一、前沿
2009年10月6日，瑞典科學(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)明了半導體集成電路成像技術(shù),CCD感應器。經(jīng)過(guò)四十年的發(fā)展，CCD技術(shù)由實(shí)驗室逐步走向了市場(chǎng)，具有越來(lái)越廣闊的應用。

CCD數碼成像對攝影產(chǎn)生了革命性的影響。在感光膠片之外，人們可以通過(guò)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(fā)。數字圖像已經(jīng)成為許多研究領(lǐng)域中不可替代的重要工具。數碼成像技術(shù)應用到顯微鏡上，以替代以往的膠卷拍攝，現在已經(jīng)廣泛應用了。以前我們用膠卷來(lái)進(jìn)行顯微拍攝，要等一卷拍完，沖洗出來(lái)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(guān)察的樣品又失效了，就需要重新制作樣品，給研究工作帶來(lái)很大的不便，而現在使用顯微數碼相機來(lái)拍攝顯微圖像，所見(jiàn)即所得，當時(shí)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(zhuān)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，數據傳輸線(xiàn)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(xiàn)時(shí)，會(huì )將電荷反應在組件上，整個(gè)CCD上的所有感光組件所產(chǎn)生的信號，就構成了一個(gè)完整的畫(huà)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(gè)則是CMYG補色分色法。原色CCD的優(yōu)勢在于畫(huà)質(zhì)銳利，色彩真實(shí)，但缺點(diǎn)則是噪聲問(wèn)題。第三層：感光層，這層主要是負責將穿過(guò)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(lái)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(xiàn)變化的半導體。CMOS傳感器中每一個(gè)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(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，然后直接轉換成對應的數字信號。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(gè)芯片上，缺點(diǎn)是較容易出現雜點(diǎn)。

三 顯微鏡成像系統相關(guān)參數
對CCD/CMOS數碼成像系統的結構和原理有了一個(gè)基本了解后，我們再對成像系統的一些基本參數作一個(gè)說(shuō)明。在實(shí)際應用中，很多用戶(hù)對像素多少很敏感，一上來(lái)就提到我要多少萬(wàn)像素的成像系統，其實(shí)在專(zhuān)業(yè)成像應用中，像素多少只是影響成像的一個(gè)因素，還有其他很多指標，包括分辨率，感光器件大小，動(dòng)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質(zhì)量的一個(gè)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(xiàn)16mm），2/3英寸， 1/2英寸，1/3英寸，另外有時(shí)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(wàn)左右，140萬(wàn)左右，200萬(wàn)左右，300萬(wàn)左右，500萬(wàn)左右，900萬(wàn)像素，甚至還有更高的達到2000萬(wàn)像素以上。一般來(lái)說(shuō)，像素越高，圖像分辨率越高，成像也就越清晰，但有時(shí)候圖像分辨率達到一定程度后，就不是影響成像質(zhì)量的主要指標了。比如圖像分辨率高，噪聲也很高時(shí)，成像質(zhì)量也不會(huì )很好。暗電流是導致CCD噪音的很重要的因素。暗電流指在沒(méi)有曝光的情況下，在一定的時(shí)間內，CCD傳感器中像素產(chǎn)生的電荷。我們在做熒光拍攝的時(shí)候，需要的曝光的時(shí)候比較長(cháng)，這樣導致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(guò)降低CCD的溫度來(lái)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(cháng)時(shí)間拍攝或一次曝光超過(guò)5-10秒，CCD芯片會(huì )發(fā)熱，沒(méi)有致冷設備的芯片，“熱"或者白的像素點(diǎn)就會(huì )遮蓋圖像，圖像會(huì )出向明顯的雪花點(diǎn)。CCD結構設計、數字化的方法等都會(huì )影響噪音的產(chǎn)生。當然通過(guò)改善結構、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(guān)察時(shí)需要選擇制冷CCD。

在顯微數碼成像過(guò)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(lái)提高像素的大小和靈敏度，比如攝像頭像素大小為5u,當經(jīng)過(guò)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(dòng)態(tài)范圍表示在一個(gè)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(gè)級別，16bit即分為216個(gè)級別，可見(jiàn)bit值越高能分出的細微差別越大，一般CMOS成像系統動(dòng)態(tài)范圍具有8-10bit, CCD以10-12bit為主，少部分可達16bit。對動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行量化需要一個(gè)運算公式，即動(dòng)態(tài)范圍值 = 20 log (well depth/read noise)，動(dòng)態(tài)范圍的值越高成像系統的性能就越好。

量子效率也稱(chēng)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(gè)，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(cháng)有關(guān)。

對顯微數碼成像系統的參數有了整體認識后，在實(shí)際應用中選擇合適型號的產(chǎn)品就比較容易了。高分辨率顯微數碼成像技術(shù)在國外已有二十來(lái)年的發(fā)展歷史，產(chǎn)品目前已比較成熟。國外的專(zhuān)業(yè)數碼產(chǎn)品有多個(gè)品牌，比較著(zhù)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(chǎng)家也有一些配套的專(zhuān)業(yè)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(guān)產(chǎn)品性能差別不是很大。

國內專(zhuān)業(yè)數碼成像產(chǎn)品的設計制造時(shí)間還不長(cháng)，但隨著(zhù)配套技術(shù)的成熟，100萬(wàn)像素以上的CCD/CMOS專(zhuān)業(yè)數碼成像產(chǎn)品開(kāi)始陸續推出，主要的專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)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(wàn)像素的CCD攝像頭，130萬(wàn)/200萬(wàn)/320萬(wàn)/500萬(wàn)像素CMOS攝像頭，主要用到工業(yè)領(lǐng)域。廣州明美是國內少數專(zhuān)業(yè)從事顯微數碼成像產(chǎn)品研發(fā)與銷(xiāo)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(wàn)-900萬(wàn)系列CMOS專(zhuān)業(yè)成像系統，1/2\ 2/3 寸140萬(wàn)像素、300萬(wàn)像素的CCD顯微成像系統，都專(zhuān)門(mén)針對顯微成像的特點(diǎn),對底層驅動(dòng)軟件進(jìn)行了修正，使之顯微成像操作更方便，色彩還原更真實(shí)，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(chǎn)權保護等原因，很多公司對軟件的開(kāi)發(fā)重視程度不夠，認為硬件開(kāi)發(fā)出來(lái)就萬(wàn)事大吉了，結果很多國產(chǎn)的成像系統的控制調節不方便，功能有限，需要專(zhuān)業(yè)的操作人員才能得到好的圖象，影響了市場(chǎng)的普及推廣，不過(guò)最近兩年這種情況有了明顯的改進(jìn)，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(wàn)像素冷CC D顯微成像系統MC50，其相關(guān)技術(shù)指標達到了Roper Scientific公司MP5.0的標準，實(shí)際拍攝效果與進(jìn)口產(chǎn)品相比也毫不遜色，操作人性，最重要的是，MC50的價(jià)格只有國外同類(lèi)產(chǎn)品的一半左右，這樣會(huì )大大推動(dòng)顯微成像系統的應用與普及，真正打破了國外廠(chǎng)家在專(zhuān)業(yè)數碼成像領(lǐng)域的壟斷。
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