顯微鏡相機:從單反到CMOS器件
攝影在過去的幾十年裏有了很大的進步。在過去，照相用的是膠片。現在大多數研究人員使用數字手段來捕捉他們的圖像。但並不是所有的數碼相機都是一樣的。為了獲得最佳效果，你需要了解不同類型的顯微鏡相機及其工作原理。
在消費類數碼相機出現之前，傳統的基於膠片的單反(單反)相機被用來從顯微鏡中捕捉圖像。安裝了適配器和光電管的膠片相機是一種耗時的捕捉圖像的方式，因為在確定圖像是否適合使用之前，膠片必須送去衝洗。
隨著數碼相機和手機相機的出現，成像技術已經大幅提升。據估計，全球拍攝的圖像總數約為3.5萬億張，約占過去12個月拍攝的所有圖像的10%1．雖然顯微鏡成像沒有可比較的數字，但這種數字技術在這一領域的使用無疑增加了。在每次成像過程中拍攝大量圖像變得如此容易。現在你隻需丟棄那些不合適的。沒有更多的等待膠片被開發，並希望你已經捕捉到一些有用的東西!
除了數碼相機，現在用智能手機捕捉顯微圖像也相對簡單。市麵上有許多適配器，可以將手機連接到顯微鏡上。
電荷耦合器件(CCD)的優點
數字成像遠遠優於基於膠片的捕捉。除了易於使用和即時的結果，數字成像有一個優越的動態範圍比攝影膠片。要了解動態範圍，請參閱這篇Bitesize Bio文章，188bet手机版APP關於動態範圍你應該知道什麼．當涉及到諸如外延照明等技術時，帶有電荷耦合器件(CCD)的數碼相機可以捕捉大約35倍於用於照亮樣品的入射光。在可見光譜的紅端，一些CCD相機可以捕捉到1000 nm左右的波長，而膠片則限製在650 nm左右2．
要了解什麼是電荷耦合設備，我們必須回到1969年和新澤西州的AT&T貝爾實驗室。在這些實驗室裏，兩位名叫喬治·e·史密斯和威廉·博伊爾的物理學家正在研究計算機存儲器和“移位寄存器”。在他們的筆記本上，他們把最初的設計稱為“充能氣泡裝置”。他們的發明進展迅速，到1971年，AT&T貝爾實驗室的科學家們能夠用這項發明捕捉圖像。大約四十年後，史密斯和波義耳因發明電荷耦合器件(CCD)而(與高錕)共同獲得諾貝爾物理學獎。3.．
從物理上講，CCD傳感器由一層薄薄的矽和一個二維光敏電容器陣列組成。在CCD傳感器中，光子被捕獲並以與光強成比例的電荷形式存儲。然後，電荷被傳遞到器件的移位寄存器部分，然後被放大並轉換為數字輸出。
CCD的局限性
在帶有CCD傳感器的相機中，當快門打開時，每個電容器的像素同時暴露在光線下。然後電容器轉移電荷，為下一次圖像捕捉做好準備。這種功能方法被稱為“全局快門”模式，即一次曝光就能捕捉到整個圖像。對於以下場景活細胞成像，這種完整的捕獲是有益的，然而，缺點是幀率下降。在CCD傳感器中，隻有一個模數轉換器(a /D)，這意味著電容器捕獲的光子/電荷越多，幀速率越慢。
用CCD相機捕捉高幀率會導致動態範圍和分辨率等因素的惡化。此外，信噪比的“噪聲”部分可能占主導地位，導致標本中精細細節的成像問題，特別是在使用可能對光漂白敏感的熒光團時。
電子倍增電荷耦合器件(EMCCD)
2000年，當Andor Technology公司推出電子倍增電荷耦合器件(EMCCD)傳感器時，這些缺陷被克服了。與CCD傳感器相比，它的優勢在於芯片上的放大器，可以在不增加噪聲的情況下將電容器的電荷增加一倍。盡管放大過程會產生噪聲，但EMCCD攝像機能夠檢測到非常低的光信號(低至單光子水平)。雖然與CCD相比，EMCCD可以實現更快的幀速率，但隻有在較慢的幀速率下才能實現高動態範圍。
使用CMOS實現更快的轉換
在“電荷泡器件”發明的六年前，Frank Wanlass在仙童半導體公司工作，在那裏他設計了互補金屬氧化物半導體(CMOS)，並於1967年獲得專利。
雖然CCD和CMOS器件之間有許多相似之處，但CMOS傳感器的製造方式是，檢測陣列中的每個像素都有自己的專用讀出放大器，每一行像素都有自己的a /D轉換器。因此，電荷轉換成數字圖像的過程在CMOS設備中的數千個a /D轉換器之間共享，而在CCD傳感器中隻有一個。
與CCD傳感器相比，CMOS器件的另一個優點是可以在兩種模式下工作——上麵提到的全局快門模式和“滾動快門”模式。在這種模式下，每一行像素的光子和電荷都可以轉換成數字輸出。因此，每一行都為下一次曝光做好了準備，而不需要等待整個像素數組的轉換。卷簾快門模式下的幀率僅受A/D轉換器的速度和傳感器中的像素行數的限製。
選擇哪一個?
對於固定標本的常規成像，許多現代消費數碼相機和智能手機都有技術，可以產生適合海報、演示文稿等的圖像。
但是，應該考慮專門為此目的設計的專用顯微鏡相機(並與顯微鏡的成像軟件兼容)，特別是對於活細胞成像或長時間捕獲圖像。
為捕捉一係列圖像隨著時間的推移(對於不光敏的樣品)，那麼帶有CCD傳感器的相機是合適的，盡管這些傳感器往往比CMOS傳感器更貴。基於ccd的相機可以增加單個圖像曝光時間，但這將取決於成像實驗中使用的熒光團的光穩定性。
對於動態成像，基於cmos的相對較高的幀率可能是有利的。當處理可能易受光毒性影響的樣品或熒光團時，值得考慮使用科學cmos(或“sCMOS”)相機。這些傳感器提供比CCD傳感器更低的信噪比，以及10倍快的幀速率，對弱光條件更敏感。
參考文獻
- Mylio。2015年的一萬億張照片。
- 顯微鏡資源中心。量子效率。
- Nobelprize.org。2009年諾貝爾物理學獎．