透射電鏡CCD相機(jī)及其應(yīng)用的主要技術(shù)原理如下

1、透射電鏡CCD相機(jī)及其應(yīng)用的主要技術(shù)原理如下：l 透射電鏡CCD相機(jī)的基本原理l 自動電子斷層成像及三維重構(gòu)l 圖像自動無縫拼接技術(shù)（Montage）一. 透射電鏡CCD相機(jī)的基本原理1. 透射電鏡CCD相機(jī)簡述透射電鏡CCD相機(jī)是透射電鏡用戶的得力助手，它應(yīng)用于透射電鏡圖像以及電子衍射花樣圖的采集，而且還可以對所得到的數(shù)字圖像進(jìn)行存儲、編輯，從而大大提高了透射電鏡研究人員的工作效率。TVIPS公司生產(chǎn)的CCD相機(jī)，不但具有常規(guī)透射電鏡CCD相機(jī)的圖像采集、簡單圖像分的析功能，而且能夠控制透射電鏡樣品臺自動傾斜，自動采集一系列不同傾斜角度的圖像，并最終實現(xiàn)樣品三維斷層成像。這一點，對于生命科學(xué)

2、領(lǐng)域的研究人員來說尤其重要。2. 透射電鏡CCD相機(jī)的分類透射電鏡CCD相機(jī)可分為快掃描相機(jī)（FastScan/TVrate CCD Camera）和慢掃描相機(jī)(SlowScan CCD Camera)?？鞉呙鐲CD相機(jī)具有視頻信號輸出速度，可進(jìn)行實時圖像觀察，隨時調(diào)整圖像焦距，像散等。然而快掃描CCD相機(jī)因為像素數(shù)有限（1K），像素尺寸小及CCD芯片進(jìn)行圖像信號傳輸采用“interline”方式，從而信息損失較大而導(dǎo)致圖像分辨率較低，無法進(jìn)行高分辨成像。慢掃描CCD相機(jī)具有較大像素數(shù)及像素尺寸，CCD芯片具有較高動態(tài)范圍，CCD芯片采用全幀型或幀轉(zhuǎn)移型模式傳輸圖像信號，效率為100%，不丟失

3、信號，因而圖像分辨率高，可代替膠片進(jìn)行高分辨成像。3. 透射電鏡CCD相機(jī)的安裝位置CCD相機(jī)可安裝在透射電鏡上不同的位置；對于快掃描CCD相機(jī)一般安裝在透射電鏡側(cè)面，35mm處，可記錄很大視場范圍（約為膠片的6倍），缺點是受到投影鏡球差的影響，圖像邊緣產(chǎn)生扭曲，當(dāng)圖像進(jìn)行拼接時會產(chǎn)生錯配現(xiàn)象。大多數(shù)情況下，CCD相機(jī)安裝在透射電鏡底部軸心位置上，可采集到理想的圖像，同時進(jìn)行蒙太奇圖像拼接以獲得較大視場范圍。4. 透射電鏡CCD相機(jī)采集圖像的基本原理CCD相機(jī)的工作原理如圖中所示，閃爍體將電子信號轉(zhuǎn)變成光子信號，專業(yè)用途CCD（電荷耦合器件）再將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾煞e聚于CCD芯片中，然后采用一定

4、脈沖電壓將積聚的電荷讀出，以像素為單位轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，當(dāng)CCD芯片工作時采用“Peltier”效應(yīng)進(jìn)行冷卻，這樣高靈敏度相機(jī)能夠在非常大的動態(tài)范圍內(nèi)產(chǎn)生低噪音圖像。二. 自動電子斷層成像和三維重構(gòu)理論1. 簡述TVIPS公司自創(chuàng)立初起，就致力于透射電鏡CCD相機(jī)及軟件控制系統(tǒng)的研究開發(fā)，相繼開發(fā)出一系列科研級CCD相機(jī)和相應(yīng)軟件操作系統(tǒng)，應(yīng)用于自動采集系列傾斜角度圖像并進(jìn)行三維圖像重構(gòu)。電子斷層成像方法能夠獲得樣品中三維空間結(jié)構(gòu)信息，在生物和材料科學(xué)領(lǐng)域，它已成為研究樣品內(nèi)部信息的一個強(qiáng)有力工具。它的基本原理是通過CCD相機(jī)控制樣品臺傾斜，采集一系列不同傾斜角度增量時的二維透射電子圖像，再將這

5、些圖像進(jìn)行對中，組合，軟件處理得到樣品的透射電子斷層成像，然后使用傅利葉變換功能重構(gòu)樣品三維結(jié)構(gòu)表面圖像。2. 應(yīng)用Ø 細(xì)胞組織電子斷層成像，顯示整個細(xì)胞內(nèi)部不同層面的圖像，并重構(gòu)細(xì)胞組織三維結(jié)構(gòu)圖像。Ø 超大分子透射電子斷層成像，顯示大分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。Ø 細(xì)胞化學(xué)中使用金標(biāo)記物進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)微小器官定位。Ø 材料科學(xué)中通過三維重構(gòu)顯示催化劑顆粒的作用部位，顯示納米管的三維立體形貌。Ø 半導(dǎo)體應(yīng)用研究中，通過透射電子圖像三維重構(gòu)顯示內(nèi)部關(guān)鍵部位形貌以及內(nèi)部連接線的三維形貌。3. 透射電鏡三維重構(gòu)原理及過程對于典型的三維重構(gòu)，一般要求采集70幅或更

6、多（具體數(shù)目取決于對圖像質(zhì)量的要求）的投影圖像，這些圖像是通過連續(xù)傾斜樣品來采集的。但是由于樣品桿量角器的機(jī)械缺陷，樣品傾斜軸不是完全穩(wěn)定的，此外，傾斜軸若沒有很好的與電子光學(xué)軸對中，樣品桿傾斜時圖像將移動，則會導(dǎo)致：（a）圖像位移達(dá)幾個微米，（b）圖像焦距改變。這就要求對采集到的圖像進(jìn)行校正，但手動操作費(fèi)時，也會導(dǎo)致對束流敏感樣品的損壞。TVIPS自動斷層成像軟件包TVIPS自動斷層成像軟件包能夠自動完成三維重構(gòu)所需圖像的收集，用戶預(yù)先在軟件中設(shè)定好起始傾斜角、終了傾斜角和角度增量，然后由軟件控制透射電鏡樣品桿自動連續(xù)傾斜，并在每個傾斜角度上執(zhí)行圖像聚焦，消像散，校正圖像位移等，最后獲得所需

7、圖像。當(dāng)樣品桿在傾斜時，透射電子圖像會發(fā)生焦距改變，圖像產(chǎn)生位移，導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，這時需要進(jìn)行低倍操作，尋找到感興趣的視場，再在視場旁邊采用相反方向傾斜電子束流收集兩幅圖像，進(jìn)行交叉相關(guān)處理，計算欠焦量，精確聚焦，消除圖像像散，再采集理想圖像。從圖像粗調(diào)（校正圖像平移）圖像聚焦圖像細(xì)調(diào)（平移校正）曝光（采集圖像），這一系列過程，操作人員只需設(shè)定一些參數(shù)，如傾斜角度，放大倍數(shù)等，而傾斜樣品桿，采集圖像的其他大量工作則全部由TVIPS自動斷層成像軟件控制自動完成。樣品在多次曝光時存在的問題眾所周知，生物樣品不導(dǎo)電，當(dāng)受到大劑量透射電子照射時，樣品很容易損壞，導(dǎo)致樣品無法反復(fù)使用。因此，TVIPS

8、公司針對諸如此類問題，特別進(jìn)行軟件控制系統(tǒng)設(shè)計，使得CCD相機(jī)能夠控制電子束流擋板，及時遮擋電子束流；能夠控制透射電鏡在“Low-Dose“條件下操作，即先在低放大倍數(shù)下尋找到感興趣視場，利用視場旁邊一微小區(qū)域進(jìn)行圖像聚焦，消像散；再利用沿傾斜軸線另一側(cè)一個微小區(qū)域進(jìn)行圖像細(xì)調(diào)，校正圖像平移，最后控制電子束居中，高倍采集理想圖像。通過控制電子束流擋板和“Low-Dose”條件操作可保護(hù)不導(dǎo)電的生物樣品不受損壞。TVIPS公司CCD相機(jī)進(jìn)行圖像三維重構(gòu)的特點：l 在“Low-dose”條件下自動采集系列傾斜角度的電子透射像。l 使用圖像，束流移動來補(bǔ)償傾斜引起的樣品位移。l 實現(xiàn)真正的自動聚焦l

9、 精確對中集中在一幅圖像中進(jìn)行。l 先進(jìn)，高級的“Low-dose”功能：可設(shè)定多項操作參數(shù)如放大倍數(shù)、束斑尺寸、曝光時間、散焦、圖像和束流移動，以及相機(jī)參數(shù)等來分析一個樣品中的5個微區(qū)域。l 可通過圖像拼接功能提高圖像視場區(qū)域和圖像分辨率。l 連續(xù)改變并顯示透射電子束的照射強(qiáng)度。l 行一次樣品傾斜操作（包括位移校正和聚焦校正，采集理想圖像）的時間為：25-120秒，大大縮短了圖像采集時間。采集圖像的具體步驟l 樣品桿傾斜一定角度。l 采集圖像，尋找感興趣視場（低倍粗調(diào)，校正圖像平移，居中）。l 采集相反兩幅圖像，進(jìn)行圖像聚焦（高倍，采用傾斜束流導(dǎo)致焦距變化的方法，進(jìn)行交叉相關(guān)處理，調(diào)整焦距，在傾斜軸旁邊）l 收集參考圖像，進(jìn)行圖像細(xì)調(diào)（校正圖像平移，在傾斜軸旁邊另一側(cè)）l 對感興趣視場進(jìn)行曝光，采集理想圖像（高倍，居中）l 改變傾斜角度。l 重復(fù)以上步驟直至完成。三. 圖像無縫拼接技術(shù)（Montage）TVIPS自動成像軟件包的SpotScan功能可以