认识科研显微相机(上)

2019-09-02 16:01:56 普赫 730

以下两张照片是典型的科研级显微成像相机采集的图片,左图是透射光明场的观察模式,右图是多通道荧光的观察模式,通过荧光通道伪彩色叠加之后得到的彩色图像。

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科研显微相机现载物台都已采用数字芯片,生命科学显微成像芯片类型主要分为CCD, EMCCD, CMOS, scientific CMOS (sCMOS) 这几类。CCD (coupled charge device)芯片是进入数码成像时代之后知名度最高、应用最广泛的芯片,现在还有不少老师同学把CCD直接指代为科研级显微相机,尽管相机用的已是其他芯片了。由于规模效应以及半导体工艺的原因,CMOS芯片价格较低,同时CMOS的功耗也低,所以很多民用移动设备比如智能手机都采用CMOS芯片。低端显微相机特别是国产的型号,也越来越多地采用CMOS芯片。下图简要描述了CCD和CMOS芯片上的区别。

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两种芯片最大的区别是CCD只有一个读出端口,而CMOS每个像素(像元)都是一个读出端口。因为这样的设计,CMOS芯片成像速度会非常快,但灵敏度欠缺(像素上的读出电路占了一定面积不能感光),大家可以想象一下自己的手机在光线较暗的环境下拍照或者拍夜景的表现。CCD只有一个端口,成像速度稍慢,但是图像信号的基线是唯一的,所以荧光图像的背景会比较好且非常均匀。下图是几个典型的显微成像系统,分别是CMOS(左)CCD(中)sCMOS(右)。CMOS芯片也更多地和大尺寸触摸屏结合在一起了。

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DigiRetina16显微数码相机                               奥林巴斯显微成像系统DP27              Dhyana400D 科学级sCMOS相机

彩色与黑白CMOS/CCD芯片。彩色芯片其实是在黑白芯片上加了一块贝叶滤镜(BayerFilter)来实现RGB信号采集的(下图),所以在灵敏度上比黑白芯片差些。一般来说,CMOS芯片都是彩色芯片而且像素数目多,比如500万1600万像素等;CCD芯片彩色和黑白的都有,甚至可以把黑白和彩色两个芯片做在一个相机里(比如Olympus DP80),满足不同实验的需求(拍明场用彩色、拍荧光用黑白);scientific CMOS (sCMOS)芯片基本都是黑白的,各波长包括近红外的灵敏度都很高,同时采集的速度也非常快,比如400万像素下可达到100帧/秒的高速荧光成像。

各种尺寸的芯片。CCD或者CMOS芯片是不是越大越好呢?并不是的。下图解释了显微镜的光学视野是有限制的,芯片太大就会超出光学视野。传统经典的2/3英寸CCD芯片并不能覆盖这个视野,所以一般都是采用0.63倍C接口来配合这个芯片,提高视野覆盖率。现在常用的sCMOS芯片(2048x2048)配合1倍C接口正好覆盖了整个视野,这个芯片的尺寸约为13 x 13mm,超过这个尺寸就需要用其他办法来实现正常的显微成像了。

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