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一、前沿
2009年10月6日，瑞(rui)典(dian)科學院宣布，將2009年諾貝爾物理學獎的一半授予美國科學家威拉德•博伊爾和喬治•史密斯，因為他們于1969年發明了半導體集成電路成像技術,CCD感應器。經過四十年的發展，CCD技術由實驗室逐步走向了市場，具有越來越廣闊的應用。

CCD數(shu)碼(ma)成像(xiang)(xiang)對(dui)攝(she)影產生(sheng)了(le)革命性(xing)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)。在(zai)感光膠片之外(wai)，人們(men)可(ke)以通過電子電路捕(bu)捉圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)，這些以數(shu)字形式存在(zai)的(de)(de)(de)(de)圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)更加易于處理和分發。數(shu)字圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)已(yi)經(jing)成為許多研究領域中不可(ke)替代的(de)(de)(de)(de)重要(yao)工(gong)具。數(shu)碼(ma)成像(xiang)(xiang)技術應用(yong)(yong)(yong)到顯(xian)微(wei)鏡上(shang)，以替代以往的(de)(de)(de)(de)膠卷(juan)拍(pai)(pai)攝(she)，現(xian)在(zai)已(yi)經(jing)廣泛應用(yong)(yong)(yong)了(le)。以前我(wo)們(men)用(yong)(yong)(yong)膠卷(juan)來(lai)進(jin)行顯(xian)微(wei)拍(pai)(pai)攝(she)，要(yao)等一(yi)卷(juan)拍(pai)(pai)完，沖(chong)洗出(chu)來(lai)才能確定拍(pai)(pai)攝(she)的(de)(de)(de)(de)圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)是(shi)否(fou)清晰(xi)，如果拍(pai)(pai)攝(she)的(de)(de)(de)(de)圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)不理想，而(er)顯(xian)微(wei)觀察的(de)(de)(de)(de)樣品又失(shi)效(xiao)了(le)，就(jiu)需要(yao)重新(xin)制作樣品，給研究工(gong)作帶(dai)來(lai)很(hen)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)不便，而(er)現(xian)在(zai)使用(yong)(yong)(yong)顯(xian)微(wei)數(shu)碼(ma)相機來(lai)拍(pai)(pai)攝(she)顯(xian)微(wei)圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)，所見即所得，當時就(jiu)是(shi)保存處理，甚(shen)至(zhi)統計分析，極大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)提高了(le)工(gong)作效(xiao)率。

二、顯微數碼成像系統的組成
顯微數碼成像系統包括CCD/CMOS專業相機，圖像采集處理軟件，熒光顯微鏡|顯微鏡攝像頭|顯微鏡接口，數據傳輸線等，其中最核心的設備是CCD和CMOS圖像傳感器，前者由光電耦合器件構成，后者由金屬氧化物器件構成。兩者都是光電二極管結構感受入射光并轉換為電信號，主要區別在于讀出信號所用的方法。

CCD(Charge Coupled Device ，感(gan)光(guang)耦(ou)合組件(jian))上感(gan)光(guang)組件(jian)的(de)(de)(de)表面(mian)具有儲存電荷(he)的(de)(de)(de)能力，并(bing)以(yi)矩陣的(de)(de)(de)方(fang)式(shi)排列(lie)。當其表面(mian)感(gan)受到光(guang)線時，會將電荷(he)反應在組件(jian)上，整個(ge)CCD上的(de)(de)(de)所有感(gan)光(guang)組件(jian)所產生的(de)(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)，就構成(cheng)了(le)一(yi)個(ge)完整的(de)(de)(de)畫(hua)面(mian)。CCD的(de)(de)(de)結(jie)構分(fen)(fen)三層(ceng)(ceng) ，第(di)一(yi)層(ceng)(ceng)“微(wei)型鏡頭(tou)"“ON-CHIP MICRO LENS"，這是(shi)(shi)(shi)為了(le)有效提升CCD的(de)(de)(de)總像素，又要確保(bao)單一(yi)像素持續縮小以(yi)維持CCD的(de)(de)(de)標準面(mian)積(ji)，在每一(yi)感(gan)光(guang)二(er)極管上(單一(yi)像素)裝置微(wei)小鏡片。CCD的(de)(de)(de)第(di)二(er)層(ceng)(ceng)是(shi)(shi)(shi)“分(fen)(fen)色(se)(se)濾(lv)色(se)(se)片"，目前有兩種分(fen)(fen)色(se)(se)方(fang)式(shi)，一(yi)是(shi)(shi)(shi)RGB原色(se)(se)分(fen)(fen)色(se)(se)法(fa)，另一(yi)個(ge)則是(shi)(shi)(shi)CMYG補色(se)(se)分(fen)(fen)色(se)(se)法(fa)。原色(se)(se)CCD的(de)(de)(de)優勢在于(yu)畫(hua)質銳(rui)利，色(se)(se)彩真實，但缺(que)點則是(shi)(shi)(shi)噪(zao)聲問題。第(di)三層(ceng)(ceng)：感(gan)光(guang)層(ceng)(ceng)，這層(ceng)(ceng)主要是(shi)(shi)(shi)負責(ze)將穿過(guo)濾(lv)色(se)(se)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)光(guang)源轉換成(cheng)電子信(xin)(xin)號(hao)，并(bing)將信(xin)(xin)號(hao)傳送到影像處理芯片，將影像還原。

數(shu)(shu)碼(ma)成(cheng)像的核心器(qi)件(jian)除CCD,現在越來(lai)越多的使用CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補性氧(yang)化金屬半導體(ti)，CMOS和(he)CCD一(yi)樣同在數(shu)(shu)碼(ma)相機(ji)中(zhong)可(ke)記錄光(guang)線變化的半導體(ti)。CMOS傳感器(qi)中(zhong)每一(yi)個感光(guang)元件(jian)都直接整合了放(fang)大器(qi)和(he)模數(shu)(shu)轉(zhuan)換邏輯，當感光(guang)二極管接受(shou)光(guang)照(zhao)、產生模擬的電信號(hao)之后，電信號(hao)首先被該感光(guang)元件(jian)中(zhong)的放(fang)大器(qi)放(fang)大，然后直接轉(zhuan)換成(cheng)對應(ying)的數(shu)(shu)字信號(hao)。CMOS的優勢在于(yu)成(cheng)本(ben)低，耗電需求(qiu)少(shao)，便(bian)于(yu)制造， 可(ke)以(yi)與影像處理電路(lu)同處于(yu)一(yi)個芯片上，缺(que)點(dian)是較容易(yi)出現雜點(dian)。

三 顯微鏡成像系統相關參數
對CCD/CMOS數碼成像系統的結構和原理有了一個基本了解后，我們再對成像系統的一些基本參數作一個說明。在實際應用中，很多用戶對像素多少很敏感，一上來就提到我要多少萬像素的成像系統，其實在專業成像應用中，像素多少只是影響成像的一個因素，還有其他很多指標，包括分辨率，感光器件大小，動態范圍,靈敏度，量子效率，信噪比等。

感光器件的面積大小是衡量顯微成像系統質量的一個重要指標，感光器件的面積越大，捕獲的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。當前數碼成像系統中較常應用的感光器件規格如下：1英寸（靶面尺寸為寬12.7mm*高9.6mm，對角線16mm），2/3英寸， 1/2英寸，1/3英寸，另外有時也用到1/1.8英寸,1/2.5英寸的CCD/CMOS感光器件。
 
像素是CCD/CMOS能分辨的最小的感光元件，顯微數碼成像系統的像素由低到高有：45萬左右，140萬左右，200萬左右，300萬左右，500萬左右，900萬像素，甚至還有更高的達到2000萬像素以上。一般來說，像素越高，圖像分辨率越高，成像也就越清晰，但有時候圖像分辨率達到一定程度后，就不是影響成像質量的主要指標了。比如圖像分辨率高，噪聲也很高時，成像質量也不會很好。暗電流是導致CCD噪音的很重要的因素。暗電流指在沒有曝光的情況下，在一定的時間內，CCD傳感器中像素產生的電荷。我們在做熒光拍攝的時候，需要的曝光的時候比較長，這樣導致CCD產生較多的暗電流，對圖像的質量影響非常大。通常情況下通過降低CCD的溫度來最大限度的減少暗電流對成像的影響。Peltier制冷技術一般可將CCD溫度降低5-30°C，在長時間拍攝或一次曝光超過5-10秒，CCD芯片會發熱，沒有致冷設備的芯片，“熱"或者白的像素點就會遮蓋圖像，圖像會出向明顯的雪花點。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。顯微熒光或其他弱光的拍攝對CCD噪音的降低要求很高，應選用高分辨率數字冷卻CCD成像系統，使其能夠捕獲到信號極其微弱的熒光樣品圖像，并且能夠的降低(di)噪音，減少背景，提(ti)供出色的圖(tu)像清晰度。所(suo)以一般在熒(ying)光及弱光觀察時需要選擇制冷CCD。

在顯(xian)微數碼(ma)成像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)過程中，對于熒光(guang)及弱光(guang)的(de)拍攝(she)，除(chu)了(le)制冷降低熱(re)噪聲外(wai)，還可(ke)(ke)(ke)使(shi)用(yong) BINNING技術提高(gao)圖像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)靈敏度(du)，BINNING像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)素(su)合(he)并是一種非常有用(yong)的(de)功能，它可(ke)(ke)(ke)被用(yong)來提高(gao)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)素(su)的(de)大(da)(da)小(xiao)和靈敏度(du)，比如(ru)攝(she)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)頭像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)素(su)大(da)(da)小(xiao)為5u,當(dang)經過2x2合(he)并后，像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)素(su)大(da)(da)小(xiao)為10u，3X3合(he)并后，像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)素(su)大(da)(da)小(xiao)為15u, 這是圖像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)整體(ti)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)素(su)變少了(le)，但成像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)靈敏度(du)可(ke)(ke)(ke)提高(gao)9倍。

動態范圍表示(shi)在(zai)一個圖像(xiang)中最(zui)亮(liang)(liang)與最(zui)暗的比(bi)值(zhi)。12bit表示(shi)從(cong)最(zui)暗到最(zui)亮(liang)(liang)等分為212＝4096個級別(bie)(bie)，16bit即分為216個級別(bie)(bie)，可(ke)見bit值(zhi)越(yue)(yue)高能(neng)(neng)分出的細(xi)微差別(bie)(bie)越(yue)(yue)大，一般CMOS成像(xiang)系統(tong)動態范圍具有8-10bit, CCD以(yi)10-12bit為主(zhu)，少(shao)部分可(ke)達16bit。對(dui)動態范圍進(jin)行量(liang)化需要一個運算公式，即動態范圍值(zhi) = 20 log (well depth/read noise)，動態范圍的值(zhi)越(yue)(yue)高成像(xiang)系統(tong)的性能(neng)(neng)就越(yue)(yue)好。

量子效(xiao)率(lv)也(ye)稱像素靈敏度，指在一定的曝光量下(xia),像素勢(shi)阱中(zhong)所積(ji)(ji)累(lei)的電荷數(shu)與入(ru)射到像素表面上的光子數(shu)之比(bi)。不同(tong)結構的CCD其(qi)量子效(xiao)率(lv)差異(yi)很大。比(bi)如100光子中(zhong)積(ji)(ji)累(lei)到像素勢(shi)阱中(zhong)的電荷數(shu)是50個(ge)，則量子效(xiao)率(lv)為50％（100 photons = 50 electrons means 50% efficiency）。值得注意的是CCD 的量子效(xiao)率(lv)與入(ru)射光的波長有關。

對顯微(wei)(wei)數(shu)碼(ma)成(cheng)像系(xi)統的(de)(de)(de)(de)參數(shu)有(you)了整(zheng)體認(ren)識后，在實際(ji)應用中選擇合適型號的(de)(de)(de)(de)產(chan)品就比較容(rong)易了。高分辨率(lv)顯微(wei)(wei)數(shu)碼(ma)成(cheng)像技術在國外已(yi)有(you)二十來年的(de)(de)(de)(de)發(fa)展歷史(shi)，產(chan)品目前已(yi)比較成(cheng)熟。國外的(de)(de)(de)(de)專業數(shu)碼(ma)產(chan)品有(you)多個品牌，比較著名的(de)(de)(de)(de)有(you)德國的(de)(de)(de)(de)ProgRes，美國Roper Scientific的(de)(de)(de)(de)系(xi)列(lie)產(chan)品，另(ling)外OLYMPUS、NIKON、LEICA、ZEISS等顯微(wei)(wei)鏡(jing)廠(chang)家也有(you)一些配(pei)套的(de)(de)(de)(de)專業數(shu)碼(ma)成(cheng)像系(xi)統 。其中CCD成(cheng)像系(xi)統主要采用SONY及KODRA公司的(de)(de)(de)(de)芯片，因此相關(guan)產(chan)品性能差別(bie)不是很大。

國內(nei)(nei)專(zhuan)業數(shu)碼成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)產(chan)品(pin)的(de)(de)設計制造時間(jian)還(huan)(huan)不長，但(dan)隨著配套(tao)技(ji)術的(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)熟，100萬像(xiang)(xiang)素(su)(su)(su)以(yi)上的(de)(de)CCD/CMOS專(zhuan)業數(shu)碼成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)產(chan)品(pin)開始陸(lu)續(xu)推(tui)出(chu)，主要(yao)的(de)(de)專(zhuan)業廠家(jia)有(you)北京的(de)(de)大恒、微(wei)(wei)(wei)視、杭州(zhou)歐普林，廣州(zhou)明(ming)美(mei)(mei)等(deng)企業。北京大恒早期主要(yao)研發生產(chan)圖像(xiang)(xiang)采集(ji)卡，目前可(ke)以(yi)量產(chan)140萬像(xiang)(xiang)素(su)(su)(su)的(de)(de)CCD攝像(xiang)(xiang)頭(tou)，130萬/200萬/320萬/500萬像(xiang)(xiang)素(su)(su)(su)CMOS攝像(xiang)(xiang)頭(tou)，主要(yao)用到工業領域。廣州(zhou)明(ming)美(mei)(mei)是國內(nei)(nei)少數(shu)專(zhuan)業從事顯(xian)微(wei)(wei)(wei)數(shu)碼成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)產(chan)品(pin)研發與銷(xiao)售的(de)(de)高新技(ji)術企業，由于具(ju)有(you)雄厚(hou)的(de)(de)顯(xian)微(wei)(wei)(wei)鏡技(ji)術背(bei)景(jing)，明(ming)美(mei)(mei)推(tui)出(chu)的(de)(de)130萬-900萬系列CMOS專(zhuan)業成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)系統(tong)，1/2\ 2/3 寸140萬像(xiang)(xiang)素(su)(su)(su)、300萬像(xiang)(xiang)素(su)(su)(su)的(de)(de)CCD顯(xian)微(wei)(wei)(wei)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)系統(tong)，都專(zhuan)門針對顯(xian)微(wei)(wei)(wei)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)的(de)(de)特點,對底(di)層驅動軟件進行了修(xiu)正(zheng)，使之顯(xian)微(wei)(wei)(wei)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)操作更(geng)方(fang)便(bian)，色彩還(huan)(huan)原(yuan)更(geng)真實(shi)，清晰度更(geng)高。

顯(xian)微(wei)數碼成像系(xi)統一般都(dou)(dou)是(shi)在(zai)電腦上預(yu)覽與保存，因此需要配(pei)套的(de)相(xiang)應的(de)圖(tu)像采集及處理軟件(jian)(jian)，這方面國內由于(yu)知識產(chan)權保護等原因，很(hen)多公司對軟件(jian)(jian)的(de)開發(fa)重視程度不夠，認為硬件(jian)(jian)開發(fa)出來就(jiu)萬事大吉了(le)(le)(le)，結果很(hen)多國產(chan)的(de)成像系(xi)統的(de)控(kong)制調節不方便，功能有限，需要專業的(de)操(cao)作人員才能得到好的(de)圖(tu)象，影響(xiang)了(le)(le)(le)市場(chang)的(de)普(pu)(pu)及推(tui)廣，不過最近兩年這種(zhong)情(qing)況有了(le)(le)(le)明(ming)顯(xian)的(de)改進，明(ming)美光電，歐普(pu)(pu)林科技(ji)等公司都(dou)(dou)推(tui)出了(le)(le)(le)配(pei)套的(de)功能豐富的(de)軟件(jian)(jian)系(xi)統。

2009年中，明美推出了采用SONY芯片的500萬像素冷CC D顯微成像系統MC50，其相關技術指標達到了Roper Scientific公司MP5.0的標準，實際拍攝效果與進口產品相比也毫不遜色，操作人性，最重要的是，MC50的價格只有國外同類產品的一半左右，這樣會大大推動顯微成像系統的應用與普及，真正打破了國外廠家在專業數碼成像領域的壟斷。
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