Детекторы

Изображения, полученные с помощью микроскопа важно не только увидеть глазом, но сохранить на жестком диске компьютера или ином носителе информации. При этом появляется возможность проанализировать полученные изображения, воспроизвести их впоследствии. Для документировая полученной с помощью микроскопа информации применяются специальные детекторы. Среди них аналоговые фото- и видекамеры, цифровые камеры, фотоэлектронные умножители.

Цифровые камеры. В настоящее время в системах анализа изображения применяются специальные цифровые камеры. Камера устанавливается на микроскопе с помощью специальных узлов крепления или на место окуляра. При этом применяются специальные адаптеры, которые позволяют сфокусировать изображение в фоточувствительной плоскости камеры, а в некоторых случаях дополнительно увеличить изображение.

Большинство современных цифровых камер в качестве светочувствительного элемента имеют CCD-матрицу (charge-coupled device), которая работает следующим образом (рис.25):

двумерная матрица ячеек (пикселей) называется параллельным регистром. Изображение, которое фокусируется на параллельном регистре, формирует зарядовую картину, которая пропорциональна освещенности в каждой ячейке. CCD-матрица может управляться так, чтобы накапливать фотогенерированные заряды в течение определленого периода времени (экспозиция). Общий заряд, накопленный в ячейке, равен произведению фотогенерированных зарядов на время экспонирования.

Рис.25.Принцип работы CCD-матрицы.

После экспонирования (А) управляемая последовательность потенциалов затворов приводит к сдвигу всех зарядов в параллельном регистре на одну строку вверх в направлении к последовательному регистру (Б). Затем в последовательном регистре пакеты зарядов сдвигаются последовательно к оконечному усилителю (В-Е). Оконечный усилитель преобразует заряды в электрический сигнал, пропорциональный количеству зарядов в каждом пакете. После того, как последовательный регистр освободится, вторая строка пакетов зарядов перемещяется из параллельного регистра в последовательный (Ж) для транспортировки к оконечному усилителю. По мере считывания в низу параллельного регистра образуются пустые строки. Когда параллельный регистр освобождается от зарядов, новое избражение может быть экспонировано, и процесс повторяется. Полученный электрический сигнал оцифровывается и передается на компьютер.

Цифровые камеры могут быть черно-белыми и цветными. В цветных камерах каждый пиксель изображения формируется с помощью четырех элементов, среди которых 2 элемента чувствуют зеленый цвет, и по одному – красный и синий цвет. Это способ был предложен Байером. Таким образом реализуется принцип RGBG (red, green, bllue, green) при формировани цвета каждого пикселя изображения. Этот тип цветных камер заметно уступает черно-белым камерам в разрешении из-за того, что свет из одной области изображения распределяется по четырем элементами матрицы камеры. Другой тип цветных камер – трехматричные камеры. Здесь используют специальные системы призм, разлагающие свет от образца на 3 компонента – синий, зеленый и красный, каждый из которых далее направляется на черно-белую матрицу. В результате сигнал с соответствующих элементов всех матриц формирует цвет по способу RGB. Такие камеры имеют такое же качество изображения, как и черно-белые, но требуют сложной юстировки и высоких энергетических затрат на питание. Трехматричные камеры к тому же весьма дорогие.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ). ФЭУ представляет собой баллон, внутри которого в вакууме располагается фотокатод и система последовательных динодов, находящихся под положительным увеличивающемся от динода к диноду электрическим потенциалом. В

Рис.26.Фотоэлектронный умножитель.

результате фотоэффекта при попадании фотона на фотокатод из него вылетают электроны, которые, ускоряясь в электрическом полем, направляются на систему динодов, где за счет вторичной (ударной) электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду электронную лавину, поступающую на анод. Обычно коэффициент усиления ФЭУ (число электронов, достигших анода при выбивании из фотокатода одного электрона) составляет 10⁵-10⁶, что позволяет получить на выходе ФЭУ легко регистрируемый электрический импульс. ФЭУ нашли широкое применение в микроскопах для регистрации интегральных со всего поля зрения изменений флуоресценции. Но при использовании ФЭУ нельзя увидеть изображения, поэтому в системах анализа изображения применяются камеры. Иная ситуация складывается в конфокальной микроскопии. Поскольку там реализуется принцип сканирования, сигналы из каждой точки изображения, зарегистрированные с помощью ФЭУ, легко укладываются в целостное изображение с помощью компьютера.