基本面
成像传感器的任务是将光信号转换为电信号。该成像传感器的原理是基于所谓的光伏效果，它描述了光子如何与物质相互作用，释放一个电子，从而产生电荷。在大多数摄像机中硅是用于此目的的基板。在所有情况下，电子都是通过吸收光子而脱离束缚的。
硅的自然特性使其成为最具成像传感器基本单元的主要组件：像素。
像素
独立于传感器类型，可以将像素视为基本单元。像素的主要元素反过来是光敏光电二极管硅耦合到电子存储井（图1）。硅负责产生，然后可以收集，移动，最终转换为数字信号。像素的附加组件包括电控制电路和颜料层，以排除不需要的或破坏性波长。
在成像过程中，将光电二极管的光子转换成电子。这些电子存储在电子存储井中以供后续转移 -读出- 放大器（图2）。这放大器读取积聚的电子并将它们转换成电压，而相邻的模拟-数字转换器(广告)数字化是否会产生等效数字信号。
以一个像素产生的电荷与撞击传感器的光子数成正比，光子数通常受光照时间(集成时间），检测到的波长和最重要的是光强度。作为拇指的规则像素大小定义在不使像素饱和的情况下可以收集的电子数。像素的大小通常在2-24μm².用于显微镜成像传感器。
由于典型的像素架构，不是像素的整个表面是光敏的。这填补因素图像传感器描述了像素的光敏区域对其整体区域的关系。微透镜可以将像素添加到像素以更好地将光聚焦到改善填充因子的光敏区域上。
完整的数字成像传感器由数百万像素组成，以几何阵列组织。通常，像素数量与“分辨率”混淆。值得注意的是，它不仅仅是它们的大小，而是定义相机芯片的分辨率的像素数。通常，较小的像素将提供比大的像素更高的分辨率。最后，显微镜系统的分辨率不仅取决于传感器阵列，而是完整的光学系统。
噪声和信噪比
遗憾的是，噪音是影响所有信号的物理学的基础。对不同传感器类型的影响和主导噪声的类型变化。通常，可以根据其来源将相机噪声分为三个主要类：
黑暗的噪音- 也被称为黑暗的电流-是传感器中存在的基本噪声。暗噪声是由硅中的热能在像素中随机产生电子引起的。随着曝光时间的延长，暗噪以像素为单位积累。它表示为每秒每像素的电子数(e-/px/sec)。对于暴露时间较短的快速应用程序，它不太重要。当暴露时间较长时，例如1秒或更长时间的微弱荧光信号，这种噪声类型会成为一个主要问题。暗噪声减少冷却传感器，每8度冷却将暗电流减半（图3）。
读噪音来自量化信号所涉及的传感器的电读出电路起源。由于拇指的规则，通过降低像素读出率，可以减少读取噪声。这像素读数率定义如何从传感器读出快速充电（单位：MHz）。由于这决定了相机读取噪声的帧速率，必须考虑到像的快速实验高速延时活细胞。一些摄像机提供了改变读出的速率，使能相机优化以获得快速读数模式或低光应用的低噪声模式。读取噪音的单位是e-并且与集成时间无关。与暗噪声一起读取噪声可用于确定特定的相机是否适用于低光荧光应用。
光子射击噪音由于另一个噪声来源是基于计数传入光子的不确定性。换句话说，它从传感器上的光子撞击的随机性，而是由传感器本身引入的。最好通过想象你试图在桶里雨水滴水来解释它。即使每个桶都具有相同的尺寸和形状，不是每个桶都会捕获完全相同数量的液滴，因此芯片上的光子的检测可以被视为泊松分布．
在弱光条件下，比如荧光成像当信号强度低时，不同的噪声源可能对图像的质量产生重大影响，因为它们影响信噪比。因此，使用右侧相机对于捕获良好图像是必不可少的。
这信噪比(信噪比)是图像整体质量的措施，其受传感器类型的严重影响。广泛地说它可以指定为其敏感性。虽然这可以是相当复杂的，但是SNR表达了利益信号与背景噪声有多良好（图4）。这里有几个因素可以探索，因为信号取决于到达传感器的光子数与传感器相结合的传感器能力将那些光子转换成信号以及相机可以抑制不需要的噪声。这就是为什么e。G。填充因子和微镜片在此处发挥着重要作用，以及传感器的量子效率（参见“量子效率”部分）。
最后要提到的是，光噪声来自于样品，自发荧光或差染色通常是图像中的主要噪声源。使用先进的传感器无法帮助您克服更糟糕的样本。
全井容量
全井容量很大程度上取决于像素的物理大小。它是指单个像素的电荷存储容量。这是它在饱和之前能收集到的最大电子数。达到全井产能可以与装满水的桶相比(图5)。
大像素比小像素具有更大的全well容量(通常为18,000 e-对于6.45μm像素Vs 300,000 e-对于24µm像素)。为了获得更大的全井产能，牺牲了空间分辨率，这反过来又影响了动态范围(见“动态范围”部分)。
不能量化超出全阱容量的电子。在某些情况下，电荷可以泄漏到相邻像素中，导致已知的效果盛开（图6）。有些传感器包含防盛开的电子设备，这些电子设备试图渗出过量的电荷以抑制盛开的伪影。
图6：盛开的人工制品。在左图像中，铲斗的体积足以保持所有进入的水滴。相应的微观图像在其旁边显示。如果进入的水超过桶的容量，水将溢出并填充相邻容器。溢出的电子可以导致盛开的人工制品，可以在显微图像上看到。
动态范围
与全井产能直接相关的一个特性是动态范围。这描述了传感器同时记录低强度和高强度信号的能力。在实际意义上，这意味着较弱的信号不会在噪声中丢失，最亮的信号不会使传感器饱和。用数学术语表示，动态范围定义为全井容量(FWC)除以摄像机噪声。
它通常以分贝单位（DB）描述：
动态范围可以提高全井容量较高，相机噪声较低。在第一近似人之一中可以说，因此以下参数影响动态范围：
- 像素大小（全井容量）
- 温度(暗噪声)
- 读数率（读数噪声）
为了荧光大动态范围的应用是在黑暗背景下记录明亮荧光信号的主要好处(图7)，特别是在定量信号时。
动态范围直接受应用的影响获得．术语“增益”在这里用来表示产生的信号的放大。如果你将传感器的增益增加一倍，那么你的全井容量就减少了一半，这反过来又减少了动态范围。因此，经常需要在灵敏度和动态范围之间进行权衡。
如果传感器的固有动态范围不足以适用于应用程序 - 分别可以考虑一个“高动态范围“（HDR.） 获得。在此过程中，通过不同的曝光强度获取一系列图像。最后通过应用不同的算法来计算所得到的图像（图8）。这种方法的缺点是获得图像所需的细长时间。因此，这对于快速移动或光敏样品来说是不可取的。
图8：HDR采集。该样本（蒂利亚规范）具有具有强荧光信号（上部）和弱荧光信号（下部）的区域。相机的动态范围不足以与明亮的区域同时录制暗区。因此，曝光强度只能优化为图像的强（左）或弱（中间）荧光信号。HDR图片（右）由一系列图像组成，该图像采用不同的曝光强度组合在一起到一个图像。
量子效率
在理想的世界中，假设100个光子能够产生100个电子。当与传感器相互作用时，光子可以被吸收，反射或甚至直接通过。传感器吸收和转换某一波长到电子中的光的能力被称为其量子效率（QE）。
传感器的量子效率受到许多因素的影响，包括：
- 填补因素
- 微透镜的添加/性能
- 抗反射涂层
- 传感器格式（背部或前照明）
量子效率总是入射光波长的函数。科学成像中最常用的硅探测器能够探测到可见光范围之外的波长(约400到1000纳米)。通过查看QE曲线，您可以看到特定传感器将特定波长转换为信号的效率(图9)。
大多数相机传感器都是前照明在撞击光敏硅之前，入射光从像素的前部进入像素的前部，必须通过含有像素电路的半透明层（图1）。这些层导致一些光损失，因此前照的传感器通常具有最大QE的大约50-60％。当传感器表面上的电子器件只能产生它们不能操纵硅晶片中更深的电荷的局部电场（图10）。
在一个背部照明传感器，光直接从“背部”直接击中光敏硅，而无需通过像素电路，提供最大的QE接近95％。为了制造背部照明传感器，也称为背部变薄，将该额外的硅铺设了 - 昂贵的过程 - 以产生令人难以置信的薄硅层，其中可以通过像素的电子器件操纵所有电荷。
位深度
比特深度可以与之相关，但不应与动态范围混淆，是指模拟信号如何数字化 - 或切换到灰度值或灰色水平．数码相机传感器的动态范围取决于其FWC和噪声。位深度取决于AD转换器的能力将所生成的电子的数量转换成灰度值。它可以输出的灰度较大，可以再现细节越多（图11）。
一些摄像机提供比光子可以生成的最大电子数更大的灰度值（例如，16位数字化将信号划分为〜65K灰度单位）。在极端情况下，传感器可以使1,000光子/像素饱和，但图像仍然显示65,000灰度值。此外，计算机屏幕通常仅能够显示8位数据。这就是为什么必须按下具有超过8位以上的相机信号以显示为什么要显示。用户可以通过帮助影响此过程查找表（LUT）。使用它通常可以揭示图像中的隐藏细节。
图11：动态范围与位深度。传感器的动态范围是指其同时记录低强度信号和高强度信号的能力。这回到了像素的FWC及其噪声属性。高FWC对于检测许多光子击打像素的高强度信号是良好的。在另一边，低噪声对于检测低强度信号是良好的。虽然动态范围主要是指像素的特性，但位深度是AD转换器的属性。位深度越大，可以解决图像的完整动态范围越好。使用2位AD转换器，数字成像传感器可以输出4个灰度电平，具有4位AD转换器16等。
成像速度和搭档
测量数码相机的成像速度帧速率以每秒帧数(fps)表示。这是相机在一秒钟内可以获得的图像(帧)的数量。许多因素可以影响相机的最大可实现帧率。在给定的曝光时间，需要考虑以下参数:
- 像素计数
- 像素读数率
- 计算机接口（USB 2.0 / USB 3.0 / Camlink等）
增加帧速率的最简单方法是通过切换到较小的感兴趣区域（ROI）来减少被读出的像素数。随着帧速率的增加，击中传感器的光子的数量将减小，因此根据样品类型，可以通过需要额外灵敏度的点。可以用于提升速度并降低噪声的一个技巧是“片上夹板”。
在分叉期间而不是单独从每个像素读出数据，来自若干相邻像素的数据在串行寄存器中组合在芯片上，并读出作为“超像素”。以这种方式，可以组合来自2×2,3x3或4x4和更多像素的数据（图12）。
分数以牺牲分辨率的信噪比提高了信噪比。假设每个像素包含100个电子，并且读取噪声是10个电子，逐个读出一个信号 - 噪声比率为10/1。如果Binned 2x2读出的信号现在是400并且读取噪声仍然10，因此信噪比急剧增加至40/1。由于读出电子器件必须处理较少的数据点（在2x2 XINning的情况下减少4 x），帧速率也可以增加。分数的主要缺点是由于箱数量平方（图13）增加了分辨率的损失（图13）。
使用Binning是快速荧光成像的标准。快速延时。目的是降低噪声，数据大小，并降低曝光时间。后者特别值得一提，因为这减少了漂白和光诱导的活细胞损伤。
对于染色病理组织的文档等明菲尔菲尔德的应用，Binning通常被施加到实时图像，允许显微镜阶段移动平滑的屏幕图像。
传感器的类型
对于显微镜中的所有类型的成像传感器，大多数上述特征和参数都是通用的。但是 - 基于历史发展和技术改进，显微镜分别可以在不同类型的传感器和相机之间进行选择。它们在原理建筑中不同（例如CCDvs.互补金属氧化物半导体)、增强信号的能力(例如EMCCDs vs ccd)和图像质量(例如互补金属氧化物半导体vs. scmos）。
CCD传感器 - 充电耦合器件：基于该传感器类型的摄像机是BrightField和荧光成像的工作研讨会。特征性地，在像素中产生的电荷从表面上的另一个像素移动到串行寄存器（图14）。从串行寄存器电荷通过一个接一个地传递给读出的电子设备，其中信号被转换成电压，放大，量化和数字化。所以a内的所有数据CCD传感器通常通过单个输出节点读出。
EMCCD传感器 -电子乘积CCD：EMCCD传感器基本上CCD传感器添加了一个em.传感器和读出电子之间的增益寄存器。这em.增益寄存器在遇到读出电子设备之前放大信号。除了此EMCCD摄像机外，还采用典型产品峰值QE> 90％的典型传感器技术。这些类型的摄像机用于极端低光应用，可以是单光子敏感。这些摄像机的价格通常明显高于常规价格CCD基于摄像头。
互补金属氧化物半导体-互补金属氧化物半导体：最初用于手机和低端摄像头，互补金属氧化物半导体近年来技术提高了显着的改善，已成为显微镜中标准明田应用的重要成像装置。与CCD相比的主要差异是像素内电子和节省的传感器，与传统中使用的单个读出节点相比，数千个读出节点读出原理CCD传感器。
科斯莫斯 - 科学互补金属氧化物半导体：介绍了几年前这种类型的传感器克服了常见缺点互补金属氧化物半导体传感器等高噪音水平。这种类型的传感器用于高端荧光成像，其受益于快速帧速率，高动态范围和低噪声。
概括
现代光学显微镜是不可想象的，没有数码相机技术。大多数显微镜用户要么要要么想要在监视器上生活，或者想要在计算机上保存和处理他们的发现。此外，一些微观技术如定位显微镜如果没有数码相机传感器的兴起，甚至不可能。本文的读者应该了解了如何产生数字微观图像。这反过来又将正确使用数码相机以及如何以正确的方式解释生成的数据。
