في التصوير العلمي، لا تتحدد أقوى إشارة يمكن للكاميرا تسجيلها بدقة فقط بوقت التعريض أو الإضاءة، بل بكمية الإشارة التي يمكن لكل بكسل استيعابها قبلتشبع البكسليحدث.
تحدد السعة الكاملة للبكسل هذا الحد الأعلى. بمجرد تشبع البكسل، لا تعكس شدة الإشارة المسجلة مستوى الإشارة الحقيقي، مما يؤدي إلى أخطاء في القياس وفقدان المعلومات الكمية.
نتيجة ل،سعة البئر الكاملة (لجنة فلوريدا لحماية الحياة البرية)يلعب دورًا حاسمًا في التطبيقات التي تتطلب نطاقًا ديناميكيًا كبيرًا، حيث يجب التقاط الإشارات القوية والضعيفة في وقت واحد داخل نفس الصورة.
ما هي سعة البئر الكاملة (FWC)؟
السعة الكاملة للبئر (لجنة فلوريدا لحماية الحياة البريةيشير ) من البكسل إلىالحد الأقصى لعدد الإلكترونات الضوئيةيمكن قياس ذلك. في معظم الحالات، يتم تحديد هذا الحد من خلال التصميم الفيزيائي للبكسل: يتم تخزين الإلكترونات الضوئية المكتشفة في بئر جهد محدود أثناء التعريض، والذي لا يمكنه استيعاب سوى شحنة محدودة.
الشكل 1. يوضح العلاقة بين السعة الكاملة للبئر والنطاق الديناميكي
(أ)يؤدي انخفاض سعة البئر الكاملة إلى فقدان الصورة لمعلومات الإشارة الساطعة.
(ب)تحافظ السعة الكاملة العالية للبئر على معلومات الإشارة عبر نطاق الشدة الكامل.
كما هو موضح في الشكل 1، فإن زيادة سعة البئر الكاملة (FWC) توسع نطاق الإشارة القابل للاستخدام والنطاق الديناميكي الفعال.
عند مستويات الإشارة العالية، ومع امتلاء بئر البكسل، تقلل الشحنة المتراكمة من المجال الكهربائي داخله. هذا يحد من قدرة البكسل على جمع المزيد من الإلكترونات الضوئية، ويُدخل عدم خطية في استجابة المستشعر عند مستويات الإشارة العالية، وغالبًا ما يصاحب ذلك انخفاض في الكفاءة الكمية الفعالة.
على المدىسعة البئر الكاملة الخطية (خطي FWC)يُستخدم هذا المصطلح لوصف أعلى مستوى إشارة لا يحدث عنده أي انحراف ملحوظ. تمثل هذه القيمة أقصى إشارة يمكن قياسها مع الحفاظ على استجابة خطية للضوء، وهي المواصفة الأكثر شيوعًا في بيانات الكاميرات العلمية.
في الممارسة العملية، يُستخدم مصطلح FWC أيضًا للإشارة إلى سعة التشبع أو إشارة التشبع.وهو ما يحده عمق البت ودقة محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية، والتي يتم تحديدها من خلال الحد الأقصى لمستوى الرمادي الممكن الذي تحدده عمق بت الكاميرا.
مع أن هذه القيم قد تتطابق في بعض الأنظمة،الكاميرات العلميةغالباً ما توفر هذه الأنظمة أوضاع قراءة متعددة بنطاقات ديناميكية مختلفة لمحول الإشارة التناظرية إلى الرقمية. في مثل هذه الحالات، قد لا تتمكن أوضاع عمق البت المنخفض من الوصول إلا إلى جزء من الذاكرة الكاملة المتاحة.
كيف تعمل تقنية FWC على مستوى البكسل؟
أثناء عملية التقاط الصورة، تولد الفوتونات الساقطة إلكترونات داخل مستشعر السيليكون. يتم تجميع هذه الإلكترونات وتخزينها في بئر البكسل حتى تتم عملية القراءة.
لكل بكسل حد أقصى لعدد الإلكترونات التي يمكنه استيعابها. يحدث التشبع إما عند تجاوز سعة التخزين الفعلية للبكسل أو عند وصول قيمة التدرج الرمادي الرقمي إلى حدها الأقصى. بمجرد الوصول إلى التشبع، تُفقد معلومات الإشارة الإضافية، ولا يمكن قياسها بدقة.
السعة الكاملة للبئر في مشاهد الإشارات المختلطة
من الناحية المثالية، يتم ضبط وقت التعريض ومستويات الإضاءة لتجنب تشبع البكسل تمامًا. ومع ذلك، يصبح هذا الأمر صعبًا في المشاهد التي تتعايش فيها إشارات ساطعة وخافتة ضمن مجال الرؤية نفسه.
يؤدي تقليل زمن التعريض أو الإضاءة لمنع تشبع المناطق الساطعة غالبًا إلى انخفاض الإشارات الخافتة إلى مستوى قريب من مستوى الضوضاء، مما يجعل الكشف الدقيق أو القياس الكمي صعبًا. في مثل هذه الحالات، قد تهيمن الضوضاء على مناطق الإشارة الضعيفة.
يؤدي ارتفاع قيمة FWC إلى زيادة نطاق التعريض والإضاءة القابل للاستخدام، مما يسمح باكتشاف الإشارات الخافتة بشكل أكثر موثوقية دون تشبع العناصر الأكثر سطوعًا. وهذا بدوره يحسن بشكل مباشر من متانة القياس في سيناريوهات التصوير ذات النطاق الديناميكي العالي.
(للحصول على مناقشة أكثر تفصيلاً لهذه العلاقة، انظر قسم المصطلحات المتعلقة بالنطاق الديناميكي.)
متى تقل أهمية سعة البئر الكاملة؟
في التطبيقات التي تعمل حصريًا في ظروف الإضاءة المنخفضة، أو حيث لا يمثل النطاق الديناميكي مصدر قلق رئيسي، يلعب FWC دورًا أقل أهمية في اختيار الكاميرا وتحسين المعلمات. في هذه الحالات، قد تهيمن عوامل أخرى مثل ضوضاء القراءة أو الحساسية على اعتبارات الأداء.
المفاضلات بين سعة البئر الكاملة ومعدل الإطارات
تُتيح بعض الكاميرات العلمية أوضاع قراءة متعددة، مما يوفر توليفات مختلفة من معدل الإطارات، ومستوى الضوضاء، وسعة البئر الكاملة المتاحة. وفي كثير من الحالات، يمكن تحقيق معدلات إطارات أعلى عن طريق تقليل سعة البئر الكاملة الفعالة.
قد يكون هذا التوازن مفيدًا في التصوير عالي السرعة والتصوير في ظروف الإضاءة المنخفضة حيث يكون خطر التشبع ضئيلاً. ومع ذلك، يتطلب الأمر دراسة متأنية لمستويات الإشارة وهوامش التعريض لضمان الحفاظ على جودة البيانات.
ما هي سعة البئر الكاملة التي تحتاجها؟
في مجال التصوير، غالبًا ما تكون جودة الصورة العالية مفيدة، ويمكن تحسينها من خلال زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء والنطاق الديناميكي. ويُحدَّد كلٌّ من الحد الأقصى لنسبة الإشارة إلى الضوضاء والنطاق الديناميكي الذي يمكن أن توفره الكاميرا بواسطة نظام التحكم في تدفق البيانات.
مع ذلك، عمليًا، لن تصل سوى بعض تطبيقات التصوير إلى سعة البئر الكاملة لكاميراتها أو أوضاعها. تتمتع الكاميرات العلمية النموذجية بسعات بئر كاملة لا تقل عن 10000 إلكترون، وغالبًا ما تتراوح بين 30000 و80000 إلكترون. على الرغم من أن بعض التطبيقات تتطلب سعة بئر كاملة عالية جدًا، إلا أن العديد من التطبيقات الأخرى تتطلب سعة بئر كاملة عالية جدًا.كاميرات عالية الحساسيةستتكرر الإشارات عدة مرات (أو حتى مراتب من حيث الحجم) أقل من هذه القيم القصوى.
مثال: إشارات الذروة النموذجية في تطبيقات التصوير المختلفة
تختلف مستويات الإشارة القصوى النموذجية اختلافًا كبيرًا باختلاف تقنيات التصوير. غالبًا ما يتم تحقيق مستوى إشارة قصوى محدد من خلال المفاضلة بين مواصفات الكاميرا الأخرى، لذا يُنصح باختيار الكاميرا أو وضع التصوير المناسب للإشارة المتوقعة. فيما يلي بعض الأمثلة على مستويات الإشارة القصوى التي تُلاحظ عادةً في تطبيقات التصوير المختلفة.
●التصوير الجزيئي الأحادي5-500e-
●تصوير الخلايا الحية50-1000e-
● مجهر متحد البؤر ذو القرص الدوار: 20-1000 إلكترون
●تصوير الكالسيوم100-5000 هـ-
● تصوير توثيق الفلورة للعينات الثابتة: 2000-20000 إلكترون
● التصوير بالضوء الساطع/الضوء النافذ: 1000-100000 إلكترون
● التصوير بالضوء المحيط عالي الكثافة: 1000-100000+ إلكترون
خاتمة
غالبًا ما يُنظر إلى FWC على أنه مواصفة خاصة بالمستشعر، لكن أهميته تمتد لتشمل أداء التصوير على مستوى النظام. فإلى جانب تحديد الحد الأقصى للإشارة القابلة للقياس على مستوى البكسل، يحدد FWC مدى مرونة التعريض والإضاءة التي يمكن أن يتحملها سير عمل التصوير قبل حدوث التشبع أو اللاخطية.
الأسئلة الشائعة
لماذا تتشبع الصور بسهولة أكبر عند سرعات التقاط عالية؟
عند سرعات التصوير العالية، تصبح هوامش وقت التعريض والإضاءة أكثر تقييدًا. إذا لم يكن نطاق الألوان الكامل كافيًا، فإن المناطق الساطعة تصل إلى التشبع بسرعة، مما يضطرنا إلى استخدام تعريضات أقصر تقلل من النطاق الديناميكي الكلي.
لماذا يؤدي زيادة معدل الإطارات إلى تقليل النطاق الديناميكي القابل للاستخدام؟
غالباً ما تتطلب معدلات الإطارات الأعلى أوقات تعريض أقصر أو أوضاع قراءة مختلفة تحد من نطاق التردد المتاح. وهذا يضيق نطاق الإشارة القابلة للاستخدام ويزيد من خطر التشبع أو القياسات التي يهيمن عليها التشويش.
جميع الحقوق محفوظة لشركة توسن فوتونيكس المحدودة. عند الاستشهاد، يرجى ذكر المصدر.www.tucsen.com
2022/05/13