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    科研相机选择:sCMOS还是CCD?

    发布时间: 2022-05-22 浏览次数: 26

    细胞动物学家必须如此的高倍显微镜:在低光标准下为高像素和敏感度检测细胞中的迅速健身运动。开发人员不但要处理特性规定,还需要考虑到价钱要素,及其解决动态性成像实验室造成的很多信息的工作能力。

    虽然正电荷耦合器件(CCD)照相机一直以来全是成像的“金子规范”,可是科学研究级相辅相成氧化物半导体材料(sCMOS)也在得到很多的运用。初期CMOS元器件有图像产品质量问题,可是感应器设计的不断完善早已大大的清除了那些缺陷。

    优秀的sCMOS技术性比现阶段CCD相机速率更快,因而可以更好的捕获迅速细胞事情。提高的精确度让这种照相机可以以短快门速度检测到低光信号,而更高一些的屏幕分辨率可以在全部大视场角得到更清楚的细胞多孔结构图像。

    现如今,科学研究工作人员面临的问题是如何选择较好的成像计划方案。文中将剖析CCD和sCMOS技术性相互之间的差别。

    CCD vs sCMOS

    CCD和sCMOS感应器(如下图1)进行类似的基本要素:搜集光并转换成电子信号。这二种技术性的相对性好坏是由于载入积累在给出像素上的数据信号的方法不一样。

    图1:CCD(左)和CMOS(右)感应器的构造示意图

    CCD相机常常应用全局性快速门,在某一精准时时刻刻曝出和捕获图像中的每一个像素。为了更好地以数字化方式融合那一个信息内容,全部像素都根据单独输出连接点按序流入变位系数转换器(ADC),这一环节称为智能化。随后,这一数据信息发送至电子计算机中表明和储存。

    由于每一个像素与此同时曝出,因此在每一帧图像都产生明显转变时全局性快速门尤其有益。可是,CCD帧率受制于单独像素迁移和信息化的速度:必须传递的像素越多,照相机的总帧率变慢。这类设计方案造成了ADC短板。上百万像素处于单独序列中等候变换。在下一次曝出前,务必解决完一帧图像中的每一个像素。CCD相机可以在中国长快门速度的探讨中捕获靠谱的静态数据和延迟图像。可是,随着而发生的电荷转移延迟时间会减少照相机的帧率。

    假如高倍显微镜只用以较长曝光的剖析,例如慢速度细胞转移和西方国家墨点法,帧率慢并不是问题。可是帧率关联到能不能科学研究迅速活动的细胞状况,包含囊泡产生、蛋白装运和钙数据信号散播。为了更好地捕获这种细胞内事情,细胞动物学家必须100帧/秒或更快的帧率。用CCD显微镜技术性也许能见到微小的细胞构造并精确测量有机化学数据信号,可是会遗失方位和速率的数据信息。帧率很慢还会继续发生运动模糊和时间混扰等错觉。

    这个问题的解决方案之一是sCMOS处理芯片,它在每一个像素列尾端都存放一个ADC。这类设计方案使变换序列增长,很多像素时有数千倍。应用sCMOS能迅速造成每帧的电子信息。必须留意的是,一行ADC一次只有智能化一行像素。

    sCMOS照相机选用翻转快速门设计方案,在曝出过去进行时能防止因等候智能化全部像素行而拖拖拉拉帧率。它无需等候全帧进行读出,反而是先进行智能化的像素行立即开展下一帧的曝出,与此同时让图像感应器开展后面行数据信号的智能化。照相机可以随时间由上向下移动过图像。邻近行与行依据感应器读出的次序设定短时间延迟时间。

    翻转快速门的优点是多帧可以重合并且帧率提高。sCMOS感应器能给予比高档行与行CCD相机快10倍的帧率。缺陷是行与行很小的时差很有可能使数据信息造成误差。

    有一些sCMOS照相机给予订制开启方式,可以以翻转快速门得到全局性曝出,利润较大化地提升sCMOS的特性。这类开启方式容许快速开关快速灯源,仅有当全部sCMOS全帧图像中的所有行都与此同时曝出时,灯源是脉冲信号的,因而获得全局性曝出的实际效果。与此同时,照相机始终保持在翻转快速门方式开展正电荷智能化,为此保持快速帧率和低读出噪音。

    sCMOS在生物技术的优点

    低光图像品质

    sCMOS照相机技术性较显著和同时的优点是增强了低光图像品质。sCMOS感应器具备低读出噪音和很大的总面积,可以给予低噪音、大视场角(FOV)图像,让科研工作人员轻轻松松扫描仪全部试品并捕获高品质图像。例如,optiMOS sCMOS感应器比传统式CCD的FOV要大45%(见图2)。

    图2:QI ging optiMOS sCMOS照相机和科学研究级致冷CCD相机的图像和行轮廊较为。针对图像品质、频率稳定度、视场角和帧率,sCMOS照相机都需要好于科学研究CCD相机。

    频率稳定度

    “量子效率“(QE)是光量子形成电子器件的均值几率,用变换百分数表示,用以叙述照相机的光敏感度,QE越高可以造成越清楚的图像。许多CCD相机都是有出色的量子科技QE规格型号,可是两者的读出噪音的差异性非常大。

    由于许多细胞标识都发送低抗压强度光信号,假如照相机的读出噪音高,那麽捕获薄弱信息时SNR也低,因而图像品质也差。从设计上讲,sCMOS照相机快速时也具备低的水准上电子器件读出噪音,一般是相对高度行与行CCD相机的三分之一。

    莹光成像

    sCMOS和CCD相机都能有效地服务项目具备较长曝光的莹光运用,例如固定不动细胞的荧光。可是活物细胞的莹光运用则对光线十分灵巧。高灵敏既规定降到较低光漂白和毒副作用,还需要尽量多地收集时间信息内容。其目的是:以充分的SNR收集图像,与此同时减少激亮度单位并应用较少的快门速度。因此,活物细胞成像生物学家愈来愈青睐sCMOS仪器设备。由于,高SNR能解决好短快门速度并且传递高图像品质。

    试验运用

    Bart Guerten是法国哥廷根大学细胞神经系统微生物单位的一名博士研究生,他的试验规定迅速而灵巧的细胞成像,即观查果蝇幼虫与机械设备认知有关的遗传基因主题活动。这类科学研究有利于明确备选遗传基因在机械设备认知发展趋势、作用和病症的功效。

    为了更好地挑选机械设备认知缺点,团队务必以高时间和空间屏幕分辨率对果蝇幼虫肌肉组织中的翠绿色荧光蛋白(GFP)开展成像。由于这一环节必须在迅速肌肉组织受力中以基因突变细胞线挑选缺点,她们要的成像技术性务必简易实用并且可以快速收集图像。

    传统式CCD相机这时就很慢没法在稚虫的基因突变细胞线中检测到肌肉组织受力缺点。因此成像计划方案规定高帧率,并且不可以放弃敏感度和噪音特性。

    因此,科学研究团队应用QI ging的optiMOS sCMOS照相机,可以挑选出基因突变的果蝇幼虫,并且以高时间和空间屏幕分辨率迅速量化分析稚虫单独位置的工作压力。

    sCMOS的长期性发展潜力

    学者长期性一直依靠具备量化分析特性和精确度的CCD相机开展科学合理成像。可是,这种机器设备应用范畴遭受时间辨别规定的巨大限定。CCD构造在快速成像中无法维持大空间分辨率。可是,sCMOS感应器近些年获得了进度,与此同时具备快速帧率和低读出噪音,因而sCMOS照相机是细胞分子生物学、生物物理和正离子装运生理学试验的满意挑选。


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