2024年1月9日发(作者：宛源)
透射电镜CCD相机及其应用的主要技术原理如下：
透射电镜CCD相机的基本原理
自动电子断层成像及三维重构
图像自动无缝拼接技术（Montage）
一. 透射电镜CCD相机的基本原理
1. 透射电镜CCD相机简述
透射电镜CCD相机是透射电镜用户的得力助手，它应用于透射电镜图像以及电子衍射花样图的采集，而且还可以对所得到的数字图像进行存储、编辑，从而大大提高了透射电镜研究人员的工作效率。TVIPS公司生产的CCD相机，不但具有常规透射电镜CCD相机的图像采集、简单图像分的析功能，而且能够控制透射电镜样品台自动倾斜，自动采集一系列不同倾斜角度的图像，并最终实现样品三维断层成像。这一点，对于生命科学领域的研究人员来说尤其重要。
2. 透射电镜CCD相机的分类
透射电镜CCD相机可分为快扫描相机（FastScan/TVrate CCD Camera）和慢扫描相机(SlowScan CCD Camera)。快扫描CCD相机具有视频信号输出速度，可进行实时图像观察，随时调整图像焦距，像散等。然而快扫描CCD相机因为像素数有限（≦1K），像素尺寸小及CCD芯片进行图像信号传输采用“interline”方式，从而信息损失较大而导致图像分辨率较低，无法进行高分辨成像。慢扫描CCD相机具有较大像素数及像素尺寸，CCD芯片具有较高动态范围，CCD芯片采用全帧型或帧转移型模式传输图像信号，效率为100%，不丢失信号，因而图像分辨率高，可代替胶片进行高分辨成像。
3. 透射电镜CCD相机的安装位置
CCD相机可安装在透射电镜上不同的位置；对于快扫描CCD相机一般安装在透射电镜侧面，35mm处，可记录很大视场范围（约为胶片的6倍），缺点是受到投影镜球差的影响，图像边缘产生扭曲，当图像进行拼接时会产生错配现象。大多数情况下，CCD相机安装在透射电镜底部轴心位置上，可采集到理想的图像，同时进行蒙太奇图像拼接以获得较大视场范围。
4. 透射电镜CCD相机采集图像的基本原理
CCD相机的工作原理如图中所示，闪烁体将电子信号转变成光子信号，专业用途CCD（电荷耦合器件）再将光信号转变为电荷积聚于CCD芯片中，然后采用一定脉冲电压将积聚的电荷读出，
以像素为单位转变成数字信号，当CCD芯片工作时采用“Peltier”效应进行冷却，这样高灵敏度相机能够在非常大的动态范围内产生低噪音图像。
二. 自动电子断层成像和三维重构理论
1. 简述
TVIPS公司自创立初起，就致力于透射电镜CCD相机及软件控制系统的研究开发，相继开发出一系列科研级CCD相机和相应软件操作系统，应用于自动采集系列倾斜角度图像并进行三维图像重构。
电子断层成像方法能够获得样品中三维空间结构信息，在生物和材料科学领域，它已成为研究样品内部信息的一个强有力工具。它的基本原理是通过CCD相机控制样品台倾斜，采集一系列不同倾斜角度增量时的二维透射电子图像，再将这些图像进行对中，组合，软件处理得到样品的透射电子断层成像，然后使用傅利叶变换功能重构样品三维结构表面图像。
2. 应用
细胞组织电子断层成像，显示整个细胞内部不同层面的图像，并重构细胞组织三维结构图像。
超大分子透射电子断层成像，显示大分子内部结构信息。
细胞化学中使用金标记物进行细胞内微小器官定位。
材料科学中通过三维重构显示催化剂颗粒的作用部位，显示纳米管的三维立体形貌。
半导体应用研究中，通过透射电子图像三维重构显示内部关键部位形貌以及内部连接线的三维形貌。
3. 透射电镜三维重构原理及过程
对于典型的三维重构，一般要求采集70幅或更多（具体数目取决于对图像质量的要求）的投影图像，这些图像是通过连续倾斜样品来采集的。但是由于样品杆量角器的机械缺陷，样品倾斜轴不是完全稳定的，此外，倾斜轴若没有很好的与电子光学轴对中，样品杆倾斜时图像将移动，则会导致：（a）图像位移达几个微米，（b）图像焦距改变。
这就要求对采集到的图像进行校正，但手动操作费时，也会导致对束流敏感样品的损坏。
TVIPS自动断层成像软件包
TVIPS自动断层成像软件包能够自动完成三维重构所需图像的收集，用户预先在软件中设定好起始倾斜角、终了倾斜角和角度增量，然后由软件控制透射电镜样品杆自动连续倾斜，并在每个倾斜角度上执行图像聚焦，消像散，校正图像位移等，最后获得所需图像。
当样品杆在倾斜时，透射电子图像会发生焦距改变，图像产生位移，导致图像质量下降，这时需要进行低倍操作，寻找到感兴趣的视场，再在视场旁边采用相反方向倾斜电子束流收集两幅图像，进行交叉相关处理，计算欠焦量，精确聚焦，消除图像像散，再采集理想图像。从图像粗调（校正图像平移）—图像聚焦—图像细调（平移校正）—曝光（采集图像），这一系列过程，操作人员只需设定一些参数，如倾斜角度，放大倍数等，而倾斜样品杆，采集图像的其他大量工作则全部由TVIPS自动断层成像软件控制自动完成。
样品在多次曝光时存在的问题
众所周知，生物样品不导电，当受到大剂量透射电子照射时，样品很容易损坏，导致样品无法反复使用。因此，TVIPS公司针对诸如此类问题，特别进行软件控制系统设计，使得CCD相机能够控制电子束流挡板，及时遮挡电子束流；能够控制透射电镜在“Low-Dose“条件下操作，即先在低放大倍数下寻找到感兴趣视场，利用视场旁边一微小区域进行图像聚焦，消像散；再利用沿倾斜轴线另一侧一个微小区域进行图像细调，校正图像平移，最后控制电子束居中，高倍采集理想图像。通过控制电子束流挡板和“Low-Dose”条件操作可保护不导电的生物样品不受损坏。
TVIPS公司CCD相机进行图像三维重构的特点：
在“Low-dose”条件下自动采集系列倾斜角度的电子透射像。
使用图像，束流移动来补偿倾斜引起的样品位移。
实现真正的自动聚焦
精确对中集中在一幅图像中进行。
先进，高级的“Low-dose”功能：可设定多项操作参数如放大倍数、束斑尺寸、曝光时间、散焦、图像和束流移动，以及相机参数等来分析一个样品中的5个微区域。
可通过图像拼接功能提高图像视场区域和图像分辨率。
连续改变并显示透射电子束的照射强度。
行一次样品倾斜操作（包括位移校正和聚焦校正，采集理想图像）的时间为：25-120秒，大大缩短了图像采集时间。
采集图像的具体步骤
样品杆倾斜一定角度。
采集图像，寻找感兴趣视场（低倍粗调，校正图像平移，居中）。
采集相反两幅图像，进行图像聚焦（高倍，采用倾斜束流导致焦距变化的方法，进行交叉相关处理，调整焦距，在倾斜轴旁边）
收集参考图像，进行图像细调（校正图像平移，在倾斜轴旁边另一侧）
对感兴趣视场进行曝光，采集理想图像（高倍，居中）
改变倾斜角度。
重复以上步骤直至完成。
三. 图像无缝拼接技术（Montage）
TVIPS自动成像软件包的SpotScan功能可以实现图像的无缝拼接即蒙太奇（Montage）。其原理是通过软件自动控制束流偏转和图像偏转线圈进行一组自动单次曝光操作，分别在X，Y方向连续采集多张图像，然后采用图像强度补偿的方法进行亚像素精度级图像拼接，可以得到与底片尺寸相当的视场范围图像。
下面两个图分别SpotScan功能的实现步骤以及实例。
2024年1月9日发(作者：宛源)
透射电镜CCD相机及其应用的主要技术原理如下：
透射电镜CCD相机的基本原理
自动电子断层成像及三维重构
图像自动无缝拼接技术（Montage）
一. 透射电镜CCD相机的基本原理
1. 透射电镜CCD相机简述
透射电镜CCD相机是透射电镜用户的得力助手，它应用于透射电镜图像以及电子衍射花样图的采集，而且还可以对所得到的数字图像进行存储、编辑，从而大大提高了透射电镜研究人员的工作效率。TVIPS公司生产的CCD相机，不但具有常规透射电镜CCD相机的图像采集、简单图像分的析功能，而且能够控制透射电镜样品台自动倾斜，自动采集一系列不同倾斜角度的图像，并最终实现样品三维断层成像。这一点，对于生命科学领域的研究人员来说尤其重要。
2. 透射电镜CCD相机的分类
透射电镜CCD相机可分为快扫描相机（FastScan/TVrate CCD Camera）和慢扫描相机(SlowScan CCD Camera)。快扫描CCD相机具有视频信号输出速度，可进行实时图像观察，随时调整图像焦距，像散等。然而快扫描CCD相机因为像素数有限（≦1K），像素尺寸小及CCD芯片进行图像信号传输采用“interline”方式，从而信息损失较大而导致图像分辨率较低，无法进行高分辨成像。慢扫描CCD相机具有较大像素数及像素尺寸，CCD芯片具有较高动态范围，CCD芯片采用全帧型或帧转移型模式传输图像信号，效率为100%，不丢失信号，因而图像分辨率高，可代替胶片进行高分辨成像。
3. 透射电镜CCD相机的安装位置
CCD相机可安装在透射电镜上不同的位置；对于快扫描CCD相机一般安装在透射电镜侧面，35mm处，可记录很大视场范围（约为胶片的6倍），缺点是受到投影镜球差的影响，图像边缘产生扭曲，当图像进行拼接时会产生错配现象。大多数情况下，CCD相机安装在透射电镜底部轴心位置上，可采集到理想的图像，同时进行蒙太奇图像拼接以获得较大视场范围。
4. 透射电镜CCD相机采集图像的基本原理
CCD相机的工作原理如图中所示，闪烁体将电子信号转变成光子信号，专业用途CCD（电荷耦合器件）再将光信号转变为电荷积聚于CCD芯片中，然后采用一定脉冲电压将积聚的电荷读出，
以像素为单位转变成数字信号，当CCD芯片工作时采用“Peltier”效应进行冷却，这样高灵敏度相机能够在非常大的动态范围内产生低噪音图像。
二. 自动电子断层成像和三维重构理论
1. 简述
TVIPS公司自创立初起，就致力于透射电镜CCD相机及软件控制系统的研究开发，相继开发出一系列科研级CCD相机和相应软件操作系统，应用于自动采集系列倾斜角度图像并进行三维图像重构。
电子断层成像方法能够获得样品中三维空间结构信息，在生物和材料科学领域，它已成为研究样品内部信息的一个强有力工具。它的基本原理是通过CCD相机控制样品台倾斜，采集一系列不同倾斜角度增量时的二维透射电子图像，再将这些图像进行对中，组合，软件处理得到样品的透射电子断层成像，然后使用傅利叶变换功能重构样品三维结构表面图像。
2. 应用
细胞组织电子断层成像，显示整个细胞内部不同层面的图像，并重构细胞组织三维结构图像。
超大分子透射电子断层成像，显示大分子内部结构信息。
细胞化学中使用金标记物进行细胞内微小器官定位。
材料科学中通过三维重构显示催化剂颗粒的作用部位，显示纳米管的三维立体形貌。
半导体应用研究中，通过透射电子图像三维重构显示内部关键部位形貌以及内部连接线的三维形貌。
3. 透射电镜三维重构原理及过程
对于典型的三维重构，一般要求采集70幅或更多（具体数目取决于对图像质量的要求）的投影图像，这些图像是通过连续倾斜样品来采集的。但是由于样品杆量角器的机械缺陷，样品倾斜轴不是完全稳定的，此外，倾斜轴若没有很好的与电子光学轴对中，样品杆倾斜时图像将移动，则会导致：（a）图像位移达几个微米，（b）图像焦距改变。
这就要求对采集到的图像进行校正，但手动操作费时，也会导致对束流敏感样品的损坏。
TVIPS自动断层成像软件包
TVIPS自动断层成像软件包能够自动完成三维重构所需图像的收集，用户预先在软件中设定好起始倾斜角、终了倾斜角和角度增量，然后由软件控制透射电镜样品杆自动连续倾斜，并在每个倾斜角度上执行图像聚焦，消像散，校正图像位移等，最后获得所需图像。
当样品杆在倾斜时，透射电子图像会发生焦距改变，图像产生位移，导致图像质量下降，这时需要进行低倍操作，寻找到感兴趣的视场，再在视场旁边采用相反方向倾斜电子束流收集两幅图像，进行交叉相关处理，计算欠焦量，精确聚焦，消除图像像散，再采集理想图像。从图像粗调（校正图像平移）—图像聚焦—图像细调（平移校正）—曝光（采集图像），这一系列过程，操作人员只需设定一些参数，如倾斜角度，放大倍数等，而倾斜样品杆，采集图像的其他大量工作则全部由TVIPS自动断层成像软件控制自动完成。
样品在多次曝光时存在的问题
众所周知，生物样品不导电，当受到大剂量透射电子照射时，样品很容易损坏，导致样品无法反复使用。因此，TVIPS公司针对诸如此类问题，特别进行软件控制系统设计，使得CCD相机能够控制电子束流挡板，及时遮挡电子束流；能够控制透射电镜在“Low-Dose“条件下操作，即先在低放大倍数下寻找到感兴趣视场，利用视场旁边一微小区域进行图像聚焦，消像散；再利用沿倾斜轴线另一侧一个微小区域进行图像细调，校正图像平移，最后控制电子束居中，高倍采集理想图像。通过控制电子束流挡板和“Low-Dose”条件操作可保护不导电的生物样品不受损坏。
TVIPS公司CCD相机进行图像三维重构的特点：
在“Low-dose”条件下自动采集系列倾斜角度的电子透射像。
使用图像，束流移动来补偿倾斜引起的样品位移。
实现真正的自动聚焦
精确对中集中在一幅图像中进行。
先进，高级的“Low-dose”功能：可设定多项操作参数如放大倍数、束斑尺寸、曝光时间、散焦、图像和束流移动，以及相机参数等来分析一个样品中的5个微区域。
可通过图像拼接功能提高图像视场区域和图像分辨率。
连续改变并显示透射电子束的照射强度。
行一次样品倾斜操作（包括位移校正和聚焦校正，采集理想图像）的时间为：25-120秒，大大缩短了图像采集时间。
采集图像的具体步骤
样品杆倾斜一定角度。
采集图像，寻找感兴趣视场（低倍粗调，校正图像平移，居中）。
采集相反两幅图像，进行图像聚焦（高倍，采用倾斜束流导致焦距变化的方法，进行交叉相关处理，调整焦距，在倾斜轴旁边）
收集参考图像，进行图像细调（校正图像平移，在倾斜轴旁边另一侧）
对感兴趣视场进行曝光，采集理想图像（高倍，居中）
改变倾斜角度。
重复以上步骤直至完成。
三. 图像无缝拼接技术（Montage）
TVIPS自动成像软件包的SpotScan功能可以实现图像的无缝拼接即蒙太奇（Montage）。其原理是通过软件自动控制束流偏转和图像偏转线圈进行一组自动单次曝光操作，分别在X，Y方向连续采集多张图像，然后采用图像强度补偿的方法进行亚像素精度级图像拼接，可以得到与底片尺寸相当的视场范围图像。
下面两个图分别SpotScan功能的实现步骤以及实例。