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一、前沿
2009年10月6日，瑞典科學院宣布，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數碼(ma)成像(xiang)(xiang)對(dui)攝(she)影產生了革命性的(de)影響(xiang)。在(zai)感(gan)光膠(jiao)片之外，人們(men)可以通過電子電路捕捉圖(tu)像(xiang)(xiang)，這(zhe)些以數字形式(shi)存(cun)(cun)在(zai)的(de)圖(tu)像(xiang)(xiang)更加易于(yu)處理(li)和分發。數字圖(tu)像(xiang)(xiang)已經成為(wei)許多研(yan)究領域中不可替(ti)代的(de)重(zhong)要(yao)工具。數碼(ma)成像(xiang)(xiang)技術(shu)應(ying)(ying)用(yong)到顯(xian)微鏡上，以替(ti)代以往(wang)的(de)膠(jiao)卷(juan)拍(pai)攝(she)，現在(zai)已經廣泛應(ying)(ying)用(yong)了。以前我(wo)們(men)用(yong)膠(jiao)卷(juan)來(lai)進行顯(xian)微拍(pai)攝(she)，要(yao)等(deng)一卷(juan)拍(pai)完(wan)，沖(chong)洗出來(lai)才能確定拍(pai)攝(she)的(de)圖(tu)像(xiang)(xiang)是否清晰，如果拍(pai)攝(she)的(de)圖(tu)像(xiang)(xiang)不理(li)想，而顯(xian)微觀察的(de)樣品又(you)失效了，就需(xu)要(yao)重(zhong)新制作樣品，給研(yan)究工作帶來(lai)很(hen)大的(de)不便(bian)，而現在(zai)使用(yong)顯(xian)微數碼(ma)相機來(lai)拍(pai)攝(she)顯(xian)微圖(tu)像(xiang)(xiang)，所見即所得，當時就是保存(cun)(cun)處理(li)，甚至統(tong)計分析(xi)，極(ji)大的(de)提高了工作效率。

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 ，感光(guang)耦合組件(jian))上(shang)感光(guang)組件(jian)的(de)(de)表面具(ju)有儲存電(dian)荷的(de)(de)能力，并以矩陣的(de)(de)方式排列。當(dang)其表面感受到光(guang)線時，會將(jiang)(jiang)電(dian)荷反應(ying)在組件(jian)上(shang)，整個CCD上(shang)的(de)(de)所(suo)有感光(guang)組件(jian)所(suo)產生的(de)(de)信號，就構(gou)(gou)成了(le)一(yi)個完整的(de)(de)畫面。CCD的(de)(de)結構(gou)(gou)分(fen)(fen)三層(ceng)(ceng)(ceng) ，第(di)一(yi)層(ceng)(ceng)(ceng)“微(wei)型(xing)鏡頭"“ON-CHIP MICRO LENS"，這是(shi)為了(le)有效提升CCD的(de)(de)總像(xiang)素(su)，又要確保單(dan)一(yi)像(xiang)素(su)持(chi)續縮小以維(wei)持(chi)CCD的(de)(de)標準面積，在每一(yi)感光(guang)二極管上(shang)(單(dan)一(yi)像(xiang)素(su))裝置微(wei)小鏡片(pian)。CCD的(de)(de)第(di)二層(ceng)(ceng)(ceng)是(shi)“分(fen)(fen)色(se)(se)濾色(se)(se)片(pian)"，目前(qian)有兩(liang)種分(fen)(fen)色(se)(se)方式，一(yi)是(shi)RGB原(yuan)(yuan)色(se)(se)分(fen)(fen)色(se)(se)法，另一(yi)個則(ze)是(shi)CMYG補色(se)(se)分(fen)(fen)色(se)(se)法。原(yuan)(yuan)色(se)(se)CCD的(de)(de)優勢在于(yu)畫質(zhi)銳利，色(se)(se)彩(cai)真(zhen)實(shi)，但缺點則(ze)是(shi)噪聲問題。第(di)三層(ceng)(ceng)(ceng)：感光(guang)層(ceng)(ceng)(ceng)，這層(ceng)(ceng)(ceng)主要是(shi)負責將(jiang)(jiang)穿過濾色(se)(se)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)光(guang)源轉換成電(dian)子信號，并將(jiang)(jiang)信號傳送到影(ying)像(xiang)處理芯片(pian)，將(jiang)(jiang)影(ying)像(xiang)還原(yuan)(yuan)。

數(shu)碼成(cheng)像(xiang)的(de)(de)核心器(qi)件(jian)除CCD,現(xian)在(zai)越來越多的(de)(de)使用(yong)CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補(bu)性(xing)氧化金屬(shu)半導體(ti)，CMOS和(he)CCD一樣(yang)同(tong)在(zai)數(shu)碼相機中(zhong)可記錄光線變化的(de)(de)半導體(ti)。CMOS傳感(gan)器(qi)中(zhong)每一個(ge)感(gan)光元(yuan)件(jian)都直接整合了放大(da)器(qi)和(he)模(mo)(mo)數(shu)轉換邏輯，當(dang)感(gan)光二極管(guan)接受光照、產生模(mo)(mo)擬(ni)的(de)(de)電(dian)信號之后，電(dian)信號首先被該感(gan)光元(yuan)件(jian)中(zhong)的(de)(de)放大(da)器(qi)放大(da)，然后直接轉換成(cheng)對應的(de)(de)數(shu)字信號。CMOS的(de)(de)優勢(shi)在(zai)于成(cheng)本低，耗電(dian)需求少，便于制造， 可以與影像(xiang)處理電(dian)路同(tong)處于一個(ge)芯(xin)片上(shang)，缺點是較容易出(chu)現(xian)雜點。

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(de)降低噪(zao)音，減少背景，提供出色的(de)圖像(xiang)清晰(xi)度。所以一般在熒光及弱(ruo)光觀察時需要選擇(ze)制冷CCD。

在顯微(wei)數碼成像(xiang)(xiang)過程中，對于熒光(guang)及弱光(guang)的(de)拍攝，除了制(zhi)冷降低熱噪(zao)聲外，還可(ke)使(shi)用(yong) BINNING技(ji)術(shu)提高圖像(xiang)(xiang)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)，BINNING像(xiang)(xiang)素(su)合(he)(he)并是一種非常有用(yong)的(de)功能，它(ta)可(ke)被用(yong)來提高像(xiang)(xiang)素(su)的(de)大小和(he)靈(ling)敏(min)度(du)，比如攝像(xiang)(xiang)頭像(xiang)(xiang)素(su)大小為5u,當經過2x2合(he)(he)并后，像(xiang)(xiang)素(su)大小為10u，3X3合(he)(he)并后，像(xiang)(xiang)素(su)大小為15u, 這是圖像(xiang)(xiang)的(de)整體(ti)像(xiang)(xiang)素(su)變少了，但成像(xiang)(xiang)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)可(ke)提高9倍。

動(dong)態(tai)范(fan)圍(wei)表示在一個(ge)(ge)圖像中最(zui)亮與最(zui)暗(an)的比值。12bit表示從最(zui)暗(an)到最(zui)亮等(deng)分為(wei)212＝4096個(ge)(ge)級別，16bit即分為(wei)216個(ge)(ge)級別，可見bit值越高能(neng)分出的細(xi)微(wei)差別越大，一般CMOS成像系統動(dong)態(tai)范(fan)圍(wei)具有8-10bit, CCD以10-12bit為(wei)主，少(shao)部(bu)分可達16bit。對(dui)動(dong)態(tai)范(fan)圍(wei)進行量化需要一個(ge)(ge)運算公式，即動(dong)態(tai)范(fan)圍(wei)值 = 20 log (well depth/read noise)，動(dong)態(tai)范(fan)圍(wei)的值越高成像系統的性能(neng)就越好(hao)。

量(liang)子(zi)(zi)(zi)效(xiao)率也稱像(xiang)(xiang)素(su)靈敏度，指在一定的曝光量(liang)下,像(xiang)(xiang)素(su)勢(shi)阱中所積累的電(dian)(dian)荷數與(yu)入射到像(xiang)(xiang)素(su)表(biao)面上(shang)的光子(zi)(zi)(zi)數之比。不同結構的CCD其量(liang)子(zi)(zi)(zi)效(xiao)率差異很大。比如100光子(zi)(zi)(zi)中積累到像(xiang)(xiang)素(su)勢(shi)阱中的電(dian)(dian)荷數是(shi)50個，則(ze)量(liang)子(zi)(zi)(zi)效(xiao)率為50％（100 photons = 50 electrons means 50% efficiency）。值(zhi)得注意的是(shi)CCD 的量(liang)子(zi)(zi)(zi)效(xiao)率與(yu)入射光的波長有關。

對顯微數碼(ma)成(cheng)像系統的(de)(de)參數有了整體認識后，在(zai)(zai)實(shi)際(ji)應用中選擇合適型號的(de)(de)產品(pin)就(jiu)比(bi)較(jiao)容易(yi)了。高分辨率顯微數碼(ma)成(cheng)像技術在(zai)(zai)國(guo)外(wai)已有二十來年的(de)(de)發展歷史，產品(pin)目前已比(bi)較(jiao)成(cheng)熟(shu)。國(guo)外(wai)的(de)(de)專業數碼(ma)產品(pin)有多個(ge)品(pin)牌，比(bi)較(jiao)著(zhu)名的(de)(de)有德(de)國(guo)的(de)(de)ProgRes，美國(guo)Roper Scientific的(de)(de)系列產品(pin)，另外(wai)OLYMPUS、NIKON、LEICA、ZEISS等顯微鏡廠家(jia)也有一些配套的(de)(de)專業數碼(ma)成(cheng)像系統 。其中CCD成(cheng)像系統主要采用SONY及KODRA公(gong)司(si)的(de)(de)芯片，因(yin)此相關產品(pin)性能差(cha)別不是很大。

國內專(zhuan)(zhuan)業(ye)(ye)(ye)數(shu)碼(ma)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)產品的(de)(de)(de)設計制造時間還(huan)不(bu)長，但隨(sui)著(zhu)配套(tao)技術(shu)的(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)熟，100萬(wan)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)素(su)(su)以(yi)(yi)上的(de)(de)(de)CCD/CMOS專(zhuan)(zhuan)業(ye)(ye)(ye)數(shu)碼(ma)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)產品開(kai)始陸(lu)續推(tui)(tui)出(chu)，主(zhu)(zhu)要的(de)(de)(de)專(zhuan)(zhuan)業(ye)(ye)(ye)廠(chang)家有(you)北(bei)京的(de)(de)(de)大恒、微(wei)視、杭(hang)州歐普林，廣(guang)州明(ming)美等企業(ye)(ye)(ye)。北(bei)京大恒早期主(zhu)(zhu)要研發生產圖像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)采集卡，目前可以(yi)(yi)量產140萬(wan)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)素(su)(su)的(de)(de)(de)CCD攝像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)頭，130萬(wan)/200萬(wan)/320萬(wan)/500萬(wan)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)素(su)(su)CMOS攝像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)頭，主(zhu)(zhu)要用到工業(ye)(ye)(ye)領(ling)域。廣(guang)州明(ming)美是國內少數(shu)專(zhuan)(zhuan)業(ye)(ye)(ye)從事顯(xian)微(wei)數(shu)碼(ma)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)產品研發與銷售(shou)的(de)(de)(de)高新技術(shu)企業(ye)(ye)(ye)，由于具有(you)雄厚的(de)(de)(de)顯(xian)微(wei)鏡技術(shu)背景，明(ming)美推(tui)(tui)出(chu)的(de)(de)(de)130萬(wan)-900萬(wan)系(xi)(xi)列CMOS專(zhuan)(zhuan)業(ye)(ye)(ye)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)系(xi)(xi)統(tong)，1/2\ 2/3 寸140萬(wan)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)素(su)(su)、300萬(wan)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)素(su)(su)的(de)(de)(de)CCD顯(xian)微(wei)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)系(xi)(xi)統(tong)，都專(zhuan)(zhuan)門針對(dui)顯(xian)微(wei)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)特點,對(dui)底(di)層驅動軟(ruan)件進行了修正(zheng)，使之顯(xian)微(wei)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)操作更(geng)方(fang)便，色彩還(huan)原更(geng)真實，清(qing)晰度更(geng)高。

顯微數碼成像(xiang)(xiang)系(xi)(xi)統(tong)一般都是(shi)在電(dian)腦(nao)上(shang)預覽與保(bao)存，因(yin)此需要配(pei)套(tao)的(de)(de)相應的(de)(de)圖像(xiang)(xiang)采集及處理軟件(jian)(jian)，這方面國(guo)內由于知識產權保(bao)護等原因(yin)，很(hen)多公司(si)對軟件(jian)(jian)的(de)(de)開發(fa)重視程度不夠，認為(wei)硬件(jian)(jian)開發(fa)出來就萬事大吉了(le)，結(jie)果很(hen)多國(guo)產的(de)(de)成像(xiang)(xiang)系(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)控制調節不方便，功(gong)能(neng)有(you)限，需要專業的(de)(de)操(cao)作人員(yuan)才能(neng)得到好的(de)(de)圖象，影響了(le)市場的(de)(de)普(pu)及推(tui)廣，不過最(zui)近兩(liang)年這種情況(kuang)有(you)了(le)明顯的(de)(de)改進，明美光電(dian)，歐普(pu)林(lin)科(ke)技等公司(si)都推(tui)出了(le)配(pei)套(tao)的(de)(de)功(gong)能(neng)豐富的(de)(de)軟件(jian)(jian)系(xi)(xi)統(tong)。

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。
 注(zhu)意(yi):此文有廣州明美原創,如需轉載(zai)請注(zhu)明出(chu)處,否則不(bu)得轉載(zai)