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凝膠成像、化學發光成像的關鍵因素之CCD篇
點擊次數: 發布時間:【2016-06-12】

 

CCD是電荷耦合器件(Charge Coupled Device)的英文名稱縮寫,是一種光電轉換器件。是凝膠圖像系統的核心部件。絕大多數對數碼相機都有一定的了解,不少人還是這方面的專家。有人把數碼相機的像素看得很重,但比較之后發現,有些800萬、甚至1000萬像素的相機拍出來的片子沒有500像素的機子拍出來的好,這是為什么?

這就涉及到成像系統到底是采用CCD還是CMOS的芯片,或者CCD芯片本身多參數的比較了!
       
      讓我們來對比分析一下
CCD和CMOS芯片如何導致像素高而效果較差的原因:
       
       CCD和CMOS在制造上的主要區別是CCD是集成在半導體單晶材料上,而CMOS是集成在被稱做金屬氧化物的半導體材料上,工作原理沒有本質的區別。
CCD只有少數幾個廠商例如索尼、松下等掌握這種技術。而且CCD制造工藝較復雜,采用CCD的攝像頭價格都會相對比較貴。事實上經過技術改造,目前CCD和CMOS的實際效果的差距已經減小了不少。而且CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少,所以很多攝像頭生產廠商采用的CMOS感光元件。
       成像方面:在相同像素下CCD的成像通透性、明銳度都很好,色彩還原、曝光可以保證基本準確。而CMOS的產品往往通透性一般,對實物的色彩還原能力偏弱,曝光也都不太好,由于自身物理特性的原因,CMOS的成像質量和CCD還是有一定距離的。但由于低廉的價格以及高度的整合性,因此在攝像頭領域還是得到了廣泛的應用。
CCD和CMOS的區別:
CCD是目前比較成熟的成像器件,CMOS被看作未來的成像器件。
因為CMOS結構相對簡單,與現有的大規模集成電路生產工藝相同,從而生產成本可以降低。從原理上,CMOS的信號是以點為單位的電荷信號,而CCD是以行為單位的電流信號,前者更為敏感,速度也更快,更為省電。現在高級的CMOS并不比一般CCD差,但是CMOS工藝還不是十分成熟,普通的 CMOS 一般分辨率高而成像較差。
目前民用數碼相機的情況是,許多低檔入門型的數碼相機使用廉價的低檔CMOS芯片,成像質量比較差。普及型、高級型及專業型數碼相機使用不同檔次的CCD,個別專業型或準專業型數碼相機使用高級的CMOS芯片。

       那么同樣是CCD芯片,又為何有的CCD標稱像素更高而成像效果對比像素低更低的CCD差呢?
 
       其實,影響成像的因素很多,衡量CCD好壞的指標,有分辨率,CCD尺寸,動態范圍,靈敏度,量子效率,信噪比等,其中像素數以及CCD尺寸是重要的指標。其實是說感光器件的面積大小,這里就包括了CCD感光器件的面積越大,也即CCD面積越大,捕獲的光子越多,感光性能越好,信噪比越高。
為了方便您更了解CCD的大小,現列舉目前市場上所應用的CCD規格如下:
4/3英寸——靶面尺寸為寬18mm*13.5mm,對角線22.3mm。
1英寸——靶面尺寸為寬12.7mm*9.6mm,對角線16mm 
2/3
英寸——靶面尺寸為寬8.8mm*6.6mm,對角線11mm 
1/2
英寸——靶面尺寸為寬6.4mm*4.8mm,對角線8mm 
1/3
英寸——靶面尺寸為寬4.8mm*3.6mm,對角線6mm 
1/4
英寸——靶面尺寸為寬3.2mm*2.4mm,對角線4mm
CCD的分辨率由低到高:從100萬,140萬,200萬,300萬,400萬左右,500萬左右,最高可達600萬,這里說的均為CCD真實像素,值得一提的是也有不少廠家不指明真實像素而已以圖像分辨率一詞來混淆概念,通過軟件將光學圖像分割成更小的像元模塊,并不能改善原始圖像的還原度、動態范圍、量子效率以及CCD靈敏度。
根據
CCD的溫度有可以分為常溫CCD相機和制冷CCD相機,制冷CCD:在相同滿井電子的CCD,降低CCD噪音,就能提高CCD的信噪比,熱或者暗電流對于CCD都是噪音,噪音在Cool CCD基本都可以被深度致冷的Peltier消除。在曝光超過5-10秒,CCD芯片就會發熱,沒有致冷設備的芯片,或者白的像素點就會遮蓋圖像,圖像到處可見雪花。CCD結構設計、數字化的方法等都會影響噪音的產生。當然通過改善結構、優化方法,同樣能減少噪音的產生。
制冷CCD的適用性:熒光及化學發光本身較弱,所以對CCD噪音的降低要求很高,應選用高分辨率數字冷卻CCD相機結合高通透鏡頭系統,使其能夠捕獲到信號極其微弱的熒光及化學發光樣品圖像,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。另外可選激發光源及多位濾鏡輪擴大了熒光/化學發光成像的應用范圍。所以一般在熒光及化學發光觀察時需要選擇制冷CCD。所以制冷CCD相機絕對是高端分子影像成像分析系統的未來的發展趨勢和必須要求,越高端的COOL CCD制冷溫度越低。

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