關于CCD簡介及活體成像設備關鍵部件CCD選擇

CCD簡介

CCD，英文全稱：Charge-coupled Device，中文名稱：電荷耦合元件。CCD是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數字信號。 CCD上植入的微小光敏物質稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數越多，每個像素單元面積越大，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉換成數字信號。

CCD是1969年由美國貝爾實驗室（Bell Labs）的維拉?波義耳(Willard S. Boyle）和喬治?史密斯（George E. Smith）所發明的。科學家因博伊爾和喬治-E-史密斯因“發明了成像半導體電路——電荷藕合器件圖像傳感器CCD” 獲2009年諾貝爾物理學獎。
 
衡量CCD性能關鍵指標

衡量CCD性能的指標很多，其中CCD芯片尺寸，靈敏度，信噪比，動態范圍，制冷溫度是其中比較重要的參數。

1.  像素：這個是常見的參數。在CCD像素單元芯片尺寸大小確定的情況下，像素越高，分辨率就越高，靈敏度相應越低，兩者是反比關系，所以像素不是越高越好，在像素夠用的情況下應盡量優先確保靈敏度。

2. CCD芯片尺寸：CCD每個像素單元芯片尺寸越大，其靈敏度越高，因為像素和靈敏度的反比關系，所以芯片尺寸越大越好；

3. 動態范圍：實際上這個參數取決于另外2個參數。動態范圍=20Xlog10(滿井電子/總噪音）這個參數值越大也表征CCD的靈敏度越高。

4. 制冷溫度：CCD工作時溫度升高會產生噪音，尤其是長時間曝光，降低溫度可以減少這類噪音產生，所以需要制冷CCD。制冷方式有很多，比如半導體制冷、水循環制冷，空氣制冷等，因此制冷溫度越低的CCD，其信噪比（SN）較高，成像靈敏度好。

5. 灰階：通常用位來表示，如14bit(16384)/16bit(65536)等，對于做灰度分析或者熒光定量分析的，CCD灰階越高越好。

從以上幾個方面來說，對于現今比較熱門的動物活體成像設備的關鍵部件CCD，各大廠商均使出渾身解數來提高CCD性能，如：Carestream采用7.4um尺寸的 420萬像素零下絕對29度制冷CCD；Caliper公司也是采用的420萬像素制冷CCD來提高成像質量；SII多模式活體成像系統采用Spectral Instruments Imaging最先進的420萬像素大尺寸CCD技術（芯片大小13.5um或22.5um），零下90度絕對制冷，動態范圍可以達到6-7，為生物發光，熒光，X光成像提供超高靈敏度多模式成像保障。

關于Spectral Instruments Imaging（SII）大幅面科研CCD介紹

Spectral Instruments是世界知名大幅面CCD生產廠家，其生產CCD在宇宙天文觀測、軍事測量、等離子物理及藥物篩選領域久負盛名。SII 多模式活體成像系統采用其420萬像素、零下90℃絕對制冷大幅面科研CCD，極大提高了成像靈敏度及分辨率，提高了信噪比。

零下90℃絕對制冷大幅面CCD如圖例所示

單個13.5um像素單元CCD感光面積=13.52/2=91.125um2

單個7.5um像素單元CCD感光面積=7.52/2=28.125um2

由此一個13.5um CCD單元感光面積是7.5um的3.24 倍

因此同樣是420萬素情況下，13.5um大幅面CCD 可以相當于1360萬像素的普通CCD感光效果，提高了成像靈敏度及分辨率

CCD像素大小與成像感光面積之間的關系

大尺寸芯片CCD的優點

CCD的感光元件是象素，而每個象素好比可以用來儲存電荷的井，這個井能容納電荷的極限表明了CCD的動態范圍，也就是曝光寬容度。CCD尺寸的大小直接決定了這個井的大小。相同尺寸 CCD，當象素的體積增大，當然這會造成CCD的像素數相對減少，其容納電荷的能力就越強。

從圖像噪聲方面，在檢測方面，過多的圖像噪聲是檢測產生錯誤的重要原因。而過低的靈敏度，在獲取同樣的圖像信號時候，你需要調節更大的增益值和更長的曝光時間，而這正是噪聲增加的罪魁禍首。采用大尺寸 CCD，單個像素單元可以獲得更多的光子，提高了成像靈敏度，從而使得曝光時間和增益值都不用過大情況下保證成像效果。這就是為什么在熒光、近紅外光、化學發光，生物發光這些微弱發光的領域，更在乎大尺寸CCD芯片的原因。