机用于极端低光的应用,可以单光子敏感。这些相机的价格通常是明显高于常规CCD的相机。
互补金属氧化物半导体- - - - - -互补金属氧化物半导体:最初用于手机和低端相机,互补金属氧化物半导体技术近年来显著提高,已成为一个重要的标准brightfield应用显微镜的成像设备。ccd相比,主要的区别是电子产品和节省时间的传感器内部像素读出原理与成千上万的读出节点相对于单节点用于传统宣读CCD传感器。
sCMOS——科学互补金属氧化物半导体:介绍了几年前这种类型的传感器克服了常见的缺点互补金属氧化物半导体传感器像高噪声水平。这种类型的传感器是用于高端荧光成像技术受益于快速帧速率,高动态范围和低噪声。
总结
现代光学显微镜没有数码相机技术是不可想象的。大部分的显微镜用户想看他们的标本住在一个监视器,或者想要在电脑上保存和处理他们的发现。此外一些显微镜等技术本地化显微镜甚至不可能一直没有数码相机传感器的崛起。这篇文章的读者应该已经学会了如何产生数字显微图像。这反过来将有助于正确使用数码相机和如何解释生成的数据以正确的方式。
