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技术资料
于CCD简介及活体成像设备关键部件CCD选择
浏览次数:5041  更新新间:2013-5-6

关于CCD简介及活体成像设备关键部件CCD选择

CCD简介
CCD,英文全称:Charge-coupled Device,中文名称:电荷耦合元件。CCD是一种半导体器件,能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)。一块CCD上包含的像素数越多,每个像素单元面积越大,其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样,但它是把图像像素转换成数字信号。

  CCD1969年由美国贝尔实验室(Bell Labs)的维拉波义耳(Willard S. Boyle)和乔治史密斯(George E. Smith)所发明的。科学家因博伊尔和乔治-E-史密斯因发明了成像半导体电路——电荷藕合器件图像传感器CCD” 2009年诺贝尔物理学奖。
 
衡量CCD性能关键指标
衡量CCD性能的指标很多,其中CCD芯片尺寸,灵敏度,信噪比,动态范围,制冷温度是其中比较重要的参数。
1. 像素:这个是常见的参数。在CCD像素单元芯片尺寸大小确定的情况下,像素越高,分辨率就越高,灵敏度相应越低,两者是反比关系,所以像素不是越高越好,在像素够用的情况下应尽量优先确保灵敏度。
2. CCD芯片尺寸:CCD每个像素单元芯片尺寸越大,其灵敏度越高,因为像素和灵敏度的反比关系,所以芯片尺寸越大越好; 
3. 动态范围:实际上这个参数取决于另外2个参数。动态范围=20Xlog10(满井电子/总噪音)这个参数值越大也表征CCD的灵敏度越高 
4. 制冷温度:CCD工作时温度升高会产生噪音,尤其是长时间曝光,降低温度可以减少这类噪音产生,所以需要制冷CCD。制冷方式有很多,比如半导体制冷、水循环制冷,空气制冷等,因此制冷温度越低的CCD,其信噪比(SN)较高,成像灵敏度好。
5. 灰阶:通常用位来表示,如14bit(16384)/16bit(65536)等,对于做灰度分析或者荧光定量分析的,CCD灰阶越高越好。 
从以上几个方面来说,对于现今比较热门的动物活体成像设备的关键部件CCD,各大厂商均使出浑身解数来提高CCD性能,如:Carestream采用7.4um尺寸的 420万像素零下绝对29度制冷CCDCaliper公司也是采用的420万像素制冷CCD来提高成像质量;SII多模式活体成像系统采用Spectral Instruments Imaging最先进的420万像素大尺寸CCD技术(芯片大小13.5um22.5um),零下90度绝对制冷,动态范围可以达到6-7,为生物发光,荧光,X光成像提供超高灵敏度多模式成像保障。

关于Spectral Instruments ImagingSII)大幅面科研CCD介绍
Spectral Instruments是世界知名大幅面CCD生产厂家,其生产CCD在宇宙天文观测、军事测量、等离子物理及药物筛选领域久负盛名。SII 多模式活体成像系统采用其420万像素、零下90绝对制冷大幅面科研CCD,极大提高了成像灵敏度及分辨率,提高了信噪比。
零下90绝对制冷大幅面CCD如图例所示

单个13.5um像素单元CCD感光面积=13.52/2=91.125um2
单个7.5um像素单元CCD感光面积=7.52/2=28.125um2
由此一个13.5um CCD单元感光面积是7.5um3.24 
因此同样是420万素情况下,13.5um大幅面CCD 可以相当于1360万像素的普通CCD感光效果,提高了成像灵敏度及分辨率

CCD像素大小与成像感光面积之间的关系

大尺寸芯片CCD的优点 
CCD的感光元件是象素,而每个象素好比可以用来储存电荷的井,这个井能容纳电荷的极限表明了CCD的动态范围,也就是曝光宽容度。CCD尺寸的大小直接决定了这个井的大小。相同尺寸 CCD,当象素的体积增大,当然这会造成CCD的像素数相对减少,其容纳电荷的能力就越强。
从图像噪声方面,在检测方面,过多的图像噪声是检测产生错误的重要原因。而过低的灵敏度,在获取同样的图像信号时候,你需要调节更大的增益值和更长的曝光时间,而这正是噪声增加的罪魁祸首。采用大尺寸 CCD,单个像素单元可以获得更多的光子,提高了成像灵敏度,从而使得曝光时间和增益值都不用过大情况下保证成像效果。这就是为什么在荧光、近红外光、化学发光,生物发光这些微弱发光的领域,更在乎大尺寸CCD芯片的原因。

 
 
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