CCD камеры для микроскопа 

История создания CCD камер для микроскопов

CCD-технология была изобретена в октябре 1969 года инженерами Джорджем Смитом (George Smith) и Уиллардом Бойлем (Willard Boyle), которые работали в Bell labs. Сейчас эта технология широко используется не только в цифровой фотографии, но и в сканерах, факсах и других устройствах.
 По своему устройству CCD-матрица камеры для микроскопа представляет собой кремниевый чип, покрытый множеством маленьких электродов, которые называются фотосайтами (Photosites). Фотосайты выстроены в виде решетки, и каждый из них соответствует одному пикселю на полученном снимке.

Устройство

Фотосайты не различают цветов. Они воспринимают только интенсивность света. Чтобы получить цветное изображение, используют цветовые фильтры (маски) для матрицы. Самой распространенной является схема, основанная на шаблоне Байера. Этот шаблон состоит из 4 фильтров - двух зеленых, одного красного и одного синего. Глаз человека воспринимает зеленый цвет лучше, чем остальные, поэтому изображение, насыщенное зеленым, субъективно воспринимается более натуральным. Из-за своей структуры схема Байера иногда называется GRGB (зеленый-красный-зеленый-синий).

Фотосайты, находящиеся под маской, воспринимают интенсивность света одного определенного цвета. Конечная картинка получается с помощью интеллектуальной интерполяции соседних фотосайтов в изображении, получившемся на матрице. Процесс интерполяции называется демозаикой. Алгоритм демозаики у каждого производителя свой и очень сильно влияет на качество получаемого изображения.
Таким образом, можно сказать, что количество фотосайтов соответствует разрешению изображения - изображение будет состоять из стольких пикселей, сколько фотосайтов содержит матрица. Таких светочувствительных площадок в ПЗС-приемнике очень много, от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч и даже нескольких миллионов. Размеры отдельных пикселов одинаковы и могут быть от единиц до десятков микрон. Пиксели могут быть выстроены в один ряд - тогда приемник называется ПЗС-линейкой, или ровными рядами заполнять участок поверхности - тогда приемник называют ПЗС-матрицей.

Принцип действия

Принцип действия CCD матрицы следующий: изображение (т.е. лучи света), сформированное объективом попадает на матрицу, на ее светочувствительную поверхность состоящую из ПЗС-элементов, задача которых—преобразовать энергию фотонов в электрический заряд. В общем виде конструкция ПЗС-элемента выглядит так: кремниевая подложка p - типа оснащается каналами из полупроводника n -типа. Над каналами создаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей прослойкой из оксида кремния. После подачи на такой электрод электрического потенциала, в обеднённой зоне под каналом n -типа создаётся потенциальная яма, назначение которой— хранить электроны. Фотон, проникающий в кремний, приводит к генерации электрона, который притягивается потенциальной ямой и остаётся в ней. Большее количество фотонов (яркий свет) обеспечивает больший заряд ямы.

Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые преобразовывают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия представляет собой аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель. 
Таким образом, при помощи регистра можно преобразовать в аналоговый сигнал заряды строки из ПЗС-элементов. Фактически, последовательный регистр сдвига в ПЗС-матрицах реализуется с помощью тех же самых ПЗС-элементов, объединённых в строку. Работа такого устройства базируется на способности приборов с зарядовой связью обмениваться зарядами своих потенциальных ям. Обмен осуществляется благодаря наличию специальных электродов переноса (transfer gate), расположенных между соседними ПЗС-элементами. При подаче на ближайший электрод повышенного потенциала заряд «перетекает» под него из потенциальной ямы. Между ПЗС-элементами могут располагаться от двух до четырёх электродов переноса, от их количества зависит «фазность» регистра сдвига, который может называться двухфазным, трёхфазным либо четырёхфазным.
Подача потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что перемещение зарядов потенциальных ям всех ПЗС-элементов регистра происходит одновременно. И за один цикл переноса ПЗС-элементы как бы «передают по цепочке» заряды слева направо (или же справа налево). Ну а оказавшийся «крайним» ПЗС-элемент отдаёт свой заряд устройству, расположенному на выходе регистра— то есть усилителю.
В целом, последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующую и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. В свою очередь, входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков) обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая именуется параллельным регистром сдвига, а вся конструкция в целом как раз и является устройством, именуемым ПЗС-матрицей.

Данный тип сенсора является наиболее простым с конструктивной точки зрения и именуется полнокадровой ПЗС-матрицей (full-frame CCD - matrix). Помимо микросхем «обвязки», такой тип матриц нуждается также в механическом затворе, перекрывающем световой поток после окончания экспонирования. До полного закрытия затвора считывание зарядов начинать нельзя— при рабочем цикле параллельного регистра сдвига к фототоку каждого из его пикселов добавятся лишние электроны, вызванные попаданием фотонов на открытую поверхность ПЗС-матрицы. Данное явление называется «размазыванием» заряда в полнокадровой матрице (full - frame matrix smear). 
Таким образом, скорость считывания кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистров сдвига. Также очевидно, что необходимо перекрывать световой поток, идущий с объектива, до завершения процесса считывания, поэтому интервал между экспонированием тоже зависит от скорости считывания.

Параллельный режим работы

Существует усовершенствованный вариант полнокадровой матрицы, в котором заряды параллельного регистра не поступают построчно на вход последовательного, а «складируются» в буферном параллельном регистре. Данный регистр расположен под основным параллельным регистром сдвига, фототоки построчно перемещаются в буферный регистр и уже из него поступают на вход последовательного регистра сдвига. Поверхность буферного регистра покрыта непрозрачной (чаще металлической) панелью, а вся система получила название матрицы с буферизацией кадра (frame - transfer CCD).

В данной схеме потенциальные ямы основного параллельного регистра сдвига «опорожняются» заметно быстрее, так как при переносе строк в буфер нет необходимости для каждой строки ожидать полный цикл последовательного регистра. Поэтому интервал между экспонированием сокращается, правда при этом также падает скорость считывания— строке приходится «путешествовать» на вдвое большее расстояние. Таким образом, интервал между экспонированием сокращается только для двух кадров, хотя стоимость устройства за счёт буферного регистра заметно возрастает. Однако наиболее заметным недостатком матриц с буферизацией кадра является удлинившийся «маршрут» фототоков, который негативно сказывается на сохранности их величин. И в любом случае между кадрами должен срабатывать механический затвор, так что о непрерывном видеосигнале говорить не приходится.

Режим буферизации для передачи видеоизображения

Специально для видеотехники был разработан новый тип матриц, в котором интервал между экспонированием был минимизирован не для пары кадров, а для непрерывного потока. Фактически данная схема, получившая наименование матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD -matrix), в чём-то сходна с системами с буферизацией кадра— в ней также используется буферный параллельный регистр сдвига, ПЗС-элементы которого скрыты под непрозрачным покрытием. Однако буфер этот не располагается единым блоком под основным параллельным регистром— его столбцы «перетасованы» между столбцами основного регистра. В результате рядом с каждым столбцом основного регистра находится столбец буфера, а сразу же после экспонирования фототоки перемещаются не «сверху вниз», а «слева направо» (или «справа налево») и всего за один рабочий цикл попадают в буферный регистр, целиком и полностью освобождая потенциальные ямы для следующего экспонирования. Попавшие в буферный регистр заряды в обычном порядке считываются через последовательный регистр сдвига, то есть «сверху вниз». Поскольку сброс фототоков в буферный регистр происходит всего за один цикл, даже при отсутствии механического затвора не наблюдается ничего похожего на «размазывание» заряда в полнокадровой матрице. А вот время экспонирования для каждого кадра в большинстве случаев по продолжительности соответствует интервалу, затрачиваемому на полное считывание буферного параллельного регистра. Благодаря всему этому появляется возможность создать видеосигнал с высокой частотой кадров— не менее 30кадров секунду.

Буферные регистры сдвига «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате каждому пикселю достаётся лишь 30% светочувствительной области от его общей поверхности, в то время как у пикселя полнокадровой матрицы эта область составляет 70%. Именно поэтому в большинстве современных ПЗС_матриц поверх каждого пиксела располагается микролинза. Такое простейшее оптическое устройство покрывает большую часть площади ПЗС-элемента и собирает всю падающую на эту часть долю фотонов в концентрированный световой поток, который, в свою очередь, направлен на довольно компактную светочувствительную область пиксела.
 

Чувствительность CCD-матрицы

Одной из важнейших характеристик ПЗС-матрицы, является чувствительность — способность определенным образом реагировать на оптическое излучение. Чем выше чувствительность, тем меньшее количество света требуется для реакции регистрирующего устройства. Для обозначения чувствительности прижилась практика обозначать этот параметр в единицах ISO.
Чувствительность ПЗС-матрицы складывается из чувствительности всех её пикселов и в целом зависит от двух параметров. Интегральная чувствительность, представляющая собой отношение величины фототока (в миллиамперах) к световому потоку (в люменах) от источника излучения, спектральный состав которого соответствует вольфрамовой лампе накаливания. Этот параметр позволяет оценить чувствительность сенсора в целом. Монохроматическая чувствительность, то есть отношение величины фототока (в миллиамперах) к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), соответствующей определённой длине волны. Набор всех значений монохроматической чувствительности для интересующей части спектра составляет спектральную чувствительность — зависимость чувствительности от длины волны света. Таким образом, спектральная чувствительность показывает возможности сенсора по регистрации оттенков определённого цвета.
Чувствительность матрицы является интегральной величиной, зависящей от чувствительности каждого ПЗС-элемента. Ну а чувствительность пиксела матрицы зависит, во-первых, от «подставленной под дождь фотонов» площади светочувствительной области (fill factor), а во-вторых, от квантовой эффективности (quantum efficiency), то есть отношения числа зарегистрированных электронов к числу упавших на поверхность сенсора фотонов.

Темновой ток

Важной характеристикой ПЗС-матрицы является порог чувствительности — параметр регистрирующего свет устройства, характеризующий минимальную величину светового сигнала, который может быть зарегистрирован. Чем меньше этот сигнал, тем выше порог чувствительности. Главным фактором, ограничивающим порог чувствительности, является темновой ток (dark current). Он является следствием термоэлектронной эмиссии и возникает в ПЗС-элементе при подаче потенциала на электрод, под которым формируется потенциальная яма. «Темновым» же данный ток называется потому, что складывается из электронов, попавших в яму при полном отсутствии светового потока. Если световой поток слаб, то величина фототока близка, а порой и меньше, чем величина темнового тока.
Существует зависимость темнового тока от температуры сенсора— при нагревании матрицы на 9 градусов по Цельсию её темновой ток возрастает в два раза. Для охлаждения матрицы используются различные системы теплоотвода (охлаждения). В полевых камерах, массогабаритные характеристики которых сильно ограничивают применение систем охлаждения, иногда в качестве теплообменника используется металлический корпус камеры. В студийной технике ограничений по массе и габаритам практически нет, более того, допускается достаточно высокое энергопотребление охлаждающей системы, которые, в свою очередь, делятся на пассивные и активные.

Тепловой «шум»

Подавляя тем или иным способом темновой ток, следует помнить о другом факторе, ограничивающем порог чувствительности. Им является тепловой шум (thermal noise), создаваемый даже при отсутствии потенциала на электродах одним лишь хаотичным движением электронов по ПЗС-элементу. Выдержки большой длительности ведут к постепенному накапливанию блуждающих электронов в потенциальной яме, что искажает истинное значение фототока. И чем «длиннее» выдержка, тем больше «заблудившихся» в яме электронов.
Технология производства ПЗС-матриц обладает рядом особенностей. В частности, практически в каждом ПЗС-элементе уровни как темнового тока, так и теплового шума не такие, как в соседних пикселах. Поэтому степень искажения фототоков паразитными зарядами распределена по матрице хаотическим образом. Положение усугубляется практически всегда присутствующей несогласованностью в подаче перемещающих потенциалов на электроды переноса. Всё это ведёт к появлению у каждого отдельного сенсора присущего только ему шума фиксированного распределения (fixed pattern noise), выражающегося в виде раскиданных по всему кадру пикселов постороннего цвета, яркость которых напрямую связана с выдержкой — чем дольше длится экспонирование, тем резче выделяются на снимке точки с паразитными зарядами. Наиболее заметные пикселы называются «горячими» (hot pixels).
Технология производства ПЗС-матриц обладает рядом особенностей. В частности, практически в каждом ПЗС-элементе уровни как темнового тока, так и теплового шума не такие, как в соседних пикселах. Поэтому степень искажения фототоков паразитными зарядами распределена по матрице хаотическим образом. Положение усугубляется практически всегда присутствующей несогласованностью в подаче перемещающих потенциалов на электроды переноса. Всё это ведёт к появлению у каждого отдельного сенсора присущего только ему шума фиксированного распределения (fixed pattern noise), выражающегося в виде раскиданных по всему кадру пикселов постороннего цвета, яркость которых напрямую связана с выдержкой — чем дольше длится экспонирование, тем резче выделяются на снимке точки с паразитными зарядами. Наиболее заметные пикселы называются «горячими» (hot pixels).

Динамический диапазон матрицы

Характеристика, описывающая способность ПЗС-элемента накопить определённой величины, называется «глубиной потенциальной ямы» (well depth), и именно от неё зависит динамический диапазон матрицы. Разумеется, при съёмке в условиях слабого освещения на динамический диапазон влияет также порог чувствительности, который, в свою очередь, определяется величиной темнового тока.
Очевидно, что потери электронов, составляющих фототок, происходят не только в процессе накопления заряда потенциальной ямы, но и при его транспортировке к выходу матрицы. Потери эти вызваны дрейфом электронов, «оторвавшихся» от основного заряда при его перетекании под следующий электрод переноса. Чем меньше количество «оторвавшихся» электронов, тем выше эффективность переноса заряда (charge transfer efficiency). Данный параметр измеряется в процентах и показывает долю заряда, сохранившуюся при «переправе» между ПЗС-элементами.
Для того, чтобы достичь приемлемых скоростей считывания кадра при высокой эффективности переноса заряда при конструировании ПЗС-матрицы планируют «заглублённое» размещение потенциальных ям. Благодаря этому электроны не так активно «прилипают» к электродам переноса, и именно для «глубокого залегания» потенциальной ямы в конструкцию ПЗС-элемента вводят n-канал.
Характеристика, описывающая способность ПЗС-элемента накопить определённой величины, называется «глубиной потенциальной ямы» (well depth), и именно от неё зависит динамический диапазон матрицы. Разумеется, при съёмке в условиях слабого освещения на динамический диапазон влияет также порог чувствительности, который, в свою очередь, определяется величиной темнового тока.

Blooming-эффект

В тех случаях, когда внутренний фотоэффект приводит к избыточному количеству электронов, превышающему глубину потенциальной ямы, заряд ПЗС-элемента начинает «растекаться» по соседним пикселам. На снимках это явление, именуемое «блюмингом» (от английского blooming — размывание), отображается в виде пятен белого цвета и правильной формы, и чем больше избыточных электронов, тем крупнее пятна.
Подавление блюминга осуществляется посредством системы электронного дренажа (overflow drain), основная задача которой— отвод избыточных электронов из потенциальной ямы. Наиболее известны варианты вертикального дренажа (Vertical Overflow Drain, VOD) и бокового дренажа (Lateral Overflow Drain, VOD).
В системе с вертикальным дренажом на подложку матрицы подаётся потенциал, значение которого подбирается так, чтобы при переполнении глубины потенциальной ямы избыточные электроны вытекали из неё на подложку и там рассеивались. Минусом такого варианта является уменьшение глубины потенциальной ямы и, соответственно, сужение динамического диапазона ПЗС-элемента. Очевидно также, что данная система неприменима в матрицах с обратной засветкой.

Конечно, необходимость добавлять в сенсор дренажные устройства усложняет его конструкцию, однако искажения кадра, вносимые блюмингом, нельзя игнорировать. Да и электронный затвор невозможно реализовать без дренажа— он играет роль «шторки» при сверхкоротких выдержках, длительность которых меньше интервала, затрачиваемого на перенос заряда из основного параллельного регистра сдвига в буферный параллельный регистр. «Шторка», то есть дренаж, предотвращает проникновение в ямы буферных ПЗС-элементов тех электронов, что образовались в «светочувствительных» пикселах после того, как прошло заданное (и очень короткое) время экспонирования. 
Из-за технологических погрешностей в некоторых ПЗС-элементах даже самая короткая выдержка ведёт к лавинообразному накоплению электронов в потенциальной яме. На снимке такие пикселы, именуемые «залипшими» (stuck pixels), очень сильно отличаются от окружающих точек как по цвету, так и по яркости, причём, в отличие от шума фиксированного распределения, они появляются при любой выдержке и вне зависимости от нагрева матрицы.
Удаление залипших пикселов осуществляется посредством встроенного программного обеспечения камеры, обеспечивающего поиск дефектных ПЗС-элементов и запоминание их «координат» в энергонезависимой памяти. При формировании изображения значения дефектных пикселов в расчёт не берутся, их заменяют интерполированным значением соседних точек. Чтобы определить дефектность пиксела в процессе поиска, его заряд сравнивается с эталонным значением, которое тоже хранится в энергонезависимой памяти камеры.

Преимущества и недостатки

К преимуществам CCD матриц относятся низкий уровень шумов, высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%), высокая эффективность (квантовая эффективность - отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы, для CCD — 95%), высокий динамический диапазон (чувствительность).
К недостаткам CCD матриц относятся сложный принцип считывания сигнала, а следовательно и технология, цена изготовления, высокий уровень энергопотребления (до 2-5Вт).

Варианты решения:

- iKon-M Deep Cooled CCD Cameras
Благодаря принудительному охлаждению до – 1000С и низкому уровню шумов, камеры могут использоваться в микроскопии, в условиях недостаточной освещенности, характерной для слабой внутриклеточной биолюминесценции. Максимальное разрешение 1024 х 1024.

- iKon-L Large Area CCD Cameras
Аналогичная камера, но с большим максимальным разрешением 2048 х 2048

- iDus Spectroscopy CCD Cameras
Камеры основаны на крайне чувствительной и высокоточной матрице, с еще более нихким уровнем шумов (менее 3е). Для использования в широком диапазоне обычных и высокоточных задач, в области флюоресценции, атомно-эмиссионной спектроскопии.

- Clara Interline CCD
Данные камеры с высокой разрешающей способностью идеально подходит для микроскопии клетки. В данной модели используется глубокое воздушное охлаждение до -55°C и низкому уровню шумов (2.4e).