如何選購顯微數(shù)碼成像分析系統(tǒng)?

一、前沿
2009年10月6日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2009年諾貝爾物理學(xué)獎的一半授予美國科學(xué)家威拉德•博伊爾和喬治•史密斯，因為他們于1969年發(fā)明了半導(dǎo)體集成電路成像技術(shù),CCD感應(yīng)器。經(jīng)過四十年的發(fā)展，CCD技術(shù)由實驗室逐步走向了市場，具有越來越廣闊的應(yīng)用。

CCD數(shù)碼成像對攝影產(chǎn)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(shù)字形式存在的圖像更加易于處理和分發(fā)。數(shù)字圖像已經(jīng)成為許多研究領(lǐng)域中不可替代的重要工具。數(shù)碼成像技術(shù)應(yīng)用到顯微鏡上，以替代以往的膠卷拍攝，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)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(xiàn)在使用顯微數(shù)碼相機來拍攝顯微圖像，所見即所得，當(dāng)時就是保存處理，甚至統(tǒng)計分析，極大的提高了工作效率。

二、顯微數(shù)碼成像系統(tǒng)的組成
顯微數(shù)碼成像系統(tǒng)包括CCD/CMOS專業(yè)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(shù)據(jù)傳輸線等，其中最核心的設(shè)備是CCD和CMOS圖像傳感器，前者由光電耦合器件構(gòu)成，后者由金屬氧化物器件構(gòu)成。兩者都是光電二極管結(jié)構(gòu)感受入射光并轉(zhuǎn)換為電信號，主要區(qū)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(dāng)其表面感受到光線時，會將電荷反應(yīng)在組件上，整個CCD上的所有感光組件所產(chǎn)生的信號，就構(gòu)成了一個完整的畫面。CCD的結(jié)構(gòu)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(xù)縮小以維持CCD的標(biāo)準(zhǔn)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(yōu)勢在于畫質(zhì)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(fù)責(zé)將穿過濾色層的光源轉(zhuǎn)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(shù)碼成像的核心器件除CCD,現(xiàn)在越來越多的使用CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補性氧化金屬半導(dǎo)體，CMOS和CCD一樣同在數(shù)碼相機中可記錄光線變化的半導(dǎo)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(shù)轉(zhuǎn)換邏輯，當(dāng)感光二極管接受光照、產(chǎn)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(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信號。CMOS的優(yōu)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(xiàn)雜點。

三 顯微鏡成像系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)
對CCD/CMOS數(shù)碼成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理有了一個基本了解后，我們再對成像系統(tǒng)的一些基本參數(shù)作一個說明。在實際應(yīng)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(tǒng)，其實在專業(yè)成像應(yīng)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(biāo)，包括分辨率，感光器件大小，動態(tài)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(tǒng)質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，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(dāng)前數(shù)碼成像系統(tǒng)中較常應(yīng)用的感光器件規(guī)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(shù)碼成像系統(tǒng)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(zhì)量的主要指標(biāo)了。比如圖像分辨率高，噪聲也很高時，成像質(zhì)量也不會很好。暗電流是導(dǎo)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(nèi)，CCD傳感器中像素產(chǎn)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(dǎo)致CCD產(chǎn)生較多的暗電流，對圖像的質(zhì)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(shù)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(fā)熱，沒有致冷設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)字化的方法等都會影響噪音的產(chǎn)生。當(dāng)然通過改善結(jié)構(gòu)、優(yōu)化方法，同樣能減少噪音的產(chǎn)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(yīng)選用高分辨率數(shù)字冷卻CCD成像系統(tǒng)，使其能夠捕獲到信號極其微弱的熒光樣品圖像，并且能夠最大程度的降低噪音，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(shù)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(shù)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(dāng)經(jīng)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(tài)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(xì)微差別越大，一般CMOS成像系統(tǒng)動態(tài)范圍具有8-10bit, CCD以10-12bit為主，少部分可達16bit。對動態(tài)范圍進行量化需要一個運算公式，即動態(tài)范圍值 = 20 log (well depth/read noise)，動態(tài)范圍的值越高成像系統(tǒng)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(shù)與入射到像素表面上的光子數(shù)之比。不同結(jié)構(gòu)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(shù)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(guān)。

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

國內(nèi)專業(yè)數(shù)碼成像產(chǎn)品的設(shè)計制造時間還不長，但隨著配套技術(shù)的成熟，100萬像素以上的CCD/CMOS專業(yè)數(shù)碼成像產(chǎn)品開始陸續(xù)推出，主要的專業(yè)廠家有北京的大恒、微視、杭州歐普林，廣州明美等企業(yè)。北京大恒早期主要研發(fā)生產(chǎn)圖像采集卡，目前可以量產(chǎn)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(yè)領(lǐng)域。廣州明美是國內(nèi)少數(shù)專業(yè)從事顯微數(shù)碼成像產(chǎn)品研發(fā)與銷售的高新技術(shù)企業(yè)，由于具有雄厚的顯微鏡技術(shù)背景，明美推出的130萬-900萬系列CMOS專業(yè)成像系統(tǒng)，1/2\ 2/3 寸140萬像素、300萬像素的CCD顯微成像系統(tǒng)，都專門針對顯微成像的特點,對底層驅(qū)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(shù)碼成像系統(tǒng)一般都是在電腦上預(yù)覽與保存，因此需要配套的相應(yīng)的圖像采集及處理軟件，這方面國內(nèi)由于知識產(chǎn)權(quán)保護等原因，很多公司對軟件的開發(fā)重視程度不夠，認(rèn)為硬件開發(fā)出來就萬事大吉了，結(jié)果很多國產(chǎn)的成像系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)不方便，功能有限，需要專業(yè)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(tǒng)。

2009年中，明美在國內(nèi)首家推出了采用SONY芯片的500萬像素冷CC D顯微成像系統(tǒng)MC50，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)達到了國際知名的Roper Scientific公司MP5.0的標(biāo)準(zhǔn)，實際拍攝效果與進口產(chǎn)品相比也毫不遜色，操作人性化方面則更勝一籌，最重要的是，MC50的價格只有國外同類產(chǎn)品的一半左右，這樣會大大推動高端顯微成像系統(tǒng)的應(yīng)用與普及，真正打破了國外廠家在專業(yè)高端數(shù)碼成像領(lǐng)域的壟斷。
 
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