Устройство цифрового фотоаппарата: Камера фотографическая — это… Что такое Камера фотографическая?

Цифровая фотокамера — это… Что такое Цифровая фотокамера?

Цифровой фотоаппарат — устройство, являющееся разновидностью фотоаппарата, в котором светочувствительным материалом является матрица или несколько матриц, состоящая из отдельных пикселей, сигнал с которых представляется, обрабатывается и хранится в самом аппарате в цифровом виде.

Fujifilm FinePix S9000

Несмотря на функциональное сходство, цифровые видеоустройства самого разного назначения, такие как камеры видеонаблюдения и веб-камеры, фотоаппаратами обычно не называются, если не позволяют сохранить снимки в самом устройстве или на вставленном в устройство носителе информации.

Классификация

В ряде случаев современная видеозаписывающая аппаратура имеет функции получения статических снимков, а значительная доля устройств, называемых цифровыми фотоаппаратами, умеет осуществлять запись видеоизображения и звука и выводить видеосигнал в телевизионном формате.

Поэтому граница между видео- и фотооборудованием в цифровую эпоху в достаточной степени условна и определяется скорее тем, какие задачи ставит оператор, нежели тем, какова функциональная «начинка» камеры.

Цифровые фотоаппараты можно поделить на несколько классов:

• Фотоаппараты со встроенной оптикой:
  • Компактные ( «мыльница» традиционных размеров). Характеризуются малыми размерами и весом. Малый физический размер матрицы означает низкую чувствительность или высокий уровень шумов. Также этот тип камер обычно отличает отсутствие или недостаточная гибкость ручных настроек экспозиции.
  • Сверхкомпактные, миниатюрные. Отличаются не только размерами, но часто и отсутствием видоискателя и экрана.
  • Встроенные в другие устройства. Отличаются отсутствием собственных органов управления.
  • Псевдозеркальные — внешним видом напоминают зеркальную камеру, а также, как правило, помимо цифрового дисплея, оснащены видоискателем-глазком. Изображение в видоискателе такого аппарата формируется на отдельном цифровом экране, или на поворачивающемся основном экране.
    Как правило, имеют резьбу на объективе для присоединения насадок и светофильтров (пример — Konica Minolta серия моделей Z).
  • Полузеркалка — жаргонный термин, описывающий класс аппаратов, в которых имеется наводка по матовому стеклу через съёмочный объектив, однако нет возможности объектив менять. В таких аппаратах оптическая схема содержит светоделительную призму, которая направляет от 10 до 50 % светового потока на матовое стекло, а остальное передается на матрицу. (примеры — Olympus E-10, E-20)
• Камеры со сменной оптикой:

История

Устройство цифрового фотоаппарата

Светочувствительная матрица

Извлечение Canon Powershot A95

Практически все цифровые фотоаппараты используют флэш-память, но есть также фотоаппараты, где используются оптические диски или дискеты в качестве носителя информации. Ряд фотоаппаратов имеют небольшой объем встроенной флеш-памяти, которой хватает для 2-30 снимков.

Самые распространенные на сегодняшний день (2008) форматы:

Устаревшие носители информации:

Объём флеш-карт варьируется в (на середину 2008 г) от 512 МБ до 64 ГБ.

Миниатюрная цифровая камера SiPix рядом со спичечной коробкой

Термин «полупрофессиональный цифровой фотоаппарат» («просьюмер» или «просьюмерка» — калька с англ. prosumer от англ. professional и англ. consumer) обычно употребляется по отношению к псевдозеркальным аппаратам, полузеркалкам и ультразумам, но не является содержательным с технической и потребительской точки зрения.

Термином «профессиональные» обычно называют зеркальные или дальномерные фотоаппараты с кроп-фактором не менее K

f=1,6 и обладающим рядом других отличительных особенностей.

Термин «Камера начального уровня» употребляется по отношению к относительно дешёвым моделям какой-либо серии фотоаппаратов, в какой-либо степени урезанным в функциях.

Термин «Ультразум», как правило, означает «мыльницу» с высокократным зум-объективом. Однако с течением времени кратность объектива, с которой начинается «ультра-», меняется. Так, например, называли 8x зумы при сравнении с 6x.

Вообще, многие пользователи не догадываются, что такое «Зум», считая «чем больше — тем лучше», а между тем это — всего лишь отношение максимального к минимальному фокусных расстояний объектива. И сравнивать фотоаппараты нужно как раз по фокусному расстоянию, от которого зависит «угол обзора» — то есть что войдёт в кадр.

Цифровой зум, Цифровое увеличение, Апсамплинг (англ. Upsampling — буквально, повышение детализации) — функция многих цифровых аппаратов, при использовании которой выбирается центральная часть снимка и увеличивается до размеров стандартного в данном аппарате кадра. Реальное число деталей при этом не увеличивается, и практический смысл в этой функции отсутствует. Однако, величина «цифрового зума» используется, особенно будучи перемноженной с величиной оптического зума (при этом возникают такие крупные значения зума, как 400x или 500x), как важный для покупателя параметр «крутости» камеры.

Опытный фотограф использует программы редактирования изображений для получения аналогичного результата, но с гораздо более контролируемым качеством.

Однако «цифровой зум» оказывается полезен при видеосъёмке, если требуется высокая оперативность получения результата и нет времени на обработку изображения.

Мегапиксель — в мегапикселях измеряется одна из важных характеристик цифрового фотоаппарата — разрешение матрицы. Маркетинг, однако, преувеличивает его значение, и «прогресс» в области цифровых фотоаппаратов в сознании покупателя связан с ростом числа мегапикселей.

Примечания

1. ↑ Практически все аппараты, использующие SD карты, могут использовать и MMC карты.

См. также

Wikimedia Foundation. 2010.

Устройство цифрового фотоаппарата

Знать устройство фотоаппарата нужно при выборе, если придется учитывать характеристики аппаратов с одинаковым набором компонентов. Да и просто знание устройства всегда пригодится для нормальной эксплуатации фотоаппарата. Устройство пленочных и цифровых фотокамер различается, как видно из названия, применяемым фотоэлементом: пленки или цифровой матрицы.

Так как мы рассматриваем цифровые камеры, то рассмотрим различие именно этих моделей. А цифровые фотоаппараты по устройству разделяются на три большие группы: зеркальные, беззеркальные и компактные.

Зеркальные фотокамеры лучше по характеристикам и, соответственно, больше стоят. Их основное отличие в конструкции состоит в том, что в них применяется зеркало в устройстве видоискателя и это повышает характеристики самого фотоаппарата. А за этим и другие компоненты в зеркальных камерах применяются с высокими техническими характеристиками, к тому же в них возможна смена объектива, что резко увеличивает возможности зеркальных фотокамер. Поэтому, в общем, качество зеркалок выше, чем компактов.

Устройство зеркальной камеры

Сравнимы по качеству получаемых снимков с зеркалками новый вид камер, которые называются беззеркальные. Они так же имеют сменные объективы, но не имеют в конструкции зеркала. Этим и отличаются от зеркальных фотоаппаратов. Именно применение сменных объективов и разных по размеру матриц позволяет беззеркалкам конкурировать с зеркальными камерами.

Более подробно о принципе работы цифрового фотоаппарата можно прочитать в статье: как работает фотокамера

Остальные компоненты одинаковы в этих фотоаппаратах и отличаются только характеристиками, и рассматриваются они более подробно в своих разделах:

Как это работает

Картинка кликабельна. Для просмотра изображения в крупном размере кликните мышкой и оно откроется в новом окне. Там Вы более подробно сможете рассмотреть устройство фотоаппарата.

На видео ниже вы сможете увидеть устройство и принцип действия фотоаппарата:

НОУ ИНТУИТ | Лекция | Устройство цифрового фотоаппарата

Аннотация: Современный цифровой фотоаппарат — сложное электронное устройство, объединяющее в одном конструктиве множество технологий. Разобраться в них — значит, понять принцип работы самой камеры. Что в конечном результате позволит в полной мере освоить съемочную технику.

Цель лекции — рассказать об устройстве и принципе действия основных узлов цифрового фотоаппарата.

Конструкция цифрового фотоаппарата во многом повторяет конструкцию пленочной камеры. Фотоаппараты для узкой 35-мм пленки в зависимости от устройства видоискателя подразделяются на

шкальные камеры с установкой резкости по шкале, нанесенной на фокусировочное кольцо объектива, на дальномерные камеры, в которых объектив наводится на фокус при помощи оптического дальномера, и на зеркальные фотоаппараты, в которых фокусировка объектива производится по изображению на матовом стекле, встроенном в оборачивающую пентапризму.

По типу основного объектива пленочные фотоаппараты подразделяются на камеры со сменным объективом и на фотоаппараты с жестковстроенным объективом.

В настоящее время шкальные и отчасти дальномерные фотоаппараты не производятся — если не принимать во внимание дорогие механические дальномерные камеры, производимые для профессиональных применений компаниями Leica и Cosina (в модельном ряду камер компании Cosina есть один шкальный фотоаппарат Voigtlander Bessa-L). Место шкальных и дальномерных фотоаппаратов занято компактными камерами с автоматической фокусировкой (теми самыми «мыльницами») и зеркальными фотоаппаратами любительского класса.

Рис. 5.1. Пленочный шкальный фотоаппарат Voigtlander Bessa-L

Цифровые фотоаппараты в целом соответствуют устоявшейся классификации пленочных камер. Правда, есть и отличия — наряду с «настоящими» зеркальными фотоаппаратами встречаются и камеры «псевдозеркальные», не имеющие аналогов среди пленочной аппаратуры. В «псевдозеркальных» цифровых фотоаппаратах функцию подъемного зеркала выполняет расщепляющая световой поток призма, расположенная между объективом и светочувствительным сенсором.

Призма обладает свойством полупрозрачности. Часть светового потока используется в подобных камерах для построения изображения на матовой поверхности оборачивающей пентапризмы, часть — для экспонирования сенсора. В результате страдает светочувствительность сенсоров «псевдозеркальных» фотоаппаратов (оптические потери приходится компенсировать электронным способом), но упрощается конструкция камеры, уменьшается стоимость и одновременно повышается надежность, поскольку нет механического узла подъема зеркала. Пример подобной «псевдозеркальной» камеры выпускавшийся несколько лет назад фотоаппарат Hewlett-Packard PhotoSmart C912, сконструированный совместно с компанией Asahi Optical, выпускающей фототехнику марки Pentax.

Рис. 5.2. Цифровой фотоаппарат Hewlett-Packard PhotoSmart C912

С другой стороны, среди цифровых фотоаппаратов есть камеры, напрочь лишенные оптического видоискателя. Вместо телескопического или зеркального видоискателя в них используется встроенный контрольный дисплей, выполняющий функции матового стекла, по которому можно судить о компоновке кадра и наводке на резкость. Еще необычней устроены видоискатели дорогих фотоаппаратов просьюмерского класса (то есть предназначенных для требовательных фотолюбителей), вроде той же камеры Sony DSC-R1. В эти фотоаппараты помимо большого контрольного дисплея встроен цветной дисплей очень небольшого размера, который выполняет функции окуляра телескопического видоискателя. То есть кадрирование и проверка наводки объектива на фокус осуществляется по небольшому, размером с почтовую марку, дисплею, который рассматривают через увеличительную линзу, приближая окуляр видоискателя к глазу.

Устройство цифрового фотоаппарата. Фотовспышка. | ДРУГ ФОТОАППАРАТ

Описывая устройство цифровых фотоаппаратов, следует еще поговорить о фотовспышках, которыми сейчас оснащены практически все цифровые фотоаппараты, даже простейшие «мыльницы».

Фотовспышка — это осветительное устройство, предназначенное для дополнительного освещения объекта съемки, когда имеющегося света недостаточно для получения удовлетворительного качества изображения.

Фотографы всегда, даже с самого зарождения фотографии хотели иметь мобильный источник освещения, который бы позволял снимать при любых условиях освещения. Первые такие источники представляли из себя специальную площадку с рефлектором, на которой сгорал порошок магния, смешанный с порошкообразным окислителем (окислителем обычно служила селитра). Площадка крепилась к специальной ручке, которую фотограф держал в руке. Поджиг порошка осуществлялся аналогично поджиганию зажигалки.

В дальнейшем в стеклянный баллон, заполненный кислородом, помещали магниевую или циркониевую фольгу. При этом искра для поджига создавалась от электрической батареи или капсюля.

Современные фотовспышки могут быть как отдельным осветительным прибором, который крепится на корпусе фотоаппарата, так и встроенным, интегрированным в фотоаппарат.

Большинство фотоаппаратов в настоящее время имеют встроенные фотовспышки, даже фотоаппараты мобильных телефонов.

Фотовспышки имеют разную мощность и, соответственно разную яркость освещения. Этим определяется предельное расстояние до объекта съемки, на котором еще можно с помощью фотовспышки получить нормальное качество изображения.

Удивление вызывают люди, снимающие с применением фотовспышки на больших стадионах или концертных площадках при значительном удалении от снимаемых объектов. Вспышка при этом совершенно бесполезна!

Импульсная лампа-вспышка, являющаяся основным элементом фотовспышки, представляет из себя запаянную стеклянную трубку, заполненную инертным газом, часто ксеноном. Ниже показана импульсная лампа-вспышка ИС-50, являющаяся основным элементом фотовспышки.

В концы трубки впаяны два электрода. При подаче на них напряжения в трубке возникает электрический разряд, в результате которого газ в трубке ионизируется и светится. Напряжение на трубку подается от источника напряжения, которым является заряженный конденсатор. Конденсатор в свою очередь заряжается от источника питания (батареек или аккумуляторов). При подаче на схему питания вспышки ( на поджигающий электрод ) синхронизирующего импульса конденсатор разряжается на трубку вспышки см. рис.1.

Рис.1. Схематичное изображение лампы-вспышки.

Мощность фотовспышки определяется емкостью конденсатора и свойствами самой лампы-вспышки. Емкостью конденсатора определяется длительность свечения вспышки и временной интервал между отдельными световыми вспышками, необходимый для заряда конденсатора.

Длительность светового импульса лампы-вспышки колеблется от 1/400 сек до 1/10000 сек. Число вспышек при одном источнике питания (батарее) зависит от мощности лампы и емкости источника питания.

Момент срабатывания лампы вспышки должен быть точно синхронизован с работой фотозатвора, т. к. лампа вспыхивает в момент полного открытия затвора. Например для шторных фотозатворов старых фотоаппаратов, срабатывание фотовспышки происходило только при выдержке 1/30 сек. При этой выдержке затвор открывается полностью. А момент полного открытия затвора является моментом срабатывания лампы-вспышки и он определяется специальным синхронизирующим устройством и наличием синхроконтакта. Синхронизирующий импульс подается на поджигающий электрод (см. рис.1).

Основной характеристикой фотовспышки является энергия вспышки, которая выражается в джоулях (вт•сек). На отдельно выпускаемые фотовспышки ее энергия вспышки указывается в паспорте, для фотоаппаратов сейчас эта характеристика обычно не указывается, но в паспорте должно быть указано предельное количество срабатываний фотовспышки с имеющимся источником питания.

Энергией вспышки определяется т. н.  ведущее число фотовспышки — произведение значения диафрагмы объектива, необходимой для нормального качества изображения, на расстояние от лампы до объекта съемки. Ведущее число зависит от чувствительности фотоприемника (матрицы фотоаппарата). Ведущее число указывается в паспорте на фотовспышку, если она выпускается отдельно от фотоаппарата. Это число определяет величину диафрагмы объектива фотоаппарата в зависимости от расстояния до объекта съемки.

Цветовая температура лампы-вспышки 5500°К, что соответствует примерно дневному свету, поэтому на цветном фотоматериале (матрице) создается нормальная цветопередача.

Применение фотовспышки порой необходимо, без нее трудно обойтись при съемке в помещении. Но она обладает и рядом недостатков. Изображение, получаемое при съемке с фотовспышкой менее объемно, т. к. освещается прямым лобовым освещением, невыгодным для получения объемного светотеневого рисунка. На изображении, например, лица появляются яркие блики, что портит впечатление от изображаемого. Часто при съемке с применением фотовспышки фотоаппарат запечатлевает моменты мимики лица не совсем приятные — полуоткрытые глаза или рот. В данном случае выдержка снимка определяется не выдержкой фотоаппарата, а длительностью световой вспышки, которая достаточно короткая и запечатлевает те моменты, которые мы обычно не замечаем.

Кроме того расположение лампы-вспышки в корпусе фотоаппарата близко от оси фотообъектива (особенно в фотоаппаратах- «мыльницах») сказывается на появлении эффекта красных глаз.

Этот эффект вызывается тем, что свет от вспышки, направленный прямо в лицо снимаемого человека, отражается от сетчатки глаз. Причем отражение это происходит в момент, когда зрачки расширены, т. к. съемка часто производится в темном помещении. Продвинутые фотоаппараты имеют режим фотовспышки для снижения эффекта красных глаз. Он заключается в том, что предварительно срабатывает вспышка без фотографирования, она приводит к сокращению зрачка, а затем уже срабатывает основная вспышка. Это естественно ведет к дополнительному расходу энергии.

Советский фотоаппарат со вспышкой.

 Советские пленочные фотоаппараты имели фотовспышки как дополнительные внешние устройства. На снимке показана советская фотовспышка “Чайка”    (круглая) устанавливалась на фотоаппарат, могла сниматься, ее можно было держать в руке. Я сам много лет пользовался такой вспышкой. И при этом “эффекта красных глаз” никогда не наблюдалось! Как видно на снимке вспышка отнесена от объектива достаточно далеко. А когда снимаешь, держа вспышку в руке, сбоку, то и светотеневой рисунок изображения получается гораздо лучше.

Современные фотовспышки, выпускаемые как дополнительные аксессуары к фотоаппаратам обладают различными функциями, позволяющими автоматизировать процесс съемки.

 В следующей публикации будут рассмотрены типы фотовспышек и их характеристики.

Поделиться в соц. сетях

Об авторе

Я живу в г Новосибирске. Образование высшее — НГТУ, физикотехнический факультет. В настоящее время на пенсии. Семья: жена, две дочери, две внучки. Работал в последнее время в электронной промышленности в ОКБ по разработке и производству приборов ночного видения. Люблю музыку- классику, джаз, оперу, балет. Главное увлечение — любительская фотография.

Скачать драйверы для цифровых фотоаппаратов

для Windows 10, 8. 1, 7, Vista, XP

Главная & nbsp & nbsp »& nbsp & nbspЦифровая камера

Воспользуйтесь ссылками на этой странице, чтобы загрузить последнюю версию драйверов для цифровых камер. Все драйверы, доступные для загрузки, проверены антивирусной программой. Выберите версию, соответствующую операционной системе вашего компьютера, и нажмите кнопку загрузки.

Информация о системе

Ваша машина в настоящее время работает: Windows (обнаружение)

Скачать драйверы для цифровых фотоаппаратов

---

• Описание : Сканировать вашу систему на наличие устаревших или отсутствующих драйверов
• Версия файла : 8.5
• Размер файла : 2.33M
• Поддерживаемые ОС : Windows 10, Windows 8.1, Windows 7, Windows Vista, Windows XP

---

• Версия драйвера : 1.03.00.00
• Дата выпуска : 21.04.2012
• Размер файла : 34. 29M
• Поддерживаемая ОС : Windows 10 32 бит, Windows 8.1 32 бит, Windows 7 32 бит, Windows Vista 32 бит, Windows XP 32 бит

Пожалуйста, введите проверочный код, затем нажмите кнопку загрузки.

---

• Версия драйвера : 1.1.0.0
• Дата выпуска : 27.02.2012
• Размер файла : 8,8M
• Поддерживаемая ОС : Windows 10 32 и 64 бит, Windows 8.1 32 и 64 бит, Windows 7 32 и 64 бит, Windows Vista 32 и 64 бит, Windows XP

Пожалуйста, введите проверочный код, затем нажмите кнопку загрузки.

---

• Версия драйвера : 6.3.9600.16384
• Дата выпуска : 2006-06-21
• Размер файла : 87.56K
• Поддерживаемая ОС : Windows 8.1 32bit

Пожалуйста, введите проверочный код, затем нажмите кнопку загрузки.

---

• Версия драйвера : 6. 1.7600.16385
• Дата выпуска : 2006-06-21
• Размер файла : 551.32 К
• Поддерживаемая ОС : Windows 7 32bit

Пожалуйста, введите проверочный код, затем нажмите кнопку загрузки.

---

• Версия драйвера : 6.2.9200.16664
• Дата выпуска : 2006-06-21
• Размер файла : 99.53K
• Поддерживаемая ОС : Windows 8 64bit

Пожалуйста, введите проверочный код, затем нажмите кнопку загрузки.

---

цифровых устройств 2 — KnowItAllNinja

Как мы рассмотрели в предыдущем уроке, цифровое устройство — это физическое оборудование, которое использует цифровые данные, например, для их отправки, получения, хранения или обработки. Мы видели ряд устройств, многие из которых обладали множеством возможностей, например, просматривать веб-страницы, играть в игры и писать отчеты.

Однако существует множество специализированных цифровых устройств, которые выполняют одну или небольшое количество конкретных задач.Мы видели одну из них, систему навигации.

В этом уроке мы рассмотрим функции и использование еще четырех из этих цифровых устройств:

1. Многофункциональные устройства
2. Цифровые фотоаппараты
3. Системы сбора и сбора данных
4. Устройства и системы связи

1. Многофункциональные устройства

Многофункциональное устройство, иногда называемое МФД, — это устройство, способное выполнять более одной конкретной функции.Мы также часто называем их многофункциональными периферийными устройствами.

Типичным примером этого является периферийное устройство, которое может выполнять как ввод, так и вывод. Однако это не исключение. Принтер / факс — это многофункциональное устройство, хотя на него выводятся обе функции.

Фактически, многофункциональные принтеры часто сочетают в себе несколько функций, таких как печать, сканирование, отправка факсов и ксерокопирование.

Примеры многофункциональных устройств: многофункциональные принтеры, сенсорные экраны и игровые контроллеры с обратной связью по усилию.

использует

Многофункциональный принтер — это устройство, которое обычно объединяет функции печати, сканирования и отправки факсов в одном устройстве. Они особенно популярны для использования в домашних офисах для людей, которые работают из дома и не имеют места или денег для трех отдельных устройств.

Сенсорные экраны используются на планшетных устройствах, чтобы пользователи могли вводить данные без отдельной клавиатуры или мыши. На экране, который видит пользователь, он также вводит данные, касаясь объектов на экране или используя экранную клавиатуру.

Игровые контроллеры

с силовой обратной связью используются на игровых консолях, чтобы вы могли управлять игрой и получать выходной сигнал вибрации. Выходной сигнал вибрации обычно предназначен для улучшения впечатления от игры, такого как грохот в автомобильной игре, когда вы сбиваетесь с пути, или файтинг, когда вас ударили.

Дальнейшие размышления

Какие еще устройства вы можете придумать, которые могут выполнять как ввод, так и вывод?

2. Цифровые фотоаппараты

Это устройство, способное снимать фото и видео и записывать их в виде цифровых данных.

Он делает это с помощью сетки фотосенсоров, которые преобразуют свет в цифровые пиксели, которые наш компьютер может хранить, обычно на карте памяти. Когда мы говорим о камере, имеющей определенное количество «мегапикселей» (миллионов пикселей), это относится к количеству отдельных цветных пикселей, которые используются для записи изображения.

Чем больше мегапикселей использует камера для записи изображения, тем выше качество изображения. 20 мегапикселей — относительно обычное дело в современных цифровых камерах.

Большинство цифровых фотоаппаратов содержат встроенный слот для карт памяти для хранения цифровых изображений и видео непосредственно на цифровой камере.Поскольку карта памяти является съемной, она позволяет переносить их на другое устройство, например на ноутбук, чтобы их можно было сохранить на компьютере и отобразить на экране.

Примеры цифровых фотоаппаратов: цифровые фотоаппараты и цифровые видеокамеры.

использует

Одно из применений цифровых фотоаппаратов — дать нам возможность делиться ими с помощью компьютера. Мы часто загружаем изображения и видео в наши профили в социальных сетях, например в Facebook или Instagram, чтобы поделиться ими с семьей и друзьями.Мы также можем отправлять их другим по электронной почте в качестве вложений.

Мы также используем их, поскольку можем редактировать цифровые изображения и видео на нашем компьютере с помощью программного обеспечения для редактирования фото и видео. Вы часто слышали термин «фотошопинг» изображения, который относится к использованию программы под названием Photoshop, которую мы можем использовать для удаления пятен или внесения еще более серьезных изменений в фотографию.

Дальнейшие размышления

Можете ли вы придумать другие способы использования цифровых видео или фотографий? Что, если вы хотите показать их дома?

3. Системы сбора и сбора данных

Системы сбора и сбора данных вводят и хранят данные с помощью методов, отличных от прямого ввода данных (например, набора текста на клавиатуре). Скорее, данные вводятся в результате связанной деятельности.

Это позволяет вводить данные в компьютерную систему непосредственно на этапе сбора данных и значительно сокращает количество ошибок, связанных с человеческим фактором, которые возникают при ручном вводе данных.

Примеры систем сбора и ввода данных включают сканеры штрих-кода, оптические считыватели меток (OMR) и считыватели символов с помощью магнитных чернил (MICR).

использует

Эти устройства часто используются в кассах EPOS в таких магазинах, как супермаркеты.

Сканеры штрих-кода захватывают данные, считывая ширину темных и светлых полос. Мы используем эти элементы ввода, считывая штрих-код, который мы находим на обратной стороне большинства продуктов. Когда штрих-код считывается, он сопоставляет его с базой данных продуктов на компьютере и возвращает такие вещи, как цена продукта.

OMR используется в магазинах для ввода лотерейных билетов.Предварительно напечатанные формы, такие как лотерейные билеты, разработаны таким образом, что, когда на них ставятся отметки, устройство OMR может определять, какие числа вы выбрали в месте расположения отметок в форме.

MICR используется для проверки подлинности проверок. Для написания кода на дне чека используются специальные намагниченные чернила. Устройство MICR считывает магнитное поле символов, чтобы прочитать код, чтобы убедиться, что это законная проверка.

Очевидно, что эти типы устройств полезны только по очень специфическим причинам.Они недостаточно гибки для общего использования, которое мы хотим использовать дома или даже на большинстве рабочих мест.

Дальнейшие размышления

Где вы можете увидеть сканеры штрих-кода, OMR или MICR, кроме магазина, такого как супермаркет?

4. Устройства и системы связи

Устройство, которое используется для перемещения данных между двумя другими устройствами, например двумя компьютерами.

Для всех наших вычислительных систем стало практически необходимым иметь возможность связываться друг с другом, например, через Интернет или другие небольшие сети.

Коммуникационные устройства позволяют передавать данные между устройствами по сети различными способами. Иногда по проводному кабелю, иногда по беспроводной сети.

Примеры устройств связи: сетевые карты (NIC), беспроводные ключи и маршрутизаторы.

использует

Все эти устройства используются для передачи данных по сети, обычно через Интернет, но они также используются в других типах сетей, таких как локальная сеть (LAN).

Карты сетевого интерфейса

, например, позволяют передавать данные на компьютер, подключенный к сети, и с него, подключив кабель Ethernet. Мы обычно используем их с настольными персональными компьютерами.

Беспроводные ключи

позволяют передавать данные на маршрутизатор по беспроводной сети как часть локальной сети или подключаться к мобильной широкополосной сети. Мы обычно используем их с ноутбуками. Wi-Fi и даже широкополосное мобильное соединение часто интегрируются непосредственно в мобильные устройства, такие как смартфоны и планшеты.

Маршрутизатор направляет данные в правильное место назначения по большой сети. Везде, где встречаются две сети, требуется маршрутизатор, который направляет данные в нужном направлении по следующей сети, чтобы достичь места назначения. Вероятно, вы используете дома маршрутизатор, чтобы несколько разных устройств в вашем доме могли подключаться к одному и тому же интернет-соединению.

Дальнейшие размышления

Можно ли использовать карты сетевого интерфейса только для проводной передачи данных? Вам нужен ключ Wi-Fi для использования беспроводной сети?

Краткое содержание урока

Итак, подведем итог тому, что мы узнали в этом уроке:

• Многофункциональные устройства могут выполнять более одной функции, например ввод и вывод.Они используются по разным причинам, например, для сенсорных экранов, которые позволяют вводить данные без отдельной клавиатуры, и игровых контроллеров с принудительной обратной связью, которые позволяют управлять игрой, получая на выходе вибрацию.
• Цифровые камеры используются для фото- и видеосъемки и хранения их в виде цифровых данных. Затем его можно использовать для обмена фотографиями и видео в Интернете или для редактирования их с помощью программного обеспечения для редактирования фотографий или видео.
• Системы сбора и сбора данных вводят и хранят данные с помощью других методов, кроме прямого ввода данных.Они обычно используются в магазинах при кассе EPOS, например, в сканерах штрих-кода для ввода товаров.
• Коммуникационные устройства и системы перемещают данные между двумя другими устройствами, например двумя компьютерами. Мы используем их для работы в сети, в том числе для отправки и получения данных через Интернет.

Введение в устройства с зарядовой связью (ПЗС)

Цифровые фотоаппараты, включающие различные устройства с зарядовой связью ( CCD ) конфигурации детекторов, на сегодняшний день являются наиболее распространенными технология, применяемая в современной оптической микроскопии. До не давнего времени, специализированные обычные пленочные камеры обычно использовались для записи изображения, наблюдаемые в микроскоп. Этот традиционный метод, опирающийся на фотонная чувствительность фотографической пленки на основе серебра, включает временное хранение скрытого изображения в виде фотохимических участки реакции на экспонированной пленке, которые становятся видимыми только в пленочные эмульсионные слои после химической обработки (проявки).

Рисунок 1 — Системы цифровых ПЗС-камер для оптической микроскопии

Цифровые фотоаппараты заменяют сенсибилизированную пленку на фотон ПЗС детектор, тонкая кремниевая пластина, разделенная на геометрически правильные массив из тысяч или миллионов светочувствительных областей, которые захватывают и хранить информацию об изображении в виде локализованного электрического заряда это зависит от интенсивности падающего света.Электронная переменная сигнал, связанный с каждым элементом изображения (пикселем) детектора, равен считываются очень быстро как значение интенсивности для соответствующего изображения местоположение, и после оцифровки значений изображение может быть реконструируется и отображается на мониторе компьютера виртуально мгновенно.

Несколько систем цифровых камер, разработанных специально для оптических микроскопии проиллюстрированы на Рис. 1 . Nikon Digital Eclipse DXM1200 обеспечивает высокое качество фотореалистичных цифровых изображений на разрешение до 12 миллионов пикселей с низким уровнем шума, превосходной цветопередачей цветопередача и высокая чувствительность.Камера управляется программным обеспечением что дает микроскописту большую свободу при сборе, систематизация и исправление цифровых изображений. Мониторинг цветов в реальном времени на поддержка экрана компьютера с частотой 12 кадров в секунду позволяет легко фокусировка изображений, которые могут быть сохранены в трех форматах: JPG , TIF и BMP для большей универсальности.

Цифровой прицел DS-5M-L1 (, рис. 1, ) принадлежит компании Nikon. инновационная система цифровой визуализации для микроскопии, которая подчеркивает простота и эффективность концепции «все в одном», включающей встроенный ЖК-монитор в автономном блоке управления.Система оптимизирует захват изображений с высоким разрешением до 5 мегапикселей через простые меню и предварительно запрограммированные режимы визуализации для различных методы наблюдения. Автономная конструкция предлагает преимущество независимая работа, включая сохранение изображений на карту CompactFlash размещен в блоке управления / контроля, но имеет универсальность возможности сети при желании. Возможно подключение к ПК через Интерфейс USB, а также в локальные сети или Интернет через Ethernet порт.Поддержка веб-браузера доступна для просмотра изображений в реальном времени и удаленного просмотра. управление камерой, а блок управления камерой поддерживает HTTP, Telnet, FTP сервер / клиент и совместим с DHCP. Иллюстрированные системы камер в Рисунок 1 представляет передовую технологию, доступную в настоящее время для цифровая обработка изображений с помощью оптического микроскопа.

Пожалуй, самое значительное преимущество цифрового изображения захват в оптической микроскопии, на примере систем камер CCD, возможность для микроскописта немедленно определить, есть ли желаемое изображение было успешно записано.Эта возможность особенно ценно, учитывая экспериментальную сложность многих визуализации ситуаций и временного характера процессов, которые обычно исследуется. Хотя детектор устройств с зарядовой связью функции в роли, эквивалентной роли пленки, он имеет ряд превосходные атрибуты для создания изображений во многих приложениях. Научного уровня Камеры CCD демонстрируют исключительный динамический диапазон, пространственное разрешение, спектральная полоса пропускания и скорость сбора данных. Учитывая высокий свет чувствительность и эффективность светосбора некоторых ПЗС-систем, пленка рейтинг скорости приблизительно 100 000 единиц ISO потребуется для производства изображения сопоставимого отношения сигнал / шум ( SNR ).Пространственный разрешение современных ПЗС-матриц такое же, как у пленки, а их разрешение интенсивности света на один-два порядка лучше чем то, что достигается пленкой или видеокамерой. Традиционная фотография пленки не проявляют чувствительности на длинах волн, превышающих 650 нанометров в в отличие от высокопроизводительных ПЗС-сенсоров, которые часто имеют квантовая эффективность в ближнюю инфракрасную область спектра. Линейный отклик ПЗС-камер в широком диапазоне интенсивности света способствует превосходной производительности и дает таким системам количественные возможности, как спектрофотометры с изображениями.

ПЗС-формирователь изображения состоит из большого количества светочувствительных элементов. расположены в виде двумерного массива на тонкой кремниевой подложке. В полупроводниковые свойства кремния позволяют чипу CCD улавливать и удерживать фотонно-индуцированные носители заряда при соответствующем электрическом смещении условия. Отдельные элементы изображения или пиксели определяются в кремниевая матрица ортогональной сеткой из узких прозрачных полоски токонесущих электродов, или затворы, , нанесенные на микросхему.Основным светочувствительным блоком ПЗС-матрицы является металлооксидный полупроводник ( MOS ). Конденсатор работал как фотодиод и накопитель. Единый MOS устройство этого типа показано на , рис. 2, , с обратным смещением. операция, вызывающая миграцию отрицательно заряженных электронов в область под положительно заряженным электродом затвора. Электроны высвободились за счет взаимодействия фотонов хранятся в обедненной области до полной лунки емкость резервуара.Когда собраны несколько детекторных структур в полную ПЗС-матрицу, отдельные чувствительные элементы в матрице разделены в одном измерении напряжениями, приложенными к поверхности электродов и электрически изолированы от своих соседей по в другом направлении с помощью изолирующих перегородок или ограничителей канала внутри кремниевой подложки.

Светочувствительные фотодиодные элементы ПЗС-матрицы реагируют на падающие фотоны, поглощая большую часть своей энергии, что приводит к высвобождению электронов, и образование соответствующих электронодефицитных узлов (дырки) внутри кристаллической решетки кремния.Одна электронно-дырочная пара генерируется каждым поглощенным фотоном, и результирующий заряд, который накапливается в каждом пикселе линейно пропорционально количеству падающие фотоны. Внешнее напряжение, приложенное к электродам каждого пикселя контролировать хранение и перемещение зарядов, накопленных в течение указанный временной интервал. Первоначально каждый пиксель в матрице датчиков функционирует как потенциальная яма для хранения заряда во время сбор, и хотя либо отрицательно заряженные электроны, либо положительно заряженные дырки могут накапливаться (в зависимости от CCD конструкции), зарядовые объекты, генерируемые падающим светом, обычно обозначается как фотоэлектроны .В этом обсуждении рассматривается электроны быть носителями заряда. Эти фотоэлектроны можно накапливаются и хранятся в течение длительного времени до того, как будут считаны из микросхема электроникой камеры как один из этапов процесса визуализации.

Генерацию изображений с помощью камеры CCD можно разделить на четыре основных стадии или функции: генерация заряда за счет взаимодействия фотона с светочувствительная область устройства, сбор и хранение высвобожденный заряд, перенос заряда и измерение заряда.В течение первая стадия, электроны и дырки генерируются в ответ на падающие фотоны в обедненной области структуры МОП-конденсатора, и освобожденные электроны мигрируют в потенциальную яму, образованную под соседний положительно смещенный электрод затвора. Система из алюминия или Электроды затвора на поверхности поликремния лежат на поверхности, но отделены от, каналы, несущие заряд, которые скрыты в слое изоляционного диоксид кремния, помещенный между структурой затвора и кремнием субстрат.Использование поликремния в качестве электродного материала обеспечивает прозрачность для падающих длин волн более примерно 400 нанометров и увеличивает долю площади поверхности устройства который доступен для светового сбора. Электроны, генерируемые в области истощения первоначально собираются в электрически положительные потенциальные ямы, связанные с каждым пикселем. Во время считывания собранный заряд впоследствии перемещается по каналам передачи под действием напряжений, приложенных к затворной конструкции. Рисунок 3 иллюстрирует структуру электрода, определяющую индивидуальный датчик ПЗС элемент.

Рисунок 2 — Металлооксидный полупроводниковый конденсатор (МОП)

В общем, накопленный заряд линейно пропорционален световому поток, падающий на пиксель датчика до емкости скважины; следовательно, эта скважинная мощность ( FWC ) определяет максимальный сигнал, который может быть обнаружен в пикселе, и является основным фактором влияющие на динамический диапазон ПЗС-матрицы.Зарядная емкость ПЗС-матрицы потенциальная яма во многом зависит от физического размера индивидуальный пиксель. С момента первого появления на рынке ПЗС-матриц обычно состоит из квадратных пикселей, собранных в прямоугольные массивы областей с соотношением сторон 4: 3 наиболее распространены. Рисунок 4 представлены типичные размеры некоторых из наиболее распространенных форматов датчиков в настоящее время, с обозначениями их размеров в дюймах в соответствии с Историческое соглашение, которое связывает размеры ПЗС-матрицы с диаметрами видиконовых трубок.

Форматы ПЗС

Прямоугольная геометрия и общие размеры ПЗС-матриц являются результатом их ранняя конкуренция с видеокамерами видикон, которые твердотельные датчики для вывода электронного сигнала, который соответствует преобладающим в то время стандартам видео. Обратите внимание, что Обозначения «дюймовые» не соответствуют напрямую ни одной из ПЗС-матриц. размеры, но представляют размер прямоугольной области, сканированной в соответствующая круглая трубка видикона. Специальная «1-дюймовая» ПЗС-матрица имеет диагональ 16 миллиметров и размер сенсора 9.6 х 12,8 миллиметров, полученных из области сканирования 1-дюймовой трубки видикона с внешний диаметр 25,4 мм и входное окно примерно 18 миллиметры в диаметре. К сожалению, эта запутанная номенклатура сохраняется, часто используется в отношении «типа» ПЗС, а не размера, и даже включает датчики, классифицируемые по комбинации дробных и десятичные числа, такие как широко распространенная 1 / 1,8-дюймовая ПЗС-матрица, промежуточные по размеру между устройствами размером 1/2 и 2/3 дюйма.

Хотя в потребительских камерах по-прежнему в основном используются прямоугольные датчики, построенные по одному из «стандартизованных» форматов размеров, становится все чаще в камерах научного класса используются квадратные матрицы датчиков, которые лучше соответствуют круговой области изображения, проецируемой в микроскоп.Производится широкий диапазон размеров сенсоров и размеры отдельных пикселей сильно различаются в конструкциях, оптимизированных для разные параметры производительности. ПЗС-матрицы стандартного формата 2/3 дюйма обычно имеют матрицы из 768 x 480 или более диодов и размеры 8,8 x 6,6 миллиметра (диагональ 11 миллиметров). Максимальный размер представленная диагональю многих сенсорных матриц значительно меньше, чем поле зрения типичного микроскопа, и приводит к сильно увеличенный вид только части полного поля зрения.В увеличенное увеличение может быть полезным в некоторых приложениях, но если уменьшенное поле зрения препятствует получению изображения, уменьшает требуются промежуточные оптические компоненты. Альтернатива — использование ПЗС большего размера, который лучше соответствует диаметру поля изображения, от 18 до 26 миллиметров в типичных конфигурациях микроскопов.

Приблизительная вместимость потенциальной ямы ПЗС может быть получается путем умножения площади диода (пикселя) на 1000. Ряд 2/3-дюймовые ПЗС потребительского класса с размером пикселей от 7 до 13 микрометрами размером от 50 000 до 100 000 электроны.Используя эту стратегию приближения, диод с 10 x 10 микрометрические размеры будут иметь полную емкость примерно 100000 электронов. Для данного размера ПЗС выбор конструкции относительно общее количество пикселей в массиве и, следовательно, их размеры, требует компромисса между пространственным разрешением и зарядом пикселей вместимость. Тенденция современных потребительских устройств к максимальному использованию пикселей количество и разрешение привели к очень маленьким размерам диодов, с некоторыми новых 2/3-дюймовых сенсоров, использующих пиксели менее 3 микрометров по размеру.

ПЗС

, разработанные для получения изображений в научных целях, традиционно используются фотодиоды большего размера, чем те, которые предназначены для потребителей (особенно видео-скорость) и промышленных приложений. Потому что скважинная мощность и динамический диапазон напрямую зависит от размера диода, ПЗС научного класса используются в приложениях для получения изображений с медленным сканированием, обычно используются диоды. размером 25 x 25 мкм для максимального увеличения динамического диапазона, чувствительность и отношение сигнал / шум. Многие современные высокопроизводительные камеры научного уровня включают усовершенствования конструкции, позволили использовать большие массивы с меньшими пикселями, которые способны поддержание оптического разрешения микроскопа на высоком кадре ставки.Большие массивы из нескольких миллионов пикселей в этих улучшенных конструкциях может обеспечить изображения всего поля зрения с высоким разрешением, а использование объединения пикселей (обсуждается ниже) и переменной скорости считывания, при необходимости обеспечьте более высокую чувствительность пикселей большего размера.

Считывание фотоэлектронов ПЗС-матрицы

До накопленного заряда можно измерить каждый сенсорный элемент в ПЗС чтобы определить поток фотонов на этот пиксель, заряд должен быть передается на узел считывания при сохранении целостности зарядный пакет.Быстрый и эффективный процесс переноса заряда, а также механизм быстрого считывания имеют решающее значение для работы ПЗС-матриц как устройства визуализации. Когда большое количество МОП-конденсаторов размещено близко вместе, чтобы сформировать матрицу датчиков, заряд перемещается по устройству за счет манипулирование напряжениями на затворах конденсатора по схеме, которая вызывает заряд переливается от одного конденсатора к другому или от одного ряда конденсаторы к следующему. Трансляция заряда в кремнии эффективно связаны с синхронизированными схемами напряжения, приложенными к структура вышележащего электрода, в основе термина «с зарядовой связью» устройство.ПЗС изначально задумывалась как массив памяти и предназначалась для функционировать как электронная версия устройства с магнитным пузырем. Схема процесса переноса заряда удовлетворяет критическому требованию для устройств памяти установления физической величины, которая представляет информационный бит и сохранение его целостности до считывания. В ПЗС-матрица, используемая для отображения, информационный бит представлен пакетом заряды, полученные от взаимодействия фотонов. Поскольку ПЗС-матрица серийная устройства, пакеты заряда считываются по одному.

Рисунок 3 — Структура сенсорного элемента (пикселя) ПЗС

Накопленный заряд, накопленный в каждом фотодиоде CCD в течение заданного интервала времени, называемый временем интегрирования или временем экспозиции , необходимо измерить, чтобы определить поток фотонов на этом диоде. Количественная оценка накопленного заряда достигается комбинацией параллельные и последовательные передачи, доставляющие заряд каждого сенсорного элемента пакет последовательно к одному измерительному узлу.Электродная сеть, или структура затвора, встроенная на ПЗС в слое, прилегающем к чувствительным элементам, составляет сдвиговый регистр для переноса заряда. Основная концепция передачи заряда, которая позволяет для последовательного считывания с двумерной диодной матрицы сначала требуется весь массив отдельных пакетов заряда с поверхности тепловизора, составляющие параллельный регистр , чтобы быть одновременно переносится пошаговым сдвигом на одну строку. Сдвиг с зарядовой связью всего параллельного регистра перемещает ближайшую к край регистра в специализированный одиночный ряд пикселей вдоль одного края микросхемы, называемой регистром последовательного порта .Именно из этого ряд, в котором пакеты заряда последовательно перемещаются на микросхему усилитель для измерения. После того, как регистр последовательного порта опустошен, он заполняется другим сдвигом строки параллельного регистра, и цикл параллельный и последовательный сдвиги повторяются до тех пор, пока регистр опорожняется. Некоторые производители ПЗС используют термины вертикальный и горизонтальный в отношении параллельного и последовательного регистров, соответственно, хотя последние термины более легко связаны с функцией выполняется каждым.

Широко используемая аналогия, помогающая визуализировать концепцию серийного считывание ПЗС-матрицы ведра для измерения осадков, в интенсивность дождя, падающего на ряд ведер, может варьироваться в зависимости от места разместить по аналогии с падающими фотонами на датчике изображения (см. Рисунок 5 (а) ). Параллельный регистр представлен массивом ведра, которые собрали различное количество сигнала (воды) во время период интеграции. Ковши транспортируются на конвейерной ленте. пошагово к ряду пустых ведер, которые представляют серийный регистр, и которые перемещаются по второму конвейеру ориентированы перпендикулярно первому.В Рис. 5 (b) весь ряд ковшей параллельно смещается в резервуары последовательного регистра. Последовательные операции сдвига и считывания показаны на рис. . 5 (c) , где изображена дождевая вода, накопившаяся в каждом ведре. последовательно переносятся в калиброванную мерную емкость, аналог выходного усилителя CCD. Когда содержимое всего контейнеры на серийном конвейере были измерены последовательно, другой параллельный сдвиг передает содержимое следующей строки сбора ведра в контейнеры последовательного регистра, и процесс повторяется пока не будет измерено содержимое каждой корзины (пикселя).

Существует множество конструкций, в которых можно настроить МОП-конденсаторы, и их затворные напряжения управляются, чтобы сформировать матрицу изображения CCD. Как описано ранее электроды затвора располагались полосами, покрывающими всю поверхность изображения поверхности ПЗС. Самая простая и распространенная зарядка Конфигурация передачи — это трехфазная конструкция CCD , в которой каждый фотодиод (пиксель) разделен на трети с тремя параллельными потенциальные ямы, определяемые электродами затвора. В таком дизайне каждый третий затвор подключен к той же схеме драйвера часов.Основной смысл элемент в ПЗС, соответствующий одному пикселю, состоит из трех вентилей подключен к трем отдельным тактовым драйверам, называемым фазой-1, фазой-2 и часы фазы 3. Каждая последовательность из трех параллельных ворот составляет одну регистр пикселей, и тысячи пикселей, покрывающих матрицу ПЗС Поверхность изображения составляет параллельный регистр устройства. Однажды в ловушке в потенциальной яме электроны перемещаются через каждый пиксель в трехэтапный процесс, который сдвигает пакет заряда из одной строки пикселей в следующий.Последовательность изменений напряжения, подаваемых на чередующиеся электроды параллельной (вертикальной) затворной структуры перемещают потенциальные ямы и захваченные электроны под управлением часов параллельного регистра сдвига.

Общая схема синхронизации, используемая в трехфазном переключателе начинается с этапа интегрирования зарядов, на котором два из трех параллельные фазы на пиксель устанавливаются на высокое значение смещения, что дает область высокого поля относительно третьего затвора, который удерживается на низком или нулевой потенциал.Например, фазы 1 и 2 могут быть обозначены как , собирающие фазы и удерживаемые при более высоком электростатическом потенциале по сравнению с фазой 3, которая служит в качестве барьерной фазы . для разделения заряда, собираемого в высокополевых фазах соседний пиксель. После интеграции начислений перевод начинается с удерживая только вентили фазы 1 под высоким потенциалом, так что заряд генерируемые в этой фазе будут накапливаться там, а заряд, генерируемый в Фазы фазы 2 и фазы 3, теперь обе при нулевом потенциале, быстро диффундируют в потенциальную яму под фазой 1. Рисунок 3 иллюстрирует структура электрода, определяющая каждый пиксель трехфазной ПЗС-матрицы, и изображает скопление электронов в потенциальной яме, лежащей под электрод фазы 1, в котором поддерживается положительное напряжение (обозначено + V ). Перенос заряда происходит в правильно рассчитанной последовательности напряжения, приложенные к воротам, чтобы вызвать потенциальные ямы и препятствия для миграции через каждый пиксель.

Рисунок 4 — Стандартные форматы датчиков изображения CCD

На каждом этапе передачи напряжение, приходящееся на заднюю часть зарядовый пакет становится положительным, а электроносодержащая яма сделан отрицательным или установлен на ноль (земля), заставляя накопленные электроны для перехода к следующему этапу.Вместо того, чтобы использовать резкое напряжение переходов в тактовой последовательности, приложенное напряжение изменяется на смежные фазы являются постепенными и перекрываются, чтобы обеспечить максимальную эффективная передача заряда. Переход к фазе 2 осуществляется прикладывая положительный потенциал к воротам фазы 2, распространяя накопленный заряд между скважинами фазы 1 и фазы 2, и когда потенциал фазы 1 возвращается на землю, весь пакет заряда принудительно переходит в фазу 2. Аналогичная последовательность синхронизированных переходов напряжения, под управлением часов параллельного регистра сдвига, используется для сдвига заряд от фазы 2 до фазы 3, и процесс продолжается до тех пор, пока полный однопиксельный сдвиг завершен.Одни трехфазные часы цикл, примененный ко всему параллельному регистру, приводит к получению единственной строки сдвиг всего массива. Важный фактор при трехфазном переходе в том, что между соседними пикселями всегда поддерживается потенциальный барьер. зарядовых пакетов, что обеспечивает однозначное пространственное соответствие между сенсором и дисплеем пиксели должны сохраняться на всем изображении последовательность захвата.

На рисунке 6 показана последовательность операций, только что описанных для передача заряда в трехфазной ПЗС, а также последовательность тактирования для управляющих импульсов, подаваемых синхронизатором параллельного регистра сдвига на выполнить перевод.На этой схематической визуализации пикселя заряд изображен перемещающимся слева направо по тактовому сигналу сигналы, которые одновременно уменьшают напряжение на положительно смещенный электрод (определяющий потенциальную яму) и увеличив ее на электроде справа ( рисунки 6 (а), и 6 (б) ). В последнем из три ступени ( Рисунок 6 (c) ), заряд полностью передан от одного электрода затвора к другому. Обратите внимание, что рост и падение фазы тактовых импульсов синхронизируются с небольшим перекрытием (не показано), чтобы более эффективно передавать заряд и минимизировать возможность потери заряда во время смены.

При каждой полной параллельной передаче заряжаются пакеты от всего ряд пикселей перемещаются в последовательный регистр, где они могут быть последовательно смещается в сторону выходного усилителя, как показано на аналогия с ковшовой бригадой ( Рисунок 5 (c) ). Эта горизонтальная (последовательная) передача использует тот же механизм трехфазной связи заряда, что и вертикальный сдвиг строк, при этом временное управление обеспечивается сигналами от часы последовательного регистра сдвига. После того, как все пиксели перенесены из регистр последовательного интерфейса для считывания, часы параллельного регистра обеспечивают временные сигналы для смещения следующего ряда захваченных фотоэлектронов в регистр серийного номера.Каждый пакет заряда в регистре последовательного порта доставляется на выходной узел ПЗС, где он обнаруживается и считывается выходной усилитель (иногда называемый встроенным предусилителем) который преобразует заряд в пропорциональное напряжение. Напряжение выход усилителя представляет величину сигнала, производимого последовательные фотодиоды, считываемые последовательно слева направо в каждый ряд и от верхнего ряда к низу по всей двумерный массив. Выходной сигнал ПЗС на этом этапе, следовательно, аналоговый сигнал напряжения, эквивалентный растровому сканированию накопленного заряда по поверхности изображения устройства.

После того, как выходной усилитель выполнит свою функцию увеличения пакет заряда и преобразовав его в пропорциональное напряжение, сигнал передается на аналого-цифровой преобразователь ( ADC ), который преобразует значение напряжения в 0 и 1 двоичный код, необходимый для интерпретации компьютером. Каждый пиксель присваивается цифровое значение, соответствующее амплитуде сигнала, с шагом размер зависит от разрешения или разрядности АЦП.За Например, АЦП с 12-битным разрешением присваивает каждому пикселю значение от 0 до 4095, что соответствует 4096 возможным уровням серого изображения (2 в 12 степени равно 4096 шагам дигитайзера). Каждый уровень серого шаг называется аналого-цифровым блоком ( ADU ).

Технологическая сложность современных систем формирования изображений CCD замечательно, учитывая большое количество операций, необходимых для захватить цифровое изображение, а точность и скорость, с которой процесс завершен.Последовательность событий, необходимых для захвата одиночное изображение с полнокадровой системы камеры CCD можно резюмировать как следует:

• Затвор камеры открывается для начала накопления фотоэлектронов, с соответствующими электродами затвора, смещенными для сбора заряда.
• В конце периода интеграции заслонка закрывается и накопленный заряд в пикселях смещается строка за строкой по параллельному регистрируются под управлением тактовых сигналов от электроники камеры.Ряды пакетов заряда передаются последовательно с одного края параллельный регистр в регистр последовательного сдвига.
• Передано содержимое заряда пикселей в последовательном регистре по одному пикселю за раз в выходной узел, который будет считан встроенным чипом усилитель, который усиливает электронный сигнал и преобразует его в аналоговый выход напряжения.
• АЦП назначает цифровое значение для каждого пикселя в соответствии с его амплитудой напряжения.
• Каждое значение пикселя сохраняется в памяти компьютера или в буфере кадров камеры.
• Процесс последовательного считывания повторяется до тех пор, пока все строки пикселей параллельный регистр очищается, что обычно составляет 1000 или более строк для камер высокого разрешения.
• Полный файл изображения в памяти, который может составлять несколько мегабайт по размеру, отображается в подходящем формате на мониторе компьютера для визуальная оценка.
• ПЗС очищается от остаточного заряда перед следующей экспозицией путем выполнения полного цикла считывания, за исключением этапа оцифровки.

Рисунок 5 — Аналог ПЗС бригады ковша

Несмотря на большое количество выполняемых операций, более одного миллиона пикселей может быть передано через чип, присвоено значение шкалы серого с 12-битным разрешением, сохранено в памяти компьютера и отображено менее чем за одну секунду.Типичное общее время, необходимое для считывания и отображения изображения, составляет примерно 0,5 секунды для 1-мегапиксельной камеры, работающей со скоростью оцифровки 5 МГц. Эффективность переноса заряда также может быть чрезвычайно высокой для охлаждаемых ПЗС-камер с минимальной потерей заряда даже при тысячах переносов, требуемых для пикселей в областях массива, наиболее удаленных от выходного усилителя.

Архитектура датчика изображения CCD

Три основных варианта архитектуры CCD обычно используются для систем формирования изображений: полный кадр , передача кадров и построчный перенос (см. Рисунок 7 ).Полнокадровая ПЗС-матрица, о которой говорилось в предыдущем описание процедуры считывания, имеет преимущество почти 100 процентов его поверхности светочувствительны, практически нет мертвых пространство между пикселями. Поверхность изображения необходимо защищать от падающий свет во время считывания ПЗС, и по этой причине электромеханический затвор обычно используется для управления экспозицией. Заряд, накопленный при открытой заслонке, впоследствии переносится и считывать после того, как ставня закрыта, и поскольку два шага не может происходить одновременно, частота кадров изображения ограничена скорость механического затвора, скорость переноса заряда и шаги считывания.Хотя полнокадровые устройства имеют самую большую светочувствительную область Типы ПЗС-матриц, они наиболее полезны с образцами, имеющими высокое качество изображения внутри сцены. динамический диапазон и в приложениях, не требующих разрешения по времени менее примерно одной секунды. При работе в режиме подмассива (в котором считывается уменьшенная часть полного массива пикселей) в для ускорения считывания максимально возможная частота кадров порядка 10 кадров в секунду, ограничено механическим затвором.

ПЗС-матрицы

с кадровой передачей могут работать с более высокой частотой кадров, чем полнокадровые устройств, потому что экспонирование и считывание могут происходить одновременно с различная степень совпадения по срокам. Они похожи на полнокадровые устройств в составе параллельного регистра, но половина прямоугольная матрица пикселей покрыта непрозрачной маской и используется как буфер для хранения фотоэлектронов, собранных немаскированными светочувствительная часть. После экспонирования изображения накопился заряд в светочувствительных пикселях быстро смещается в пиксели на хранилище стороне чипа, обычно в пределах примерно 1 миллисекунды.Поскольку пиксели памяти защищены от воздействия света алюминиевое или аналогичное непрозрачное покрытие, накопивший заряд в этой части датчик может систематически считываться с более медленной и более эффективной скоростью в то время как следующее изображение одновременно экспонируется на светочувствительная сторона чипа. Затвор камеры не нужен потому что время, необходимое для передачи заряда от области изображения к площадь хранения микросхемы занимает лишь часть времени, необходимого для типичная экспозиция.Поскольку камеры, использующие ПЗС-матрицы с кадровой передачей, могут быть работает непрерывно с высокой частотой кадров без механической опалубки, они подходят для исследования быстрых кинетических процессов методами таких как отображение соотношения красителей, в котором высокое пространственное разрешение и динамические диапазон важны. Недостатком этого типа датчика является то, что только половина площади поверхности ПЗС-матрицы используется для построения изображений, и следовательно, требуется гораздо больший чип, чем для полнокадрового устройство с массивом изображений эквивалентного размера, что увеличивает стоимость и наложение ограничений на физический дизайн камеры.

В конструкции ПЗС-матриц с построчным переносом столбцы активного изображения пиксели и пиксели замаскированного хранения-передачи чередуются по всей массив параллельных регистров. Поскольку канал передачи заряда расположен непосредственно рядом с каждым столбцом светочувствительных пикселей, накопленный заряд необходимо сдвинуть только один столбец в канал передачи. Этот сингл шаг передачи может быть выполнен менее чем за 1 миллисекунду, после чего массив хранения считывается серией параллельных сдвигов в серийный регистр, пока массив изображений выставляется для следующего образ.Архитектура межстрочного переноса позволяет очень быстро периоды интеграции за счет электронного контроля интервалов воздействия, а вместо механического затвора можно отрендерить массив эффективно светочувствительный, отбрасывая накопленный заряд, а чем перекладывать на каналы передачи. Хотя интерлайн-перевод датчики позволяют считывать скорость видео и получать высококачественные изображения ярких освещенные предметы, основные формы более ранних устройств пострадали от уменьшены динамический диапазон, разрешение и чувствительность из-за того, что примерно 75 процентов поверхности ПЗС занимает каналы хранения-передачи.

Хотя более ранние ПЗС-матрицы с построчным переносом, например, используемые в видео видеокамеры, обеспечивающие высокую скорость считывания и высокую частоту кадров без необходимость жалюзи, они не обеспечивали адекватной производительности для приложения с высоким разрешением в условиях низкой освещенности в микроскопии. В добавление к снижение светочувствительности, связанное с переменным столбцы изображений и областей хранения-передачи, высокая скорость считывания светодиодов к более высокому шуму чтения камеры и уменьшенному динамическому диапазону формирователи изображений с межстрочным переносом.Улучшения в конструкции сенсора и камеры электроника полностью изменила ситуацию до такой степени, что современные устройства Interline обеспечивают превосходную производительность для цифровых камеры для микроскопии, в том числе те, которые используются в условиях слабого освещения, например как запись малых концентраций флуоресцентных молекул. Приверженец микролинзы , выровнен по поверхности ПЗС, чтобы покрыть пары пикселей изображения и хранилища, собрать свет, который обычно теряется на замаскированных пикселях, и сфокусироваться это на светочувствительных пикселях (см. Рисунок 8 ).Объединив небольшие размер пикселя с технологией микролинз, межстрочные датчики способны обеспечение пространственного разрешения и сопоставимой эффективности сбора света на полнокадровые и кадровые ПЗС-матрицы. Эффективный светочувствительный площадь межстрочных датчиков, использующих микролинзы на кристалле, увеличена до 75-90 процентов площади поверхности.

Дополнительное преимущество включения микролинз в ПЗС-матрицу структура состоит в том, что спектральная чувствительность датчика может быть расширена в синюю и ультрафиолетовую области длин волн, обеспечивая улучшенное утилита для коротковолновых приложений, таких как популярные методы флуоресценции с использованием зеленого флуоресцентного белка ( GFP ) и красители, возбуждаемые ультрафиолетом.Чтобы увеличить квантовую эффективность в видимом спектре, новейшие высокопроизводительные чипы включают конструкции затвора из таких материалов, как индий олово оксида, который имеет гораздо более высокую прозрачность в сине-зеленом спектральном область. Такие непоглощающие структуры затворов приводят к квантовой эффективности значения приближаются к 80% для зеленого света.

Рисунок 6 — Трехфазные системы синхронизации на ПЗС

Прошлое ограничение уменьшенного динамического диапазона для межстрочного переноса ПЗС-матрицы в значительной степени преодолены за счет улучшенных электронных технологий, которые снизил шум чтения камеры примерно наполовину.Поскольку активная пиксельная площадь межстрочных ПЗС-матриц составляет примерно треть от сопоставимые полнокадровые устройства, полная емкость скважины (функция область пикселей) аналогично уменьшается. Ранее этот фактор в совокупности с относительно высоким уровнем шума чтения камеры, что привело к недостаточному сигналу динамический диапазон для поддержки оцифровки более 8 или 10 бит. Высокопроизводительные межстрочные камеры теперь работают со значениями шума считывания как низкий от 4 до 6 электронов, что обеспечивает динамический диапазон эквивалентно 12-битным камерам, использующим полнокадровые ПЗС-матрицы.Дополнительные улучшения в факторах дизайна микросхемы, таких как схемы тактирования, и в электронике камеры, позволили увеличить скорость считывания. ПЗС-матрицы с построчным переносом теперь позволяют отображать 12-битные мегапиксельные изображения. получены на частоте 20 мегагерц, что примерно в 4 раза превышает скорость полнокадровые камеры с сопоставимыми размерами массивов. Прочие технологические улучшения, включая модификации состава полупроводников, включены в некоторые ПЗС-матрицы с межстрочным переносом для улучшения квантовых эффективность в ближней инфракрасной части спектра.

Характеристики изображения детектора CCD

Несколько рабочих параметров камеры, которые изменяют этап считывания при получении изображения, влияют на качество изображения. Скорость чтения большинства ПЗС-камер научного уровня можно регулировать, и обычно колеблется от примерно 0,1 МГц до 10 или 20 МГц. Максимум достижимая скорость является функцией скорости обработки АЦП и другая электроника камеры, которая отражает время, необходимое для оцифровки один пиксель.Приложения, предназначенные для отслеживания быстрых кинетических процессов требуется быстрое считывание и частота кадров для достижения адекватной временное разрешение и, в некоторых случаях, скорость видео 30 необходимо количество кадров в секунду или выше. К сожалению, из различных компоненты шума, которые всегда присутствуют в электронном изображении, считываются шум является основным источником, а высокая скорость считывания увеличивает шум уровень. Если самое высокое временное разрешение не требуется, лучше изображения образцов, которые дают низкие значения интенсивности пикселей, могут быть получается при более низкой скорости считывания, что минимизирует шум и поддерживает адекватное соотношение сигнал / шум.Когда динамические процессы требуют быстрых частоты кадров изображения, нормальная последовательность считывания ПЗС может быть изменена на уменьшить количество обрабатываемых пакетов заряда, что позволяет получать в некоторых случаях скорость составляет сотни кадров в секунду. Это увеличило частота кадров может быть достигнута путем объединения пикселей во время считывания ПЗС и / или считывая только часть детекторной матрицы, как описано ниже.

Программное обеспечение для получения изображений большинства систем CCD-камер, используемых в оптическая микроскопия позволяет пользователю определять меньшее подмножество, или подмассив , , всего массива пикселей, предназначенного для захвата изображения и дисплей.Выбрав уменьшенную часть поля изображения для обработки, невыделенные пиксели отбрасываются без оцифровки АЦП, соответственно увеличивается скорость считывания. В зависимости от используемое программное обеспечение для управления камерой, подмассив может быть выбран из предварительно определенные размеры массива или интерактивно обозначенные как интересующая область с помощью компьютерной мыши и монитора. Считывание подмассивов метод обычно используется для получения последовательностей покадровой съемки. images, чтобы создавать файлы изображений меньшего размера и с большей управляемостью.

Накопленные пакеты заряда от соседних пикселей в матрице ПЗС могут быть объединены во время считывания, чтобы сформировать уменьшенное количество суперпикселей . Этот процесс называется биннингом пикселей , и выполняется в параллельном регистре путем тактирования двух или более строк переходит в регистр последовательного порта перед выполнением последовательного сдвига и последовательность считывания. Процесс биннинга обычно повторяется в серийном регистрировать, синхронизируя несколько сдвигов в узле считывания перед заряд считывается выходным усилителем.Любая комбинация параллельных и последовательные смены можно комбинировать, но обычно симметричная матрица пиксели объединяются, чтобы сформировать каждый отдельный суперпиксель (см. Рисунок 9) . В виде пример, 3 x 3 биннинг выполняется путем первоначального выполнения 3 параллельных сдвига строк в последовательный регистр (до последовательного передачи), после чего каждый пиксель в последовательном регистре содержит комбинированный заряд от 3 пикселей, которые были соседями в соседнем параллельные ряды. Впоследствии 3 этапа последовательной смены выполняются в выходной узел до измерения заряда.Итоговый заряд пакет обрабатывается как один пиксель, но содержит объединенные фотоэлектронное содержание 9 физических пикселей (суперпиксель 3 x 3). Хотя бининг снижает пространственное разрешение, процедура часто позволяет получение изображения в условиях, которые делают невозможным получение изображений с нормальное считывание ПЗС. Это позволяет увеличить частоту кадров для последовательностей изображений, если скорость сбора данных ограничена циклом чтения камеры, а также обеспечение улучшенного отношения сигнал / шум для эквивалентного времени экспозиции.Дополнительные преимущества включают более короткое время выдержки для получения одинаковая яркость изображения (очень важно для визуализации живых клеток) и меньшие размеры файлов изображений, что снижает требования к памяти компьютера и ускоряет обработку изображений.

Фактор захвата третьей камерой, который может повлиять на качество изображения. поскольку он изменяет процесс считывания ПЗС, электронный коэффициент усиления системы камеры. Регулировка усиления цифровой камеры CCD система определяет количество накопленных фотоэлектронов, определяющих каждый шаг уровня серого распознается электроникой считывания, и обычно применяется на этапе аналого-цифрового преобразования.Увеличение в электронном усилении соответствует уменьшению количества фотоэлектроны, которые назначаются на уровень серого (электроны / ADU), и позволяет разделить данный уровень сигнала на большее количество серых ступени уровня. Обратите внимание, что это отличается от регулировки усиления, применяемой к фотоэлектронные умножители или трубки видикона, в которых изменяющийся сигнал усиливается фиксированным коэффициентом умножения. Хотя электронное усиление регулировка действительно обеспечивает метод расширения ограниченной амплитуды сигнала до желаемое большое количество уровней серого, если оно используется чрезмерно, небольшое количество электронов, различающих соседние уровни серого, может привести к ошибкам оцифровки.Настройки высокого усиления могут привести к появлению шума из-за неточная оцифровка, которая проявляется как зернистость в финальном образ. Если желательно сокращение времени экспозиции, увеличение электронное усиление позволит поддерживать фиксированное большое количество серого шага шкалы, несмотря на пониженный уровень сигнала, при условии, что применяемое усиление не вызывает чрезмерного ухудшения изображения. Как пример влияния различных коэффициентов усиления на постоянную уровень сигнала, начальная установка усиления, которая назначает 8 электронов на ADU (уровень серого) означает, что сигнал пикселя, состоящий из 8000 электронов будет отображаться на 1000 уровнях серого.Увеличивая прирост за счет применение коэффициента усиления 4x к базовой настройке, количество электронов на уровень серого снижается до 2 (2 электрона / ADU) и 4000 Уровни серого выделяются электроникой оцифровки.

Рисунок 7 — Архитектура обычных устройств с зарядовой связью (CCD)

Качество цифрового изображения можно оценить по четырем количественным критерии, которые частично определяются конструкцией ПЗС, но которые также отражают реализацию ранее описанной работы камеры переменные, которые напрямую влияют на качество изображения ПЗС-матрицы детектор.Основные критерии качества изображения и их влияние: резюмируется следующим образом:

• Пространственное разрешение: Определяет возможность захвата мелких деталей образца без видимых пикселей на изображении.
• Разрешение яркости света: Определяет динамический диапазон или количество уровней серого, которые можно различить на отображаемом изображении.
• Разрешение по времени: Частота выборки (кадров) определяет способность отслеживать движение живого образца или быстрые кинетические процессы.
• Отношение сигнал / шум: Определяет видимость и четкость сигналов образца относительно фона изображения.

В микроскопической визуализации не все важные изображения критерии качества могут быть одновременно оптимизированы в одном изображении или последовательность изображений. Получение лучших изображений в рамках ограничений налагается конкретным образцом или экспериментом, как правило, требует компромисс среди перечисленных критериев, которые часто приводят к противоречивым требования.Например, при съемке покадровой последовательности живых выступлений для образцов с флуоресцентной меткой может потребоваться снижение общего воздействия время минимизировать фотообесцвечивание и фототоксичность. Несколько методов могут быть использованы для достижения этой цели, хотя каждый из них предполагает деградацию некоторые аспекты работы с изображениями. Если образец экспонируется меньше часто временное разрешение снижено; применение объединения пикселей к разрешить более короткие выдержки снижает пространственное разрешение; и увеличение электронное усиление ухудшает динамический диапазон и отношение сигнал / шум.Различные ситуации часто требуют совершенно разных изображений обоснование оптимальных результатов. В отличие от предыдущего примера, в чтобы максимально увеличить динамический диапазон на одном изображении образца, который требует короткого времени экспозиции, применения бининга или усиления увеличение может достичь цели без значительного негативного воздействия на изображение. Для создания эффективных цифровых изображений требуется микроскопист, чтобы быть полностью знакомым с решающим качеством изображения критерии и практические аспекты приобретения балансировочной камеры параметры для максимизации наиболее значимых факторов в конкретном ситуация.

Небольшое количество факторов производительности ПЗС и исправная камера параметры доминируют над основными аспектами качества цифрового изображения в микроскопия, и их эффекты в значительной степени перекрываются. Факторы, которые являются наиболее важными в контексте практического использования камеры CCD, и обсуждается далее в следующих разделах, включая шум детектора источники и отношение сигнал / шум, частота кадров и временное разрешение, размер пикселя и пространственное разрешение, спектральный диапазон и квант КПД и динамический диапазон.

Источники шума камеры CCD

Чувствительность камеры относительно минимально обнаруживаемого сигнала составляет определяется как фотонным статистическим (дробовым) шумом, так и электронным шум, возникающий в ПЗС-матрице. По консервативной оценке, сигнал можно отличить от сопутствующего шума, только если он превышает шум примерно в 2,7 раза (отношение сигнал / шум 2,7). Минимальный сигнал который теоретически может дать заданное значение SNR, определяется случайным вариации потока фотонов, источник собственного шума, связанный с сигнал, даже с идеальным бесшумным детектором.Этот фотон статистический шум равен квадратному корню из числа сигналов фотонов, и поскольку он не может быть устранен, он определяет максимальную достижимое отношение сигнал / шум для бесшумного детектора. Отношение сигнал / шум равно следовательно, определяется уровнем сигнала S , деленным на квадратный корень сигнала ( S (1/2)), и равен квадратному корню из S . Если значение SNR 2,7 требуется для различения сигнала от шума, уровень сигнала 8 фотонов теоретически минимален обнаруживаемый световой поток.

На практике другие составляющие шума, не связанные с сигнал фотона образца, вносится ПЗС-матрицей и системой камеры электронике и добавить к собственному фотонному статистическому шуму. однажды накапливается в сборных колодцах, заряд от источников шума нельзя отличить от сигнала, полученного от фотонов. Большая часть шума системы результат шума усилителя считывания и генерации тепловых электронов в кремний микросхемы детектора. Тепловой шум связан с кинетические колебания атомов кремния в подложке ПЗС, высвобождающие электроны или дырки, даже когда устройство находится в полной темноте, и которые впоследствии накапливаются в потенциальных ямах.По этой причине шум обозначается как темновой шум и представляет собой неопределенность в величине накопления темного заряда во время указанный временной интервал. Скорость генерации темного заряда, обозначаемая как темновой ток , не связан с сигналом, индуцированным фотонами, но имеет высокую температуру зависимый. Подобно фотонному шуму, темновой шум следует за статистическая (квадратный корень) связь с темновым током, и поэтому нельзя просто вычесть из сигнала.Охлаждение ПЗС снижает накопление темного заряда на порядок на каждые 20 градусов Снижение температуры по Цельсию, и высокопроизводительные камеры обычно охлаждается во время использования. Охлаждение даже до 0 градусов очень выгодно, и при -30 градусов темновой шум снижается до незначительного значения для практически любое приложение для микроскопии.

При условии, что ПЗС охлаждается, остающийся основной компонент электронного шума составляет шум чтения , в основном происходит от встроенного предусилителя во время процесса преобразования носителей заряда в сигнал напряжения.Хотя прочитанный шум добавляется равномерно к каждому пикселю детектора, его величина не может быть точно определен, а только приблизительно значение в единицах электронов (среднеквадратичное или среднеквадратичное) на пиксель. Несколько типы шума усилителя считывания зависят от частоты, а в в общем, шум чтения увеличивается со скоростью измерения заряд в каждом пикселе. Увеличение шума при высоком считывании и кадре Частично это результат большей ширины полосы усилителя при более высоких тактовых частотах пикселей.Охлаждение ПЗС уменьшает считывание шум усилителя в некоторой степени, но не на незначительном уровне. Ряд усовершенствований дизайна включен в текущую высокопроизводительные системы камер, которые значительно снижают значимость читать шум, однако. Одна стратегия для достижения высоких показателей считывания и кадра скорости без увеличения шума заключается в электрическом разделении ПЗС на два или более сегмента для сдвига заряда в параллельном регистре к нескольким выходным усилителям, расположенным на противоположных краях или углах чипа.Эта процедура позволяет считывать заряд с массива с большей общей скоростью без чрезмерного увеличения скорости чтения (и шум) отдельных усилителей.

Рисунок 8 — Технология межстрочного ПЗС-матриц с микролинзой

Охлаждение ПЗС-матрицы для уменьшения темнового шума дает дополнительное преимущество повышения эффективности переноса заряда ( CTE ) устройства. Этот фактор производительности становится все более важно из-за больших размеров массива пикселей, используемых во многих современных ПЗС-изображения, а также более высокая скорость считывания, необходимая для исследования быстрых динамических процессов.С каждой сменой заряда пакет по каналам передачи в процессе считывания ПЗС, небольшая часть может остаться. При индивидуальных трансфертных потерях при каждый пиксель в большинстве случаев крошечный, большое количество передач требуется, особенно в мегапиксельных сенсорах, может привести к значительному потери для пикселей на наибольшем удалении от считывания ПЗС усилитель (ы), если эффективность переноса заряда не очень высока. Возникновение неполного переноса заряда может привести к размытию изображения. из-за смешения зарядов от соседних пикселей.К тому же, совокупные потери заряда при каждой передаче пикселя, особенно при больших массивов, может привести к явлению затенения изображения , в котором появляются области изображений, наиболее удаленные от выходного усилителя ПЗС тусклее, чем рядом с регистром последовательного порта. Перенос заряда значения КПД охлаждаемых ПЗС-матриц могут быть 0,9999 и выше, а CTE с таким высоким значением обычно незначительны для эффекта изображения, значения ниже 0,999, вероятно, приведет к затемнению.

Доступны как аппаратные, так и программные методы компенсации затенение интенсивности изображения.Программная коррекция реализована получение изображения поля однородной интенсивности, которое затем используется системой визуализации для создания карты попиксельной коррекции, которая может применяться к последующим изображениям образца для устранения неоднородности за счет штриховки. Методы коррекции программного обеспечения обычно удовлетворительно в системах, не требующих поправочных коэффициентов больше чем примерно 10-20 процентов местной интенсивности. Больше исправления, примерно до пяти раз, могут быть обработаны аппаратными средствами методы путем настройки коэффициентов усиления для отдельного пикселя ряды.Требуемая регулировка усиления определяется сигналом дискретизации. интенсивности в пяти или шести замаскированных опорных пикселях, расположенных за пределами область изображения в конце каждой строки пикселей. Значения напряжения получены из столбцы опорных пикселей на краю параллельного регистра служат контролирует потери при переносе заряда и производит поправочные коэффициенты для каждая строка пикселей, которые применяются к напряжениям, полученным из этой строки во время считывания. Поправочные коэффициенты велики в регионах некоторых датчики, такие как области, удаленные от выходного усилителя в видео-скорости камеры, и уровни шума могут быть значительно увеличены для этих изображений области.Хотя процесс аппаратной коррекции убирает затенение эффекты без видимого уменьшения сигнала, следует понимать, что результирующее отношение сигнал / шум не является однородным по всей образ.

Пространственное и временное разрешение в датчиках изображения CCD

Во многих приложениях система захвата изображений, способная обеспечить высокое временное разрешение это основное требование. Например, если кинетика процесса изучается, требует видеосъемки с умеренным разрешением, камера, способная обеспечить превосходное разрешение, тем не менее, преимущества, если он обеспечивает такую ​​производительность только при низкой скорости сканирования, и работает незначительно или совсем не работает при высокой частоте кадров.Полнокадровый камеры с медленным сканированием не обеспечивают высокое разрешение при скорости видео, требуется примерно одна секунда на кадр для большого массива пикселей, в зависимости от скорости оцифровки электроники. Если образец яркость сигнала достаточно высока, чтобы обеспечить короткое время экспозиции (на порядка 10 миллисекунд), использование биннинга и подмассива выбор позволяет получать около 10 кадров в секунду на уменьшенное разрешение и размер кадра у камер с электромеханическим ставни.Более высокая частота кадров обычно требует использования камеры с построчной или кадровой передачей, не требующие жалюзи и, как правило, также могут работать с более высокой скоростью оцифровки. Последнее поколение высокопроизводительных камер этой конструкции может снимайте полнокадровые 12-битные изображения с близкой к скорости видео.

Превосходное теперь пространственное разрешение CCD систем визуализации напрямую связано с размером пикселя и постоянно улучшается благодаря технологические усовершенствования, которые позволили создавать пиксели CCD все меньше и меньше при сохранении других эксплуатационных характеристик формирователей изображений.По сравнению с типичными размерами зерна пленки (приблизительно 10 микрометров), пиксели многих используемых камер CCD в биологической микроскопии меньше и обеспечивают более чем адекватное разрешение в сочетании с широко используемыми объективами с большим увеличением которые проецируют дифракционные диски относительно большого радиуса (Эйри) на ПЗС-поверхность. ПЗС-камеры научного уровня с построчным переносом доступны с пикселями меньше 5 микрометров, что делает их подходящими для получения изображений с высоким разрешением даже с объективами с малым увеличением.Отношение размера элемента детектора к соответствующему оптическому разрешению критерии — важный фактор при выборе цифровой камеры, если пространственное разрешение оптической системы должно быть сохранено.

Критерий выборки Найквиста обычно используется для определения адекватность размера пикселя детектора относительно разрешения возможности оптики микроскопа. Теорема Найквиста указывает, что наименьший радиус дифракционного диска, создаваемый оптической системой должен быть выбран как минимум двумя пикселями в массиве изображений, чтобы сохранить оптическое разрешение и избежать наложения спектров.Например, рассмотрим ПЗС-матрицу с размерами пикселей 6,8 x 6,8 мкм, соединенную объектив с числовой апертурой 100x, 1,3, что дает Пятно дифракции 26 мкм (радиус) в плоскости детектора. С этим детектором-объективом возможно отличное разрешение. комбинация, потому что радиус дифракционного диска покрывает примерно 4-пиксельный диапазон (26 / 6,8 = 3,8 пикселя) на матрице детектора или почти вдвое больше предельного критерия Найквиста. На этой частоте дискретизации имеется достаточный запас, чтобы критерий Найквиста почти устраивает даже биннинг 2 x 2 пикселя.

Квантовая эффективность датчика изображения

Детектор квантовая эффективность ( QE ) является мерой вероятность того, что фотон с определенной длиной волны будет захвачен в активной области устройства для высвобождения заряда перевозчики. Параметр представляет эффективность тепловизора ПЗС в генерирует заряд от падающих фотонов, и поэтому является основным определитель минимально обнаруживаемого сигнала для системы камер, особенно при съемке в условиях низкой освещенности.Бесплатно генерируется, если фотон никогда не достигает обедненного слоя полупроводника или если он полностью проходит без передачи значительной энергии. Характер взаимодействия фотона с детектором зависит от от энергии фотона и соответствующей длины волны, и прямо относится к спектральному диапазону чувствительности детектора . Хотя обычные ПЗС-детекторы с передней подсветкой очень чувствительны и эффективные, ни у одного из них нет 100-процентной квантовой эффективности на любой длине волны.

Датчики изображения, обычно используемые в флуоресцентной микроскопии, могут обнаруживать фотоны в спектральном диапазоне 400-1100 нанометров, с пиковая чувствительность обычно в диапазоне 550-800 нм. Максимум Значения QE составляют всего около 40-50 процентов, за исключением новейших разработок, который может достигать 80-процентной эффективности. Рисунок 10 иллюстрирует спектральная чувствительность ряда популярных ПЗС-матриц на графике, отображающем квантовая эффективность как функция длины волны падающего света.Наиболее ПЗС-матрицы, используемые в научной визуализации, относятся к типу межстрочного переноса и потому что межстрочная маска сильно ограничивает светочувствительную поверхность области, многие старые версии показывают очень низкие значения QE. С появлением технологии поверхностных микролинз, чтобы направлять больше падающего света на светочувствительные области между каналами передачи, более новый межстрочный датчики намного эффективнее, и многие из них имеют значения квантовой эффективности 60-70 процентов.

Рисунок 9 — Последовательность переноса электрона с биннингом 2 x 2 пикселей

Спектральный диапазон сенсора и квантовая эффективность улучшены в ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны длин волн различные дополнительные стратегии проектирования в нескольких высокопроизводительных ПЗС-матрицах.Поскольку алюминиевые переходные ворота с поверхностью поглощают или отражают большую часть синие и ультрафиолетовые длины волн, во многих новых конструкциях используются другие материалы, такие как оксид индия-олова, для улучшения передачи и квантового эффективность в более широком спектральном диапазоне. Еще более высокие значения QE могут быть полученные с помощью специализированных ПЗС-матриц с обратным утонением, которые сконструированы так, чтобы допускать освещение с тыльной стороны, избегая поверхностного электрода структура целиком. Для этого большая часть кремния подложку удаляют травлением, и хотя получившееся устройство деликатный и относительно дорогой, квантовая эффективность примерно 90 процентов можно достичь в обычном порядке.

Могут использоваться другие виды обработки поверхности и строительные материалы. для получения дополнительных преимуществ спектрального диапазона. Производительность обратного прореживания ПЗС-матрицы в ультрафиолетовой области длин волн усиливаются за счет нанесение специальных просветляющих покрытий. Изменено полупроводниковые материалы используются в некоторых детекторах для улучшения квантовых эффективность в ближнем инфракрасном диапазоне. Чувствительность к длинам волн вне диапазона нормальный спектральный диапазон обычных ПЗС-матриц с передней подсветкой может быть достигается применением люминофоров с преобразованием длины волны на лицо детектора.Люминофор для этой цели выбирают для поглощения энергия фотонов в интересующей спектральной области и излучение света в пределах область спектральной чувствительности ПЗС-матрицы.