用于荧光细胞观察的制冷CCD成像系统

　  1 前言

　　自人类开展空间生物医学研究以来，科研人员在航天环境下进行了大量的细胞生物学实验并取得了很多突破性成果。生物荧光技术已经成为生命科学研究中的重要手段之一，尤其在细胞生物学中的应用极为广泛。通过荧光技术的使用，系统的照明光强度要求相对降低，同时减少了对细胞的光损伤[1-4]。荧光细胞由于体积小、光信号微弱等特点，对成像组件提出了更高的要求，尤其在微光条件下，如何降低 CCD 图像传感器输出噪声、获取高质量图像输出成为了研究热点。

　　CCD 图像传感器的输出噪声与其工作环境温度关系紧密。一般而言，工作环境温度每提升 6℃左右，输出噪声增加一个数量级。如果使 CCD 图像传感器的工作温度降低 20～60 ℃，其输出噪声可以控制在一个相对理想的范围内，从而获取高质量的图像输出[5]。利用这一特性，通过制冷使 CCD传感器可工作于低温环境下，通过使用小型化制冷技术，提高输出图像质量。由于制冷 CCD 可降低输出噪声，在生物细胞荧光观察、天文观察、水质土壤光谱分析、炭疽病检测、核反应堆观察、激光束分析等方面具有广泛的应用。

　　本文将针对细胞荧光观察的需求，根据细胞尺寸等因素，选取大面阵医学成像专用 CCD 芯片并针对该芯片的结构和电路设计研制出一种用于荧光细胞观察的制冷 CCD 成像系统。以专为医学成像设计的高性能 CCD 图像传感器作为成像系统的核心器件，通过低噪声驱动电路和制冷腔体及温度控制电路的设计，降低 CCD 输出噪声，提高荧光细胞图像质量。

　　2 成像系统构成

　　基于对荧光细胞观察的需要，成像系统包括为医学成像设计的大面积 CCD 图像传感器、基于FPGA 的 CCD 芯片驱动电路和以半导体制冷技术为基础的制冷设备。

　　2.1 CCD图像传感器

　　根据在空间生物医学领域需要观察的细胞的典型尺寸(如表 1)，本文选用了 Kodak 公司生产的一款专门设计用于医学成像和机器视觉的高性能200万像素的CCD图像传感器KAI-2093(图1)。一 般科 学 显微镜 头 放大倍数 为 5 ~ 10 倍，根据表 1 中细胞的典型尺寸，在经过光学放大后，细胞图像尺寸大于 CCD 像素点尺寸，所以KAI-2093 型号 CCD 图像传感器满足生物细胞的观察需要。

　　KAI-2093 为 1 920 (H)×1 080(V)感光像素的面阵 CCD 器件[6]，其特点如下：

　　(1) 每个像素尺寸为 7.4 µm(H)×7.4 µm(V)，并带有微透镜结构，具有高灵敏度和动态范围，便于细胞图像获取;

　　(2) 具有单通道和双通道两种视频输出模式。单通道模式和双通道模式下的帧速率分别可以达到 15 帧/s、30 帧/s;