关于CCD简介及活体成像设备关键部件CCD选择

CCD简介

CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文名称：电荷耦合元件。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，每个像素单元面积越大，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。

CCD是1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉•波义耳(Willard S. Boyle）和乔治•史密斯（George E. Smith）所发明的。科学家因博伊尔和乔治-E-史密斯因“发明了成像半导体电路——电荷藕合器件图像传感器CCD” 获2009年诺贝尔物理学奖。
 
衡量CCD性能关键指标

衡量CCD性能的指标很多，其中CCD芯片尺寸，灵敏度，信噪比，动态范围，制冷温度是其中比较重要的参数。

1.  像素：这个是常见的参数。在CCD像素单元芯片尺寸大小确定的情况下，像素越高，分辨率就越高，灵敏度相应越低，两者是反比关系，所以像素不是越高越好，在像素够用的情况下应尽量优先确保灵敏度。

2. CCD芯片尺寸：CCD每个像素单元芯片尺寸越大，其灵敏度越高，因为像素和灵敏度的反比关系，所以芯片尺寸越大越好；

3. 动态范围：实际上这个参数取决于另外2个参数。动态范围=20Xlog10(满井电子/总噪音）这个参数值越大也表征CCD的灵敏度越高。

4. 制冷温度：CCD工作时温度升高会产生噪音，尤其是长时间曝光，降低温度可以减少这类噪音产生，所以需要制冷CCD。制冷方式有很多，比如半导体制冷、水循环制冷，空气制冷等，因此制冷温度越低的CCD，其信噪比（SN）较高，成像灵敏度好。

5. 灰阶：通常用位来表示，如14bit(16384)/16bit(65536)等，对于做灰度分析或者荧光定量分析的，CCD灰阶越高越好。

从以上几个方面来说，对于现今比较热门的动物活体成像设备的关键部件CCD，各大厂商均使出浑身解数来提高CCD性能，如：Carestream采用7.4um尺寸的 420万像素零下绝对29度制冷CCD；Caliper公司也是采用的420万像素制冷CCD来提高成像质量；SII多模式活体成像系统采用Spectral Instruments Imaging最先进的420万像素大尺寸CCD技术（芯片大小13.5um或22.5um），零下90度绝对制冷，动态范围可以达到6-7，为生物发光，荧光，X光成像提供超高灵敏度多模式成像保障。

关于Spectral Instruments Imaging（SII）大幅面科研CCD介绍

Spectral Instruments是世界知名大幅面CCD生产厂家，其生产CCD在宇宙天文观测、军事测量、等离子物理及药物筛选领域久负盛名。SII 多模式活体成像系统采用其420万像素、零下90℃绝对制冷大幅面科研CCD，极大提高了成像灵敏度及分辨率，提高了信噪比。

零下90℃绝对制冷大幅面CCD如图例所示

单个13.5um像素单元CCD感光面积=13.52/2=91.125um2

单个7.5um像素单元CCD感光面积=7.52/2=28.125um2

由此一个13.5um CCD单元感光面积是7.5um的3.24 倍

因此同样是420万素情况下，13.5um大幅面CCD 可以相当于1360万像素的普通CCD感光效果，提高了成像灵敏度及分辨率

CCD像素大小与成像感光面积之间的关系

大尺寸芯片CCD的优点

CCD的感光元件是象素，而每个象素好比可以用来储存电荷的井，这个井能容纳电荷的极限表明了CCD的动态范围，也就是曝光宽容度。CCD尺寸的大小直接决定了这个井的大小。相同尺寸 CCD，当象素的体积增大，当然这会造成CCD的像素数相对减少，其容纳电荷的能力就越强。

从图像噪声方面，在检测方面，过多的图像噪声是检测产生错误的重要原因。而过低的灵敏度，在获取同样的图像信号时候，你需要调节更大的增益值和更长的曝光时间，而这正是噪声增加的罪魁祸首。采用大尺寸 CCD，单个像素单元可以获得更多的光子，提高了成像灵敏度，从而使得曝光时间和增益值都不用过大情况下保证成像效果。这就是为什么在荧光、近红外光、化学发光，生物发光这些微弱发光的领域，更在乎大尺寸CCD芯片的原因。