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尼康显微镜CCD有哪些组成?

2014-03-30  发布者:admin 

 数字照相机系统中,集成了多种电荷耦合器件(CCD)检测器的配置,是迄今为止在现代光学显微镜所采用的最常见的图像捕获技术。 直到最近,专门常规胶片照相机普遍用于记录在显微镜下观察的图像。 这种传统的方法,依靠的基于银的照相胶片的光子的敏感性,涉及的光化学反应位点的曝光胶片,它的化学处理(显影之后才成为可见的膜乳剂层中形成潜像的临时存储)。

数码相机的CCD的光子检测器,一个薄的硅晶片分成数以千计的光敏感区域或一百万几何规则排列替换敏化膜,在形式捕获和存储图像信息的本地化是随入射光强度的电荷。 与检测器的每个画面元件(像素)的相关联的变量的电子信号被读出,非常迅速地对相应图像的位置的强度值,和下面的值的数字化,图像可以被重建并在计算机显示器上显示的几乎瞬间。

专门用于光学显微镜设计的几个数字相机系统示于图1。 尼康数码Eclipse的DXM1200提供高品质的照片,逼真的数字化图像的分辨率最大可达1200万像素,低噪音,卓越的色彩还原,灵敏度高。 该相机是由软件,使显微镜有很大的自由度去收集,组织和纠正数字图像控制。以每秒12帧的支持计算机屏幕上实时色彩监控可以方便的图像,可以保存三种格式可供选择的重点:JPG,TIF,BMP和更大的灵活性。

在DS-5M-L1数码瞄准器相机系统(图1)是尼康的创新数字成像显微镜,强调易用性和所有功能于一身的概念效率,结合系统内置的液晶显示器在一个独立的控制单元。 该系统优化的高分辨率图像可达5百万像素,通过简单的菜单和预编程的成像模式适用于不同的观察方法捕获。 独立的设计提供了独立的操作,包括图像存储到CF卡装在控制/监视单元的优势,但具有完整的网络功能,如果需要的多功能性。 连接可以通过一个USB接口的PC,以及局部区域网络或经由以太网端口因特网。 网页浏览器支持可用于实时图像浏览和远程摄像机控制,摄像机控制单元支持HTTP,TELNET,FTP服务器/客户端,DHCP是兼容的。 在图1所示的摄像系统代表当前可用于数字成像与光学显微镜的先进技术。

也许数字图像捕捉在光学显微镜的一个最显著优点,例举由CCD照相机系统中,这样的可能性,对显微镜立即确定是否期望的图像已经被成功地记录。 这种能力是特别有价值考虑的许多成像的情况下,实验的复杂性和常常被认为是研究过程的瞬态特性。 虽然在等效作用到该薄膜的电荷耦合器件检测器的功能,它具有多个用于成像在许多应用中优于属性。 科学级CCD相机显示出非凡的动态范围,空间分辨率,光谱带宽和采集速度。 考虑到高感光度CCD一些系统中,约ISO 100,000将被要求出示的可比信号噪声比(SNR)图像的胶片速度等级的光收集效率。 当前CCD的空间分辨率是类似的膜,而其光强分辨率大小的一个或两个数量级比由胶片或摄影机取得较好的。 传统的照相胶片不表现出灵敏度在波长超过650纳米的光的对比度,以高性能的CCD传感器,它通常具有显著量子效率到近红外光谱区域。 CCD相机在宽范围内的光强度的线性响应有助于优异的性能,并给出了这种系统的定量能力,成像光谱仪。

的CCD成像器包括大量的布置在上一个薄的硅衬底上的二维阵列光感测元件。 硅的半导体特性使CCD芯片来捕获和保持在适当的电偏压条件光子诱发的电荷载体。 各个画面元素或像素,是在硅基质由窄透明载流电极条带,或 ,沉积在芯片上的正交网格来定义。 CCD的基本光感测单元是一个金属氧化物半导体(MOS)电容器操作为光电二极管和存储设备。 这种类型的单个MOS器件示于图2中,与反向偏置操作使负电荷的电子迁移至带正电的栅电极下方的区域。 电子被光子相互作用解放被存储在耗尽区到全井储容量。 当多个检测器结构被组装成一个完整的CCD,阵列中各个检测元件被施加到表面电极上的电压隔离在一个维度上,并且通过绝缘壁或通道电隔离的其在其他方向上的邻居停止时 ,内硅衬底。

向入射的光子的CCD响应通过吸收太多的能量,从而导致释放电子,并在硅晶格中相应的缺乏电子的位点(孔)的形成的光传感光电二极管元件。 一个电子 - 空穴对从每个被吸收的光子产生的,并积聚在每个像素中产生的电荷是线性正比于入射光子的数量。 施加到每个像素的电极的外部电压控制在规​​定的时间间隔内累积的电荷的存储和移动。 首先,在传感器阵列用作势阱的每个像素,以收集过程中存储的电荷,并且,虽然无论是带负电荷的电子或带正电的空穴可以积累(取决于CCD设计),由入射光产生的电荷的实体通常是被称为光电子 。 本讨论认为电子是电荷载流子。 这些光电子能之前从芯片中读取由相机电子装置的成像过程中的一个阶段进行累加并存储在长的时期。

与设备的感光区域,收集和储存所释放电荷,电荷传输和电荷测量的电荷产生通过光子相互作用:图像生成用CCD照相机可以分为四个主要阶段或功能。 在第一阶段期间,电子和空穴在响应于入射光子在MOS电容器结构的耗尽区中产生,并释放出电子迁移到相邻的正偏压的栅电极下方形成良好的电势。 铝或多晶硅表面的栅电极叠置的系统,但是是从,电荷携带被掩埋一层绝缘的二氧化硅置于所述栅极结构和硅衬底之间的内通道隔开。 多晶硅利用作为电极材料提供透明度入射波长大于约400纳米,并且增加了设备,可用于集光的表面面积的比例。在耗尽区中产生的电子最初收集到与每一像素相关联的正电势阱。 在读出时,收集到的电荷随后沿着施加到栅极结构的电压的影响下,传输通道移位。 图3示出在电极结构,其限定一个单独的CCD传感元件。

在一般情况下,所存储的电荷是线性正比的光束入射在传感器上的像素到井的能力;因而这满阱容量(FWC)确定所用的像素被检测的最大信号,并且是一个首要因素影响CCD的动态范围。 的CCD势阱的电荷容量在很大程度上是各个像素的物理尺寸的函数。 自从首次引入商业上,CCD的通常被配置成与方形像素组装成矩形区域阵列,以4:3是最常见的纵横比。 图4根据一个即涉及CCD大小,以摄像管的管径历史惯例呈现的几种最常见的传感器格式目前使用的典型的尺寸,其尺寸指定以英寸。

CCD格式

的矩形几何形状和CCD的常见尺寸从与光导摄象管筒摄像机早期的竞争,这需要的固态传感器,以产生一个电子信号输出,符合现行视频标准的时候造成的。 请注意,“英寸”的指定不直接向任何CCD的尺寸相对应,但是表示扫描在相应圆光导摄象管筒的矩形区域的大小。 一个指定的“1英寸”的CCD具有对角线16毫米和9.6×12.8毫米传感器的尺寸,从1英寸光导摄象管筒具有25.4毫米的外径和输入窗口中大约为18毫米的被扫描区域而得直径。 不幸的是,这种混乱的命名法已持续,经常在参照CCD“类型”,而不是尺寸使用,甚至还包括分类的分数和小数的术语,例如广泛使用的1/1.8英寸的CCD是在中间的组合传感器2英寸和3英寸设备之间的大小。

虽然消费类相机继续主要采用建造的“标准化”大小格式之一矩形传感器,它正在成为越来越普遍的科学级相机把方形的传感器阵列,更好地在显微镜投影的圆形图像字段相匹配。 大范围的传感器阵列规模的生产,而单个像素的尺寸差别很大的不同性能参数的优化设计。 在共同的3英寸格式的CCD通常具有768×480或更二极管8.8×6.6毫米(11毫米对角线)和尺寸的阵列。 由对角线许多传感器阵列表示的最大尺寸小于视典型显微镜场相当小,并且导致在全视场的仅一部分的高度放大的视图。 增加的放大倍率可以有利于在一些应用中,但是,如果视场减小,是成像的障碍,缩图式中间光学元件是必需的。 另一种方法是使用一个更大的CCD传感器,更好的像场直径,取值范围为18至26毫米的典型显微结构相匹配的。

CCD的潜力,以及存储容量的近似值可以通过乘以1000二极管(像素)区获得。 许多消费级3英寸的CCD,具有像素尺寸介乎7至13微米大小,都能够从50,000到100,000的电子存储。使用这种近似策略,用10×10微米尺寸的二极管将有一个全井产能约100,000电子。 对于一个给定的CCD的大小,设计选择有关阵列中的像素的总数,并因此它们的尺寸,需要的空间分辨率和像素电荷容量之间的折衷。 在目前的消费电子设备朝着最大化的像素数和分辨率有一种趋势,导致在非常小的二极管的尺寸,用一些较新的3英寸传感器采用像素小于3微米大小。

专为科学成像的CCD都采用传统的比那些面向消费者(尤其是视频速率)和工业应用较大的光电二极管。 因为全阱容量和动态范围是二极管尺寸的直接功能,在慢扫描成像应用中使用的科学级CCD具有通常采用二极管一样大的25×25微米,以便最大限度地动态范围,灵敏度,以及信信噪比。 目前许多高性能科学级摄像机采用了已启用使用具有更小的像素,这是能够保持显微镜的光学分辨率,高帧率的大型阵列的设计改进。 几百万像素的这些改进设计的大阵列可以提供对整个视场的高清晰度图像,并利用像素组合(下文讨论)和可变速率读出,必要时提供更大的像素更高的灵敏度。

CCD的阵列读出的光电子

从在CCD每感元件之前存储的电荷可被测量以确定该像素的光子通量,电荷必须首先被转移到读出节点,同时保持电荷包的完整性。 一种快速和有效的电荷转移过程,以及快速读出机构,是至关重要的CCD作为摄像元件的功能。 当大量的MOS电容被放置在靠近在一起以形成传感器阵列,电荷在整个设备通过操纵上的图案,导致电荷从一个电容到溢出到下一个,或从一排电容器栅极电压移电容下。 电荷的硅内的翻译是有效地耦合于施加到上覆的电极结构中,术语“电荷耦合”设备的基础时钟电压模式。 对CCD最初被设想为一个存储器阵列,并且意在充当电子版磁泡装置。 电荷转移过程方案满足用于建立表示信息比特的物理量,并保持其完整性,直至读出的存储设备中的关键要求。 在用于成像的CCD中,信息位是由来自光子相互作用而得电荷的分组表示。 因为CCD是一个串口设备,电荷包被读出,一次一个。

在指定的时间间隔期间每个CCD光电二极管中累积的所存储的电荷,被称为积分时间曝光时间 ,必须进行测量,以确定在该二极管上的光子通量。 存储的电荷的定量是由能够提供每个传感器元件的电荷包,在序列中,以一个单一的测量节点并行和串行传输的组合来实现。所述电极网,或门结构 ,在传感器元件相邻的层建立到CCD,构成移位寄存器的电荷转移。基本电荷转移的概念,使串行读出从二维二极管阵列最初需要从成像面个别电荷包的整个阵列中,构成并行寄存器 ,可以同时由一个单排增量移位传送。 整个并行寄存器的电荷耦合移位移动的距离最近的寄存器边缘像素电荷的行成沿着被称为串行寄存器的芯片的一个边缘像素的一个专门单列。 它是从这一排的电荷包移动顺序来一个片上放大器进行测量。 经过串行寄存器被清空,它是由另一行移位的并行寄存器的重新填充,以及并行和串行移位的周期反复进行,直到整个并行寄存器被清空。 一些CCD制造商利用条款的垂直水平中所指的并行和串行寄存器,分别,尽管后者范围与每个完成的功能更容易地相关联。

一种广泛使用的比喻在一个可视化的CCD串行读出的概念,以帮助为水桶大队的降雨测量,其中降雨强度下降桶阵列上可能会因地而异的相似入射光子放置在成像传感器(请参阅图5(a))。 并行寄存器是由水桶的数组,它在一个积分周期已收集各种量的信号(水)的表示。 在铲斗中逐步的方式向着一排表示串行寄存器空水桶的输送传送带上,并且其移动的第二传送装置垂直取向的第一个。 在图5(b),桶整排被移出并行到串行寄存器的水库。 串行移位和读出操作被示于图5(c),其中描绘了在每个桶中顺序地被转移到一个校准的测量容器,类似于对CCD输出放大器的累积雨水。 当串行传送的所有容器中的内容已经在序列测定,收集桶到串行寄存器容器的下一行的另一个平行移动传输内容,这个过程重复进行,直到每个桶(像素)的内容进行了测量。

有许多设计,其中的MOS电容器可以被配置,并且其栅极电压驱动,以形成一个CC​​D成像阵列。 如前所述,栅电极被布置在条带覆盖在CCD面的整个成像面上。 最简单和最常用的电荷转移配置是3相 CCD设计,其中每个光电二极管(像素)被分成三份与由栅电极限定三个平行的势阱。 在这个设计中,每个第三栅极连接到相同的时钟驱动器电路。 在CCD上的基本感元件,对应于一个像素,包括三个栅极连接到三个独立的时钟驱动器,称为相1,相2和相3的时钟。 三个平行浇口的每个序列组成单个像素的寄存器,以及数以千计的像素覆盖在CCD的成像面构成该设备的并行寄存器。 一旦被困在一个势阱中,电子穿过每个像素中的三个步骤,从而改变电荷包从一个像素行到下一个移动。 的施加到平行(垂直)栅极结构的交替的电极电压的变化的序列动势阱,并根据并行移位寄存器的时钟的控制下捕获电子。

三相传输中使用的一般定时计划开始于一个电荷积分步骤,其中每两个像素中的三个平行的相位被设置为一个高的偏置值,产生高场区域相对于所述第三门,其被保持在低或零电位。例如,阶段1和2可以指定收集阶段 ,在较高的静电势相对举行第3阶段,它作为一个屏障相被收集在相邻像素的高场阶段单独收费。 下面的电荷积分,转移只持有阶段1门高电位,使该阶段产生的电荷会收集那里开始,并在相位2和相位3阶段产生的电荷,现在无论是在零电位,迅速扩散进入下阶段1的势阱。 图3示出在电极结构,其限定一个3相CCD的每个像素,并描绘了电子累积在井相关的相位-1电极,其被保持在正电压(标记为+ V)的电位。 电荷转移的进展与适当定时的电压施加到栅极,以使潜在的阱和势垒,以在每个像素的迁移顺序。

在每次转移步骤,耦合到远远超过电荷包的电压为正时以及含电子为负或设为零(接地),从而迫使累积的电子向前进到下一个阶段。 而不是利用突然的电压转换的定时序列,在相邻的相的施加电压的变化是渐进的和重叠,以确保最有效的电荷转移。 到阶段2的转变是通过施加正电位,以相2门,相位1和相位2井之间散布收集的电荷,并且当相位-1电位返回到地,整个电荷包被强制进入第2阶段。 的定时电压转换类似的序列,根据并行移位寄存器时钟的控制,是用来充电的第二阶段转向第三阶段,这个过程一直持续到一个完整的单像素移位已经完成。一个三相时钟周期应用于整个并行寄存器的结果,在整个阵列的单排移。 在三相传输的一个重要因素是,一个势垒总是相邻像素的电荷包,这使得保持在整个图像捕获序列传感器和显示像素之间的1对1的对应空间之间保持。

图6示出操作的说明只是用于电荷转移在一个3相CCD,以及用于通过并行移位寄存器提供时钟来完成的传输驱动脉冲的定时序列的序列。 在该像素的该示意性的可视化,电荷被描绘从左到右由定时信号的同时减少对正偏置电极上的电压(在定义的势阱)并增加其上的电极向右侧(图6(被转移a)和图6(b))。 在过去的三个步骤(图6(c))的,电荷被完全从一个栅电极转移到下一个。 请注意,时钟驱动脉冲的上升沿和下降沿相位定时,以便更有效地传送电荷,以尽量减少电荷损失在换档过程中的可能性稍微(未示出)重叠。

每个完整的并行传输,电荷从整个像素行的数据包移入串行寄存器在那里他们可以向输出放大器被顺序地移动,如图中的斗链式比喻(图5(c))。 这个水平(串行)传送利用相同的三相充电联接机构作为纵行移位,以通过从串行移位寄存器的时钟信号提供的在这种情况下,定时控制。 后的所有像素被从串行寄存器,用于读出传输时,并行寄存器时钟提供的时间信号,用于俘获光电子的下一行转移到串行寄存器。 在串行寄存器中的每个电荷包将被传递到CCD的在那里被检测和读出由一个输出放大器(有时被称为芯片上的前置放大器),该电荷转换为成比例的电压输出节点。 放大器的输出电压表示由连续的光电二极管所产生的信号幅度,作为读出顺序由左至右每行中和从顶行到底部的整个二维阵列。 在此阶段的CCD输出,因此,等效于在装置的成像表面上积聚的电荷的光栅扫描的模拟电压信号。

后输出放大器满足放大电荷包,并将其转换为成比例的电压的它的功能,该信号被发送到一个模拟-数字转换器(ADC),该转换的电压值转换成所必需的01的二进制码解释由计算机。 每个像素被分配了ADC的对应于信号幅度的数字值,在根据分辨率或位深度的大小的步骤。 例如,能够12位分辨率ADC的分配每个像素的取值范围为0〜4095,相当于4096可能的图像灰度级(2的12次方等于4096数字化仪的步骤)。 每个灰度级的步骤被称为一个模拟到数字的单元(ADU)。

当前CCD成像系统的技术复杂性是显着的考虑大量捕获的数字图像所需的操作,以及与该处理完成的精度和速度。 捕获单个图像与全帧CCD相机系统所需的事件顺序可以总结如下:

  • 相机快门打开,开始光电子的积累,同为电荷收集偏压适当的栅极电极。

  • 在积分周期结束时,快门闭合,在像素中累积的电荷被根据来自相机电子装置的时钟信号控制移位的行由行跨越并行寄存器。 的电荷包的行按顺序从并行寄存器的一个边缘传送到串行移位寄存器。

  • 充在串行寄存器像素的内容传送一个象素在一个时间到输出节点由一个片上放大器,它可增强电子信号,并将其转换成模拟电压输出被读取。

  • 一个ADC,根据其电压幅度分配给每个像素的数字值。

  • 每个像素值被存储在计算机存储器中或在相机的帧缓冲器。

  • 反复进行串行读出过程,直到并行寄存器的所有像素行被排空,这通常是1000个或更多行的高分辨率摄像机。

  • 在内存中的完整映像文件,这可能是几兆大小,显示在计算机屏幕上的视觉评估在一个合适的格式。

  • CCD被清除剩余电荷之前,在下曝光通过执行完整的读出周期以外的数字化步骤。

尽管大量执行的操作的,超过百万像素可以转移在整个芯片,分配一个灰度值具有12位的分辨率,存储在计算机存储器中,并在不到一秒内显示。 用于读取和图像显示一个典型的总时间的要求是约0.5秒一个100万像素的摄像头在5 MHz的数字化速率运行。 电荷转移效率也可以是非常高的对冷却-CCD摄像机,与发生的电荷的损失最小,即使有成千上万所需的是最远离输出放大器阵列的区域中的像素转移。

CCD图像传感器架构

CCD结构的三个基本变化是在成像系统中常见的用途: 全画幅 , 帧传输隔行传输 (见图7)。 全帧的CCD,如在读出过程中的先前描述的简称,具有近100%的其表面为光敏的优势,与像素之间几乎没有死空间。 成像表面必须的CCD读出期间防止入射光,并且因为这个原因,机电快门通常采用用于控制曝光。 充电用的快门开启积累随后被转让并读出后,快门是关闭的,并且因为不能同时出现在两个步骤中,图像的帧速率是由机械快门速度,电荷的传输速率,并读出步骤的限制。 虽然全屏设备具有CCD类型的最大感光面积,它们是最有用的具有高场景内动态范围的样本,并且在应用中不要求小于约一秒钟的时间分辨率。 当在一个子阵列模式(在其中充分像素阵列的简化部分被读出),以加快读出操作时,最快的帧速率可以是每秒10帧,受限于机械快门的顺序。

帧转移CCD可能会在比全画幅设备更快的帧速率运行,因为曝光和读出可以在时机不同程度的重叠同时发生。 它们类似于在并行寄存器的结构全屏设备,但有一半的矩形像素阵列的所覆盖的不透明掩模,并且被用作用于由未屏蔽的光敏感部分收集的光电子的存储缓冲器。 下面的图像曝光,电荷在感光像素中累积的迅速移动到像素上的芯片的存储端,通常在约1毫秒。因为存储的像素是由铝或类似的不透明涂层,在该部分中的传感器的存储的电荷的保护,光照射,可以系统地读出以较慢的,更有效的速率,而下一个图像同时被暴露的感光侧该芯片。一种照相机快门是没有必要的,因为需要从图像区域的电荷转移到该芯片的存储区域中的时间是所需的典型的曝光时间只有一小部分。 因为利用帧转移的CCD摄像机可以连续地以高的帧速率,而机械快门操作时,它们适合于通过诸如染料比率成像,其中,高空间分辨率和动态范围是重要的研究快速动力学过程。 该传感器类型的一个缺点是,只有一半的CCD的表面积被用于成像,因此,一个更大的芯片相比,需要为具有同等大小的成像阵列的全屏装置,加入到成本和物理摄像头设计施加约束。

在隔行传输CCD设计,主动成像像素,蒙面存储传输像素交替在整个并行寄存器阵列的列。因为电荷转移通道位于紧靠每个感光像素列中,存储的电荷必须只错开一列到传送通道。 此单传送步骤可以在小于1毫秒,之后,在存储阵列中读出由一系列平行移动到串行寄存器,而图像阵列被暴露的下一个图像来进行。 的隔行传输体系结构允许极短的积分时间,通过电子控制曝光间隔,并在发生一个机械快门,该阵列可通过丢弃积累的电荷而不是将其转移到传输通道中呈现有效的光不敏感。 虽然隔行传输传感器允许照亮对象的视频速率读出和高质量的图像,从缩小的动态范围,分辨率和灵敏度,由于其约75%的CCD表面的被占用的事实出现早期设备的基本形式由存储传输信道。

虽然早期的隔行传输CCD的,如在视频摄录一体机使用,提供了高读出速度和快速的帧速率没有百叶窗的必要性,他们没有提供足够的性能在显微镜弱光高分辨率应用。 除了在归属于成像和存储转移的区域的交替列的光灵敏度的降低,快速读出率导致较高的相机读取噪声和早期隔行转移成像减小动态范围。 在传感器的设计和相机电子的改善,彻底改变了局面,以致目前的隔行设备进行数码显微相机,包括那些用于光线昏暗的场合,如拍摄低浓度的荧光分子提供卓越的性能。 贴壁微透镜 ,在CCD表面对齐,以支付对图像和存储的像素,收集光线,通常会被丢在了蒙面像素,它专注于感光像素(见图8)。 通过结合小的像素尺寸与微透镜技术,隔行传感器能够提供的空间分辨率和光收集效率堪比全画幅和帧转移CCD的。 利用片上微透镜隔行传感器的有效感光面积增大的表面面积的75-90%的。

在CCD的结构结合微透镜的一个额外的好处是,该传感器的光谱灵敏度可以扩展成蓝色和紫外波长区域,对于较短波长的应用,如使用的绿色荧光蛋白流行荧光技术(GFP)提供增强的效用和兴奋紫外线染料。 为了增加整个可见光谱量子效率,最近的高性能芯片结合的材料,如铟锡氧化物构成的栅极结构,其具有在蓝绿光谱区域高得多的透明性。 这种非吸收栅结构导致量子效率值接近80%的绿灯。

降低动态范围隔行传输CCD的过去限制已经在很大程度上被克服了改进的电子技术,降低了摄像头读取噪声的大约一半。 因为行间CCD的有效像素尺寸是大约三分之一是可比的全帧的设备,全井容量(像素面积的函数)也同样降低。 此前,这个因素,再加上比较高的摄像头读取噪声,导致信号的动态范围不足以支撑超过8位或10位数字化。 高性能隔行扫描相机现在读出噪声值低至4至6个电子操作,导致动态等效于12位相机采用全画幅的CCD范围性能。 在芯片设计因素,如时钟方案,并在相机电子其他改进,已经启用了增加读出速率。 隔行传输CCD的,目前已使12位万像素的图像在20兆赫率,全画幅相机的约4倍,可比的数组大小的比率被收购。 其它的技术改进,包括半导体组合物的改进,在某些隔行传输CCD的掺入改善量子效率在光谱的近红外部分。

CCD探测器成像性能

该修改的图像采集的读出阶段几个照相机的操作参数对图像质量的影响。 最科学级CCD相机的读出速率可调,通常介乎约0.1 MHz到10MHz或20MHz。 可达到的最大速率是ADC和其它相机电子装置,它反映了数字化的单个象素所需的时间的处理速度的函数。 应用旨在跟踪快速动力学过程需要快速读出和帧速率,以达到足够的时间分辨率,并且在某些情况下,每秒或更高的30帧的视频速率是必要的。 的各种噪声成分,它们总是存在于电子图像不幸的是,读噪声是一个主要来源,高读出率增加的噪声水平。 只要不要求最高的时间分辨率,那生产低像素强度值标本更好的图像可以以较低的读出速率,这最大限度地减少噪音,保持足够的信号与噪声的比值来获得。 当动态过程需要快速成像的帧速率,正常的CCD读出序列可以被修改,以减少处理的电荷包的数量,从而使每秒几百帧的采集速率在某些情况下。 此增加的帧速率可以通过在CCD读出和/或通过读出所述检测器阵列的仅仅一部分,如下所述合成的像素来实现。

在光学显微镜中使用的大多数CCD摄像机系统的图像采集软件允许用户定义一个较小的子集,或子阵列 ,以被指定为图像捕获和显示的整个像素阵列。 通过选择用于处理的图像场的减小部分,未选择的像素被丢弃,而不被数字化的ADC,和读出速度也相应地增加。 根据所用的照相机的控制软件,一个子阵列可从预先定义的数组大小选择,或交互地指定为感兴趣使用计算机鼠标和显示器的显示区域 。 子阵列的读出技术通常用于获取时间推移的图像序列,以便产生更小,更容易管理的图像文件。

从相邻像素CCD阵列中积累的电荷数据包可以在读出期间被组合以形成superpixels数量的减少。 这个过程被称为像素组合,并且在并行寄存器由定时两个或更多个行移位到串行寄存器之前执行串行移位和读出的顺序执行。 像素合并过程是通过定时多个移位到读出节点之前的电荷通过输出放大器的读出通常是重复的串行寄存器。 的并行和串行移位的任意组合可以被组合,但通常的像素的对称矩阵组合以形成各自单个超像素(参见图9)。 作为一个例子,3×3像素合并由最初执行的行3个平行转移到串行寄存器(之前的串行传输),在这一点上在串行寄存器每个像素包含3个像素,这是在邻居的总电量完成相邻平行的行。 接着,3个串行移位的步骤中执行到输出节点的电荷被测量之前。 所得到的电荷包被处理为一个单一的像素,但包含9个物理像素(3×3超像素)合并的光电子内容。 虽然分级降低的空间分辨率,程序往往允许的情况下,使成像不可能有正常的CCD读出的图像采集。 它允许更高的帧速率的图像序列,如果采集速率是由相机的读周期,以及提供改进的信号与噪声的比值为等效的曝光时间限制。 其它优点包括更短的曝光时间,以产生相同的图像亮度(活细胞成像非常重要的),和更小的图像文件的大小,从而降低了计算机的存储需求,并加速图像处理。

第三照相机采集的因素,这可能会影响图象的质量,因为它改变了CCD读出的过程中,是照相机系统的电子增益 。 一个数字CCD相机系统的增益调整限定的累计光电子确定由读出电子区分每个灰度级的步骤的数目,通常是施加在模拟到数字的转换步骤。 在电子增益的增加对应于所按灰度级(电子/ ADU)分配的光电子数的减少,并允许在给定的信号电平被划分成灰度电平的步骤的数量较多。 注意,这不同于施加到光电倍增管或光导摄象管管,其中,所述变化的信号是由一个固定的乘法因子放大增益的调整。 虽然电子增益调整确实提供了一个方法来扩大一个有限的信号幅度,以所希望的大量的灰度级,如果是过度使用的,小数目的电子来区分相邻的灰度级可导致数字化误差。 高增益设置可能会导致噪声由于不准确的数字化,它显示为颗粒状的最终图像。 如果在曝光时间的减少是需要,增加电子增益将使维持一个固定的大量的灰度级的步骤,尽管减少了信号电平的,所提供的所施加的增益不产生过度的图像劣化。 作为施加到一个恒定的信号电平来分配每个ADU(灰度级),8个电子的初始增益设置不同的增益因子的影响,例如,决定了由8000的电子的像素信号会在1000灰度级进行显示。 通过应用一个4倍的增益因子的基设置提高增益,每个灰度级的电子的数目减少到2(2个电子/ ADU),和4000的灰度级是由数字化电子电路区别开来。

数字图像质量可以在其对部分由CCD设计确定4量化的标准来评价,但是这也反映了先前描述的相机操作变量直接影响CCD探测器的成像性能的实施。 主图像的质量标准和效果总结如下:

  • 空间分辨率:确定捕捉到细微的细节标本没有像素是可见的图像的能力。

  • 光强度分辨率:定义动态范围或灰度级是可区分所显示的图像的数目。

  • 时间分辨率:采样(帧)速率决定跟随活体标本运动或快速动力学过程的能力。

  • 讯噪比:确定样本信号相对的能见度和清晰度,图像背景。

显微镜的成像,它是常见的,并非所有的重要的图像质量的标准,可以同时优化在一个单一的图像,或图像序列。 获得由特定样品或实验所施加的限制范围内最好的图像通常需要的标准之间的妥协上市,这往往产生矛盾的要求。 例如,捕捉现场荧光标记标本的时间推移顺序可能需要降低总的曝光时间,以减少光漂白和光毒性。 几种方法可用于实现此目的,虽然每个涉及的成像性能的某些方面的降低。 如果试样是不经常暴露在外,时间分辨率降低;施加像素组合,以允许更短的曝光降低空间分辨率,以及增加电子增益妥协的动态范围和信号 - 噪声比。 不同的情况下往往需要完全不同的成像基本原理以获得最佳效果。 相反,在前面的例子中,为了最大限度地提高动态范围中的样品,需要很短的曝光时间的单个图像,分级的应用程序或增益增加可能完成的目标而不在图像上显著负面影响。 进行高效的数字成像需要的显微镜是完全熟悉关键的图像质量标准,并平衡摄像头采集参数的实际问题,以最大限度地提高最显著的因素在特定情况下。

少数的CCD性能的因素和摄像头操作参数主宰的数字显微镜图像质量的主要方面,其效果重叠在很大程度上。 因素,这些因素中的实际的CCD相机中使用的上下文最显著,并在下面的章节中进一步讨论,包括检测器的噪声源和信号 - 噪声比,帧速率和时间分辨率,像素大小和空间分辨率,光谱范围和量子效率和动态范围。

CCD摄像头噪声源

摄像机的灵敏度,在最小可检测信号的计算,是由两个光子统计(打击)的噪声和在CCD上产生的电子噪声。 一个保守的估计是,信号可以只由附带的噪声,如果它超过了约2.7(2.7 SNR)的一个因子的噪声来区别。 这在理论上可以得到一个给定的SNR值中的最小信号是由光子通量,与信号相关联,即使在理想的无噪声检测器的固有噪声源的随机变化来确定。 此光子统计噪声等于信号的光子数的平方根,并且因为它不能被消除,其确定可达到的最大信噪比为一个无噪声检测器。 因此,信号/噪声比由信号电平,S,由信号(S(1/2))的平方根除以给定的,并且等于S的平方根。 如果需要从噪声判别信号为2.7的SNR值,8个光子的信号电平是最小理论上可检测的光束。

在实践中,其它噪声分量,这是不与试样光子信号相关联的,由CCD和相机系统的电子贡献,并添加到该固有光子统计噪声。 一旦积累在收集井,从噪声源所产生的电荷不能从光子衍生的信号区别开来。 大多数系统噪声的结果从读出放大器的噪声和热电子的产生在检测器芯片中的硅。 热噪声是由于动能在释放电子或空穴,即使该设备是在完全黑暗的,并随后积聚在势阱中的CCD基板的硅原子的振动。 由于这个原因,噪声被称为暗噪声 ,并表示在指定时间间隔期间中的暗电荷积累的幅度的不确定性。 生成的暗电荷的速率,称为暗电流 ,是无关的光子诱导的信号,但是高度依赖于温度。 在相似的光子噪声,暗噪声如下的统计(平方根)的关系,以暗电流,因此不能简单地从信号中减去。 冷却CCD数量级为每20度摄氏温度下降的顺序降低暗电荷累积,并且高性能的摄像机在使用过程中通常被冷却。 冷却甚至到0度是非常有利的,并且在-30度时,暗噪声减少到忽略不计的值几乎任何显微镜应用。

提供了CCD冷却,剩下的主要的电子噪声分量被读出噪声 ,转换电荷载体转换成电压信号的过程中,与芯片上的前置放大器主要原。 虽然读出噪声均匀地添加到该检测器的每一个像素,其大小不能精确确定的,而是仅由一个平均值近似,在电子每像素(根均方或有效值)为单位。 一些类型的读出放大器的噪声是频率相关的,并且在一般情况下,读出与测量的每个像素中的电荷的速度噪音增大。 在高速读取和帧速率噪声的增加是部分在更高的像素时钟速率所需的更大的放大器带宽的结果。 冷却CCD减少读出放大器的噪声在一定程度上,虽然没有以一个很小的水平。 一些设计改进在当前的高性能摄像系统,大大降低读出噪声的意义被纳入,但是。 一种策略是实现高的读出及帧速率不增加噪声到CCD电分成两个或多个段,以便在平行寄存器朝向位于该芯片的相对的边或角的多个输出放大器转移电荷。 这个过程允许电荷从该阵列在一个更大的整体速度读出,而不过度地增加各个放大器的读出速率(和噪声)。

冷却的CCD,以便减少暗噪声提供了改进该装置的电荷转移效率(CTE)的附加 ​​优点。 这个性能因素已变得越来越重要,因为在许多当前的CCD成像器中使用的大的像素阵列的尺寸,以及所需的快速动态过程的调查更快的读出速率。 带有电荷分组的每个移沿传输通道中的CCD读出过程中,一小部分可以被留下。 而在每个像素单独传输损耗是微乎其微的,在大多数情况下,需要大量的转移,特别是在像素的传感器,可导致对像素显著损失在从CCD读出放大器(S)的最大距离,除非该电荷转移效率是极高。 的不完整的电荷转移的发生可导致图像模糊,由于电荷从相邻像素的混合。 另外,累积的电荷损失在每个像素转移,特别是与大型阵列,可能导致图像的阴影 ,在该图像最远离CCD输出放大器的区域显得较邻近该串行寄存器的调光器的现象。 在冷却的CCD电荷转移效率值可以是0.9999或更大,而热膨胀系数这一高通常是可以忽略的图像效果,值大于0.999下都可能产生阴影。

硬件和软件的方法可用来补偿图像的灰度阴影。 一个软件校正是通过捕获均匀强度的字段中,然后由成像系统用于生成可应用于后续的试样图像,以消除不均匀性由于着色的像素由像素校正地图的图像来实现。 软件校正技术一般是令人满意的,不需要比约10-20%的局部强度的更大的校正因子的系统。 较大的修正,高达约五倍,可以通过硬件方法,通过增益因子个别像素行调整处理。 所要求的增益调整是通过抽样的信号强度在位于图像区域以外的每一个像素行的末尾5或6掩蔽的参考像素来确定。 从参考像素的列的并行寄存器边缘而获得的电压值作为电荷传输损耗的控制,并产生校正因子施加到在读出期间从该行中得到的电压,即各像素行。 校正因子是大一些传感器,如从在视频速率相机和噪音水平输出放大器遥远的地区的区域可以大大提高这些图像区域。 虽然硬件校正处理去除阴影的影响,但没有明显的信号降低,但应该认识到,所得到的信号 - 噪声比是不均匀的,在整个图像。

在CCD图像传感器的空间分辨率和时间分辨率

在许多应用中,能够提供高时间分辨率的图像捕获系统是一个主要的要求。 例如,如果一个正在研究过程的动力学就必须视讯率成像在中等分辨率,能够提供卓越的分辨率的摄像头,没有好处然而,如果它只是提供了性能慢扫描速率,并进行轻微或不是所有的高帧率。 全屏慢扫描相机不以视频速率提供高的分辨率,需要每帧约一秒钟为一个大的像素阵列,这取决于电子设备的数字化率。 如果样品信号的亮度是足够高的,以允许(10毫秒的量级)短的曝光时间,使用分级和子阵列的选择使得有可能获得约每秒10帧在降低分辨率和帧大小与具有机电快门的相机。 更快的帧速率通常需要使用的隔行传输或帧传输相机,它不需要遮板,通常也可以在更高的数字化速率运行。 最新一代的这种设计的高性能摄像机可以在附近的视频速率捕捉全画幅的12位图像。

CCD成像系统中的现已优良的空间分辨率直接耦合到像素的大小,并因该已允许CCD的像素要作出越来越小的同时保持了成像器的其它性能特征的技术改进不断改善。 在比较典型的薄膜晶粒尺寸(约10微米),在生物显微镜采用多CCD相机的像素是较小的,并提供足够多分辨率再加上该项目比较大,半径衍射(艾里)常用的高倍率物镜时磁盘到CCD表面。 隔行传输科学级CCD相机,现已有像素小于5微米更小,使它们适合于高分辨率成像,即使使用低倍物镜。 的探测器元件尺寸相关的光学分辨率标准的关系是在选择数码相机,如果光学系统的空间分辨率要被保持的一个重要的考虑因素。

奈奎斯特采样准则通常是用来确定对于显微镜光学系统的分辨能力检测器像素大小是否足够。奈奎斯特定理规定,由光学系统产生最小的衍射圆盘半径必须由成像阵列中的至少两个像素,以保持光学分辨率和避免混叠采样。 作为一个例子,考虑具有6.8×6.8微米,再加上100倍,1.3数值孔径的物镜,其产生在探测器平面的26微米(半径)的衍射点的像素尺寸的CCD。 优异的分辨率是可能与此探测器目标组合,因为衍射圆盘半径覆盖所述检测器阵列上的约4像素跨度(26 / 6.8 = 3.8象素),或者近两倍的奈奎斯特极限的标准。 在这个采样频率,足够的保证金是可用的奈奎斯特准则几乎是满意,甚至带有2 x 2像素组合。

图像传感器的量子效率

检测器的量子效率(QE)是具有特定波长的光子将在该设备以使解放的电荷载流子的有效区域被捕获的可能性的度量。 该参数表示一个CCD成像器的效能在产生电荷从入射的光子,并因此最小可检测信号的照相机系统的一个重要的决定因素,在执行低亮度电平的成像时尤为如此。 如果一个光子永远不会到达半导体耗尽层,或者如果它完全穿过没有显著的能量转移。无电荷产生 光子和检测器之间的相互作用的性质取决于光子的能量与相应的波长,并直接关系到检测器的光谱灵敏度范围 。 虽然传统的前照式CCD探测器是高度敏感的,高效的,无有100%量子效率在任何波长。

通常采用在荧光显微镜图像传感器可以检测光子的400-1100纳米的光谱范围内,具有峰值灵敏度通常在550-800纳米的范围内。 最大量子效率值只有约40%-50%,但在最新设计的,它可以达到80%的效率。 图10示出了一些流行的CCD中绘出的量子效率为入射光波长的函数的曲线图的光谱敏感性。 在科学成像中使用的大多数的CCD是隔行转移型,因为行间口罩严重限制了感光表面区域,许多旧版本的表现出非常低的QE值。 同的表面上的微透镜技术,以引导更多入射光传输信道之间的光敏区域的出现,新的隔行扫描传感器是更加有效和许多有60-70%的量子效率的值。

传感器的光谱范围和量子效率得到进一步提高在紫外,可见光和近红外波长区域通过在几个高性能的CCD的各种附加的设计策略。 因为铝表面传输门吸收或反射大部分的蓝色和紫外波长,许多较新的设计采用其他材料,如铟锡氧化物,以提高传输和量子效率在较宽的光谱范围。 甚至更高的量子效率值可以与专门的薄型背照式CCD上,被构造成允许从照明后侧,避免了表面电极结构完全获得。 要做到这一点,大部分的硅基板的被蚀刻除去,并且,虽然所得到的器件是微妙的和相对昂贵的,约90%的量子效率可以定期地得以实现。

其他表面处理以及建筑材料可用于获得额外的频谱范围的好处。 在紫外波长区域薄型背照式CCD的性能是通过专门的防反射涂层的应用增强。 改性的半导体材料用于一些探测器,以提高量子效率在近红外。 灵敏度外常规前照式CCD的正常光谱的波长范围内可以通过的波长转换的荧光体的应用,以检测人脸来实现。 磷光体用于此目的,我们选择吸收的光子能量在感兴趣的光谱区和CCD的分光灵敏度区域内发光。 作为这种策略的一个例子,如果所关注的标本或荧光团,在300纳米(其中任何的CCD的灵敏度是最小的)发出的光,转换磷光体,可以在检测器的表面,有效地吸收在300纳米和发射560纳米雇,CCD的峰值灵敏度范围内。

动态范围

简称为CCD探测器的动态范围的术语表示的最大信号强度的变化,可以由传感器来定量。 量进行了数值指定被大多数CCD摄像机的制造商,作为像素的全阱容量(FWC)的读出噪声的比值,用的理由,这个值表示只是在像素饱和等级的限制条件,其中intrascene亮度范围从区域到那些几乎失去了在噪声区域。 在传感器的动态范围确定的分辨灰度级的步骤在其中检测到的信号可以被划分的最大数量。 为了充分利用一个CCD的动态范围,它是适当的模拟 - 数字转换器的比特深度相匹配,以便使尽可能多的灰度步骤尽可能歧视的动态范围。 例如,对于一个16,000电子FWC和10个电子读出噪声相机,拥有1600的动态范围,在10和11位A / D转换支持。 模拟 - 数字转换器的位深度的10和11是能够鉴别1024和2048的灰度级,分别为。如前所述,因为计算机位只能假设有两个可能状态中的一个,可以由数字处理器(ADC),被编码的强度步骤的数量反映了其分辨率(位深度),并且等于2升高到值的位深度的规范。 因此,8,10,12,和14-bit处理器可以最多256,1024,4096或16384级灰度编码。

指定的动态范围为满阱容量来读取噪声的比率不一定是有用的动态范围的现实的措施,但是,用于比较传感器有价值。 在实践中,有用的动态范围较小,因为两者CCD响应变得非线性全阱容量达到最大时,由于信号电平等于读出噪音是不可接受的视觉和几乎没用定量的目的之前。 注意,最大动态范围不等于最大可能的信号 - 噪声比,虽然信噪比也是满阱容量的函数。 以最大可能的信号,或FWC相关联的光子统计噪声,是FWC值,或126的电子的平方根,为16000电子FWC的前面的例子。 因此,最大信号 - 噪声比等于最大的信号通过噪声(16000/126)分割,或126,信号本身的平方根。 光子噪声是最低的固有噪声电平,并且两个检测到的散射光线和电子(系统)的噪声降低,可以实现在实践中低于126的值的最大SNR,因为这些来源中加入电荷未被信号降低有效FWC到孔中。

虽然制造商可能通常装备具有大约4000的动态范围,例如,用一个12位的ADC(4096个数字化步骤)的照相机中,一些因素是在考虑传感器的动态范围和处理器的数字化能力之间的匹配相关。 对于一些最新的隔行传输CCD相机,提供12位数字化,动态范围从FWC确定并读取噪声大约2000,这通常不会需要12位处理。 然而,许多当前的设计包括在0.5倍的增益设置一个选项,允许12位分辨率充分利用。 这种策略利用了这一事实,该串行寄存器的像素被设计成具有平行寄存器像素的两倍的电子容量的优点,并且当照相机在2×2像素合并模式(在荧光显微镜中常见)被操作时,12位的高质量的图像可以获得。

要注意,其中的电子增益可以被操纵,以利用可用的比特深度处理器的各种机制是很重要的,并且当被比较的不同的摄像机的动态范围,最好的方法是从像素的全计算值阱容量和摄像头读取噪声。 它是经常可以看到配备有具有比所要求的照相机所固有的动态范围高得多的分辨率数字化处理电子照相系统。 在这种系统中,操作在常规1X电子增益设置在一个潜在的大量未使用的处理器灰度级的结果。 这是可能的相机制造商应用的2至4倍未指定的增益因子,它可能不是很明显给用户,并且,虽然这种做法不放大信号,以利用全比特深度的ADC,它产生的增加的数字化噪声作为构成每个灰度级的步骤的电子数目被减少。

对于需要高比特深度CCD摄像机可能鉴于这一事实显示设备,如电脑显示器和打印机的许多仅使用8位处理,提供256级灰度,和其他印刷媒体,以及人的眼睛可能有疑问只提供5-7位的歧视。 尽管这样低的视觉需求,高比特深度,高动态范围相机系统总是有利的,并且出于某些应用中,特别是在荧光显微镜。 当处理比例或定量调查动力学成像数据,更大的灰度级的数目允许的光强度,以更准确地确定。 此外,当正在执行的多个图像处理操作,即更精确地分解成多个灰度电平的步骤的图像数据可经受更大程度的数学运算,而不表现出退化的算术舍入入误差的结果。

当选择了用于显示所捕获的图像的一部分的高比特成像系统的第三个优点是实现,并且感兴趣区域横跨整个图像的动态范围的仅一部分。 为了优化有限的动态范围的代表性,灰度级的原来的号码通常是扩展到占据所有256级8位显示器或打印。 较高的相机的位深度的结果在一个不那么极端的扩张,并相应减少图像劣化。 作为一个例子,如果选择的图像区域横跨只有5%的全部intrascene的动态范围,这代表了4096以上200灰度级由一个12位的处理器识别,但只有12具有一个8位(256级)的步骤制度。 当在256级显示器,或印上显示,在12级的图像扩大到这个程度会出现像素化,并表现出块状或轮廓亮度步骤,而不是平滑的色调层次。

彩色CCD图像传感器

虽然CCD的不是固有的颜色敏感,三种不同的策略是通常使用的,以捕获样品中的显微镜的视觉外观,以产生彩色图像的CCD摄像系统。 在显示和打印彩色图像早些时候技术上的困难都不再是问题,并且通过颜色提供增加的信息可以十分重大。 许多应用中,如荧光显微镜,染色的组织学和病理学的组织切片,并用明场或微分干涉对比技术的其它标记的试样的观察研究依赖于颜色作为基本图像分量。 收购的彩色图像用CCD照相机需要红色,绿色,和蓝色波长通过彩色滤光片,后天分离分开,并随后组合成一个复合的彩色图像。

用来实现颜色辨别每种方法都有优点和缺点,以及所有强加的约束,限制速度,降低时间和空间分辨率,降低动态范围,并增加彩色摄像机的噪声相比,灰度摄像头。 最常见的方法是将毛毯CCD像素阵列的红色,绿色和蓝色(RGB)的微透镜排列在一个特定的模式,通常是拜耳镶嵌图案的过滤器以交替的掩模。 或者,用三芯片设计中,图像被分成一个分光棱镜和彩色滤光片为三个(RGB)分量,它被捕获,独立的CCD,并重新组合成一个彩色图像的输出。 第三种方法是,采用一个单一的CCD由开关放置在照明路径中或在成像器的正面的颜色过滤器来顺序地捕获的单独图像的每个颜色的帧顺序方法。

该单芯片CCD与附着的彩色滤波器阵列是用在大多数彩色显微摄像头。 滤波器阵列由施加在各个像素中的规则图案的红色,绿色和蓝色的微透镜。 拜耳马赛克过滤器在四个像素传感器单元,包括一个红色,一个蓝色,两个过滤绿色的颜色分布信息。 绿色强调的分布格局以更好地符合人的视觉灵敏度,并划分为四个像素组中的颜色信息,仅略有降低分辨率。 人类视觉系统获取的空间信息主要来自彩色信号的亮度分量,并且该信息被保留在每个像素不管颜色。 视觉上满意的图像是由具有高分辨率单色结构细节相结合的低空间分辨率的颜色信息来实现。

单CCD彩色摄像机的独特设计通过稍微移动顺序拍摄的图像之间的CCD,然后它们之间内插(被称为像素移位的技术)可以改善空间分辨率,但图像的获取由这个过程相当慢。 另一种方法中,以单个像素掩蔽是快速光子收集期间紧接在CCD表面移动的彩色微透镜阵列在一个方形图案。 最后,最近推出的技术结合了三种光电子井到每个像素在不同深度的光子的波长的歧视。 最大空间分辨率被保持在这些策略,因为每个像素提供了红色,绿色和蓝色的颜色信息。

三芯片彩色摄像机结合了高空间分辨率快速图像采集,让高帧率适合快速的图像序列和视频输出。 通过采用一个分束器,以指示信号至3过滤CCD上,分别同时记录的红色,绿色和蓝色图像成分,非常高的捕捉速度是可能的。 然而,因为光强度传递到每个CCD实质上降低,合并彩色图像比给定的一个可比曝光单色单芯片图像更暗。 增益可被应用于彩色图象,以增加它的亮度,但信号 - 噪声比患有和图像呈现更大的表观噪声。 由3板式照相机获得的空间分辨率可以比单个的CCD传感器的更高,如果每个CCD是由相对于其他子像素偏移量。 由于红色,绿色和蓝色的图像表示稍有不同的样品,它们可以通过将相机软件进行组合,以产生更高分辨率的合成图像。 许多显微镜和要求高的空间,并从使用三CCD相机系统的时间分辨率效益等科学应用。

彩色摄像机被称为帧顺序都配备了电动滤光轮或液晶可调谐滤波器(LCTF),以顺序地露出红色,绿色和蓝色成分的图像到一个单一的CCD。 因为相同的传感器用于单独的红色,绿色和蓝色的图像,该芯片的充分的空间分辨率被保持,并且是自动获得的图像配准。 相继收购三个框架减慢图像采集和显示的过程中,和适当的色彩平衡往往需要不同的积分时间为三种颜色。 虽然这种类型的相机通常不适合于高帧率采集,利用快速响应的液晶可调谐滤波器用于RGB测序可以提高操作速度大致。 LCTFs的偏振灵敏度,必须在某些应用中被考虑,因为它们只传送一个偏振向量,并可能改变在偏振光下观察双折射样品的颜色。