Центр клиентской поддержки — Meiji Techno (Мейджи Техно)
Продукция компании Meiji Techno позволяет подсоединять цифровые / аналоговые CCD и CMOS камеры напрямую к порту тринокулярной трубки микроскопа с помощью C-Mount адаптера, соответствующего размеру матрицы камеры. Любую цифровую или видео камеру с креплением C-Mount (диаметр резьбы — 1 дюйм) можно подсоединить к любому тринокулярному микроскопу компании Meiji Techno (трубка 25,2 мм), используя C-Mount адаптер. В адаптеры встроены линзы с различным увеличением для настройки общего увеличения и поля зрения. Камерам с креплением CS-Mount для установки адаптера необходимо переходное кольцо V-5MM. Адаптеры компании Meiji Techno America оснащены высококачественными линзами японского производства. Наши адаптеры для микроскопов проектируются и разрабатываются индивидуально с учетом особенностей оптической системы каждой камеры и потому исключают возможность возникновения эффекта виньетирования и минимизируют оптические ошибки, связанные с микросъемкой.
Как правило, имеющиеся на рынке бюджетные адаптеры имеют следующие проблемы, связанные с микросъемкой:
- Виньетирование: Ошибка в проектировании оптики или существенный структурный дефект может привести к возникновению виньетирования
- Дисторсия: Изображение искажено (бочкообразные искажения), особенно в периферийной области
- Разница затемнения/освещения: Яркость центральной и периферийной области отличается даже при одинаковом освещении
- Геометрическое искажение: По сравнению с центральной областью, периферийная область искажена и отличается более низким разрешением
- Светящаяся точка: Белое/Черное пятно может возникнуть на изображении из-за внутреннего преломления света в линзе и тубусе объектива
Знакомство с сенсорами
Любая цифровая камера имеет сенсор, чаще всего CCD-сенсор или CMOS-сенсор.
Сенсоры представляют собой аналоговые устройства, преобразующие фотоны в электрические сигналы. Процесс, в ходе которого аналоговая информация превращается в цифровую называется преобразование аналог-код. При захвате изображения цифровой камерой свет проходит сквозь линзу и падает на сенсор. Сенсор состоит из фотоэлементов, соответствующих элементам изображения, которые также называют пикселями, которые фиксируют количество падающего на них света. Они преобразовывают полученное количество света в соответствующее количество электронов. Чем сильней свет, тем больше образуется электронов. Электроны преобразуются в заряд, который затем превращается в цифры с помощью преобразователя аналог-код. Сигнал, состоящий из цифр, обрабатывается электронными схемами внутри камеры. В настоящее время существует две основных технологии, используемые для сенсоров в камере, а именно: CCD (ПЗС — прибор с зарядной связью) и CMOS (КМОП — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Ниже будет описано их строение, а также преимущества и недостатки.
Цветовая фильтрация
Сенсоры фиксируют количество света, но не воспринимают цвета. Поэтому для определения цвета перед сенсором устанавливается цветной светофильтр, позволяющий сенсору назначать оттенки цвета каждому пикселю. Наиболее распространенные способы цветовоспоизведения — RGB (Red, Green, Blue) и CMYG (Cyan, Magenta, Yellow, and Green). Красный, зеленый и синий являются основными цветами, при смешивании которых можно воспроизвести большую часть цветов, видимых человеческим глазом.
В CCD-сенсоре, свет (заряд), падающий на пиксель сенсора, передается от микросхемы через один выходной узел, или через всего лишь несколько выходных узлов. Заряды преобразуются в уровень напряжения, накапливаются и рассылаются как аналоговый сигнал. Этот сигнал затем суммируется и преобразуется в числа аналого-цифровым преобразователем, вне сенсора. CCD-технология была изобретена специально для использования в видеокамерах, и CCD-сенсоры используются на протяжении более 30 лет.
Традиционно у CCD-сенсоров есть ряд преимуществ перед CMOS-сенсорами, а именно лучшая светочувствительность и низкий уровень шумов. В последнее время, однако, различия едва заметны. Недостатки CCD-сенсоров заключаются в том, что они являются аналоговыми компонентами, что требует наличия большего числа электроники «около» сенсора, они дороже в производстве и могут потреблять до 100 раз больше энергии, чем CMOS-сенсоры. Повышенное энергопотребление может также привести к повышению температуры в самой камере, что негативно сказывается не только на качестве изображения и увеличивает стоимость конечного продукта, но и степень воздействия на окружающую среду. СCD-сенсоры также требуют более скоростную передачу данных, т.к. все данные проходят через всего лишь через один или несколько выходных усилителей.CMOS-технология
На ранних этапах обычные CMOS-чипы использовались для отображения, однако качество картинки было низким, в связи с низкой световой чувствительностью КМОП-элементов.
Современные CMOS-сенсоры изготавливаются по более специализированной технологии, что привело к стремительному росту качества изображения и светочувствительности за последние годы. CMOS-чипы обладают рядом преимуществ. В отличие от CCD-сенсоров, CMOS-сенсоры содержат в себе усилители и аналого-цифровые преобразователи, что значительно снижает стоимость конечного продукта, т.к. он уже содержит все необходимые элементы для получения изображения. Каждый CMOS-пиксель содержит электронные преобразователи. По сравнению с CCD-сенсорами, CMOS-сенсоры обладают большим функционалом и более широкими возможностями интеграции. Тем не менее, наличие электронных схем внутри чипа приводит к риску появления более структурированного шума, например полос. Из других преимуществ следует также отметить более быстрое считывание, меньшее потребление энергии, высокую сопротивляемость шумам и меньший размер системы. В CMOS-сенсорах существует возможность считывания изображения с отдельных пикселей, что позволяет «оконизировать» изображение, т.
Основные различия
CMOS-сенсоры содержат в себе усилители, преобразователи аналог-код и часто микросхемы дл дополнительной обработки, в то время как в камере с CCD-сенсором большинство функций по обработке сигнала проводятся за пределами сенсора. CMOS-сенсоры потребляют меньше энергии в отличие от CCD-сенсоры, что означает, что внутри камеры может поддерживаться более низкая температура. Повышенная температура CCD-сенсоров может увеличить интерференцию. С другой стороны CMOS-сенсоры могут страдать от структурированного шума (полосы и т.д.). CMOS-сенсоры поддерживают «оконизацию» изображения и многопотоковое видео, что невозможно в CCD-сенсорах.
Заключение
CCD и CMOS-сенсоры обладают различными преимуществами и недостатками, но технологии стремительно развиваются и ситуация постоянно меняется. Использование надлежащего C-Mount адаптера от Meiji Techno America позволит вам добиться наилучшего качества изображения в объективах микроскопа.
Примечание: Уменьшающие линзы (то есть с увеличением менее 1.0x) обычно используются для компенсации повышенного фактора увеличения при использовании камер вместе с микроскопами.
CCD и CMOS камеры для микроскопов
В этой статье мы с Вами рассмотрим плюсы и минусы каждого вида сенсоров.
CMOS матрицы (Complementary Metal Oxide Semiconductor) — в переводе с английского обозначает, что они изготовлены на основе комплементарных металло-оксидных полупроводников. На ранних стадиях развития видеотехнологий CMOS-матрицы имели ряд существенных недостатков: они обладали высоким уровенем шума, остаточный заряд и большой ток утечки. По вышеописанным причинам CMOS-матрицы долгое время не использовались в профессиональной и специализированной аппаратуре.
CCD матрицы (Charge Coupled Device) — сделаны на основе ПЗС датчиков (прибор с зарядовой связью). История CCD-матриц известна еще с 1970-х годов, когда они широко применялись в видеокамерах и профессиональном оборудовании. Они служат для преобразования светового пучка, проходящего через объектив камеры, в электронный сигнал. Он в свою очередь преобразуется процессором видеоустройства в «цифру».
Какие камеры для микроскопов лучше использовать?
До недавнего времени ситуация на рынке видеоустройств, позволяющих обеспечивать вывод изображения с микроскопа была четко определена: видеоокуляры и камеры для микроскопов, которые использовали CCD-матрицы, обеспечивали более высокие значения при съемке динамичных и небольших объектов.
Их использовали для профессиональных исследований, требующих высокого качества изображения. Камеры на основе CMOS-датчиков предназначались в основном для довольно бюджетных решений, для которых была важны конечная стоимость. CMOS чипы давали изображения недостающего качества, плохо работали в условиях низкой освещенности, в то время как CCD-матрицы давали и дают сейчас более низкий уровень шума, высокую контрастность и яркость изображений.
В контексте микроскопических исследований безусловно понятно, насколько важна возможность качественной съемки при низкой освещенности. Освещенность — вот одино из самых главных препядствий к использованию CMOS-датчиков.
Выводы о CCD и CMOS датчиках
Следует отметить, что прогресс не стоит на месте, за годы развития видеотехнологий накопленный опыт производства сенсоров позволил к настоящему времени значительно снизить постоянные и случайные шумы, которые напрямую влияют на качество изображения.
В ранних устройствах на базе CMOS-датчиков было и еще одно слабое мето — из-за слабой чувствительности сенсора при захвате динамического изображения появлялись искажения.
Современные устройства удается спроектировать таким образом, чтобы избежать этих искажений. Можно сказать, что фактически уже 0,3 Мп камеры избавлены от этой проблемы. Захват изображения на таких устройствах возможен со скоростью 15-30 кадров/с без особых артефактов.
Подводя итог хочется сказать следующее: современные CCD и CMOS матрицы все сильнее сближаются, но, тем не менне CMOS-технологии зачастую не подходят высокоточных исследований.
И напоследок, рассмотрим плюсы и минусы CCD-сенсоров.
Преимущества CCD-матриц:
- CCD матрицы обладают более низким уровнем шумов, по сравнению с CMOS матрицами.
- Высокий коэффициент заполнения пикселов (близко к 100%).
- Высокая эффективность, рассчитанная как отношение числа зарегистрированных фотонов к фотонам, попавшим на светочувствительную область матрицы, для CCD — 95%).
- Высокая чувствительность, или динамический диапазон, как еще называют эту характеристику, что позволяетлучшие показатели при работе в условиях недостаточной освещенности.
Недостатки CCD-матриц:
- Сложный принцип считывания сигнала, а следовательно и технология производства.
- Высокое энергопотребление (до 2-5Вт).
- Дороговизна — зачастую стоимотсь в разы выше простого билогического микроскопа.
Визуальное руководство по ПЗС, ЭМ-ПЗС и КМОП
Чтобы использовать все доступные функции на этом сайте, в вашем браузере должен быть включен JavaScript.
ЭТО РУКОВОДСТВО ПРЕДНАЗНАЧЕНО ДЛЯ:
Людей, интересующихся научными камерами
ЭТО РУКОВОДСТВО ПРЕДЛАГАЕТ:
Краткий обзор камеры, чтобы понять, как технологии влияют на производительность и возможности
9001 ДАТЧИКИ
Рис. 1. Схема ПЗС-датчика изображения.
Каждый пиксель ПЗС-сенсора изображения (рис. 1) состоит из фотодиода и потенциальной ямы, которую можно рассматривать как ведро для фотоэлектронов.
Зависимое от длины волны количество света, попадающего на датчик, преобразуется в электрический заряд (фотоэлектроны). Это зависящее от длины волны преобразование света в фотоэлектроны передается через спецификацию квантовой эффективности (QE).
Рис. 2. Фотоэлектроны передаются по каждому ряду пикселей, а заряд накапливается пиксель за пикселем последовательно в контейнере в конце реле.
Фотоэлектроны накапливаются в каждом сегменте до тех пор, пока не наступит время считывания, когда все фотоэлектроны переместятся из одного сегмента в другой по каждому ряду пикселей (рис. 2). Заряд собирается пиксель за пикселем — последовательно — в контейнер в конце реле. Попав в контейнер, фотоэлектроны преобразуются в напряжение и обрабатываются в изображение на печатной плате камеры.
Поскольку фотоэлектроны преобразуются в сигнал (напряжение) на общем порту, скорость получения изображения ограничена.
Рис. 3. Схема датчика EM-CCD. Датчики
EM-CCD (рис. 3) имеют дополнительный компонент, регистр умножения, который умножает фотоэлектроны перед считыванием датчика (подробнее о регистре умножения и шуме читайте здесь). Однако этот процесс вводит еще один источник шума, называемый коэффициентом шума (или избыточным шумом), который снижает эффективную QE этих камер примерно до половины исходной QE.
Поскольку фотоэлектроны преобразуются в сигнал (напряжение) на общем порту, скорость получения изображения ограничена.
КМОП-ДАТЧИК ИЗОБРАЖЕНИЯ
Рис. 4. Схема датчика CMOS.
В отличие от датчиков CCD и EM-CCD, каждый пиксель датчика изображения CMOS (рис. 4) состоит из пары фотодиод-усилитель.
Как и в ПЗС-датчике, свет, попадающий на КМОП-датчик, преобразуется в фотоэлектроны, при этом эффективность преобразования (КЭ) зависит от длины волны.
Но в отличие от ПЗС-сенсора, фотоэлектроны преобразуются в напряжение с помощью пары фотодиод-усилитель каждого пикселя. Поскольку преобразование в напряжение происходит параллельно, а не последовательно, как в случае с датчиком CCD, получение изображения может быть намного быстрее для датчиков CMOS.
Оптимизированная архитектура научных КМОП-сенсоров сочетает в себе высокий QE с высокой частотой кадров и низким уровнем шума — без коэффициента шума, вносимого регистром умножения EM-CCD. 1 Эта комбинация возможностей позволяет получать биологические изображения с высокой скоростью и высоким разрешением даже в условиях низкой освещенности.
Ссылки
- Huang, F. et al. Видеоскоростная наноскопия с использованием алгоритмов локализации одиночной молекулы, специфичных для камеры sCMOS. Нац. Методы 10 , 653–658 (2013).
- Контакт
CCD CMOS или sCMOS — все продукты
Простое руководство по обзору датчиков CCD, CMOS и sCMOS¶
- CCD, CMOS и sCMOS
- A simple guide reviewing CCD vs CMOS vs sCMOS sensors
- Image sensors
- CCD sensors — Cameras using CCD Technology
- CMOS sensors — Cameras using CMOS Technology
- Technical details of CMOS camera
- CMOS Camera Modules
- Сенсоры sCMOS — камеры, использующие технологию sCMOS
- sCMOS с задней подсветкой
- Какая технология делает датчик изображения лучшим для камер?
- Сравнительная таблица: CCD, CMOS и sCMOS
Ассортимент XIMEA предлагает широкий спектр камер, основанных на различных типах датчиков, таких как CCD, CMOS и совсем недавно sCMOS (Scientific CMOS), включая версии с задней подсветкой.
Как правило, сенсоры бывают разных разрешений, размеров сенсоров и пикселей, уровней шума, частоты кадров и многих других характеристик.
Различные приложения требуют или подчеркивают определенные параметры, которые могут исключать друг друга, например, очень трудно добиться низкого уровня шума в сочетании с высокой скоростью.
Если вы не уверены, какую производительность вы можете ожидать от датчика какого типа, возможно, следующий обзор может пролить свет.
Рис. ПЗС-датчик из семейства KAI
Датчики изображения¶
Наиболее широко используемые датчики изображения основаны на этих трех технологиях: старая ПЗС, за которой следуют КМОП и sCMOS, как самые новые.
ПЗС-датчики — Камеры с использованием технологии ПЗС¶
Устройство с зарядовой связью или ПЗС представляет собой интегральную схему, выгравированную на поверхности кремния, формирующую светочувствительные элементы, называемые пикселями. Фотоны, падающие на эту поверхность, генерируют заряд, который может быть считан электроникой и преобразован в цифровой сигнал.
Размер ПЗС-матрицы может варьироваться в зависимости от типа применения, обычно для научных областей.
Как и другие датчики, ПЗС-матрицу можно представить в виде массива ведер (пикселей), собирающих дождевую воду (фотоны), где каждое ведро подвергается воздействию дождя в течение одинакового времени.
Экспозиция заполняет пиксели различным количеством фотонов, после чего считывается по одному пикселю за раз.
Этот процесс начинается с передачи фотонов в соседний пустой столбец. Пиксели в этом столбце передают свои фотоны последнему пикселю, где электроника камеры считывает этот пиксель и превращает его в число, которое может быть понято и сохранено компьютером.
В любом случае, популярность ПЗС-сенсоров снижается, и после того, как Sony объявила о прекращении производства своей линейки к 2025 году, их использование сокращается.
Несмотря на то, что они довольно медленные, их основными преимуществами по-прежнему являются длительное максимальное время экспозиции и АЦП, составляющий 16 бит и более.
XIMEA продолжает продавать ПЗС-камеры, особенно в сочетании с Термоэлектрическое охлаждение с элементами Пельтье.
Эти датчики также доступны в версиях с защитным стеклом с лентой и без микролинз.
Рис. Различные КМОП-сенсоры с глобальным затвором
КМОП-датчики — Камеры, использующие КМОП-технологию¶
В то время как ПЗС-матрица имеет низкий уровень шума считывания и темнового тока, высокую чувствительность и широкий динамический диапазон, комплементарные металл-оксидные полупроводники или КМОП быстро догоняют всех из этих направлений.
В прошлом основным отличием был Rolling Shutter, который мешал CMOS с так называемым эффектом смазывания при отслеживании быстрого движения — это больше не относится к новейшим моделям, которые в основном оснащены Global Shutter.
Кроме того, КМОП добавляют свои основные преимущества, такие как высокая скорость и более низкая стоимость.
Таким образом, КМОП в настоящее время является наиболее широко используемой технологией и предлагает самый широкий выбор возможных датчиков.
Технические детали камеры CMOS¶
Однако, поскольку CMOS использует поверхностные элементы, у этой технологии есть недостатки.
С фотонами можно использовать микролинзы, чтобы направлять их на области, не закрытые металлическими частями, и компенсировать часть потерь, но это, конечно, невозможно с электронами.
Более того, несмотря на то, что КМОП-устройства могут генерировать низкий темновой ток при заданной температуре, это, как правило, не имеет значения из-за повышенного шума считывания с каждого КМОП-пикселя.
Как следствие, КМОП обычно не охлаждается до такой степени, как ПЗС.
Модули камер CMOS¶
Одним из основных преимуществ датчиков CMOS является то, что они идеально подходят для использования во встроенных системах машинного зрения, особенно в версии на уровне платы.
Их скорость, размер, вес, взаимозаменяемость и другие факторы также помогают создавать надежные мобильные многокамерные установки.
Рис. Новейшие КМОП-датчики для научных исследований от Gpixel
Датчики sCMOS — Камеры, использующие технологию sCMOS¶
Scientific CMOS, или sCMOS, — это революционная технология, основанная на методах проектирования и изготовления КМОП-датчика изображения (CIS) нового поколения.
Технология sCMOS предлагает уникальную возможность одновременного получения противоречивых рабочих параметров от других типов датчиков.
Рис. Датчики sCMOS большого формата с задней подсветкой
sCMOS с задней подсветкой¶
Как и в случае с ПЗС-сенсорами, CMOS (и sCMOS) имеет версию BSI с подсветкой сзади.
Это означает, что их нужно делать очень тонкими, что значительно снижает производительность, особенно для больших сенсоров, и увеличивает цену.
Низкоэнергетические электроны, вероятно, будут поглощаться очень быстро, и пары e-h будут создаваться в собственном слое кремния, где они могут легко рекомбинировать.
Тем не менее, все это компенсируется светочувствительностью sCMOS с обратным утонением на длине волны пикового поглощения.
Они превращают до 95% падающих фотонов в полезный сигнал, который можно считывать с помощью электроники с низким уровнем шума.
Какая технология делает лучший датчик изображения для камер?¶
Как вы уже догадались, ответ подобен вопросу о том, какая технология интерфейса лучше для приложения.