13.05.2022У навуковай візуалізацыі найбольш яркі сігнал, які камера можа дакладна запісаць, вызначаецца не толькі часам экспазіцыі або асвятленнем, але і тым, колькі сігналу кожны піксель можа ўмясціць перад...насычанасць пікселяўадбываецца.
Поўная ёмістасць пікселя вызначае гэтую верхнюю мяжу. Пасля таго, як піксель насычаецца, яго запісаная інтэнсіўнасць больш не адлюстроўвае сапраўдны ўзровень сігналу, што прыводзіць да памылак вымярэнняў і страты колькаснай інфармацыі.
У выніку,поўная ёмістасць свідравіны (FWC)адыгрывае важную ролю ў прыкладаннях, якія патрабуюць вялікага дынамічнага дыяпазону, дзе моцныя і слабыя сігналы павінны быць захоплены адначасова ў межах аднаго малюнка.
Што такое поўная магутнасць свідравіны (ПМС)?
Поўная ёмістасць свідравіны (FWC) пікселя адносіцца дамаксімальная колькасць фотаэлектронаўякія можна вымераць. У большасці выпадкаў гэтая мяжа вызначаецца фізічнай канструкцыяй пікселя: выяўленыя фотаэлектроны захоўваюцца ў канечнай патэнцыяльнай яме падчас экспазіцыі, якая можа ўтрымліваць толькі абмежаваны зарад.
Малюнак 1візуалізуе сувязь паміж поўнай магутнасцю свідравіны і дынамічным дыяпазонам
(А)Нізкая поўная ёмістасць скважыны прыводзіць да страты інфармацыі аб яркім сігнале на выяве.
(Б)Высокая поўная ёмістасць свідравіны захоўвае інфармацыю аб сігнале ва ўсім дыяпазоне інтэнсіўнасці.
Як паказана на малюнку 1, больш высокая поўная ёмістасць свідравіны (ПГС) пашырае дыяпазон карыснага сігналу і эфектыўны дынамічны дыяпазон.
Пры высокіх узроўнях сігналу, па меры запаўнення патэнцыяльнай ямы пікселя, назапашаны зарад памяншае электрычнае поле ўнутры патэнцыяльнай ямы. Гэта абмяжоўвае здольнасць пікселя збіраць дадатковыя фотаэлектроны і ўводзіць нелінейнасць у рэакцыю датчыка пры высокіх узроўнях сігналу, што часта суправаджаецца зніжэннем эфектыўнай квантавай эфектыўнасці.
Тэрмінлінейная поўная ёмістасць свідравіны (лінейны FWC)выкарыстоўваецца для апісання найвышэйшага ўзроўню сігналу, пры якім не назіраецца нелінейнасці. Гэта значэнне ўяўляе сабой максімальны сігнал, які можна вымераць, захоўваючы пры гэтым лінейную рэакцыю на святло, і гэта характарыстыка, якая часцей за ўсё паказваецца ў тэхнічных характарыстыках навуковых камер.
На практыцы тэрмін FWC таксама выкарыстоўваецца для абазначэння ёмістасці насычэння або сігналу насычэння,якая абмежаваная разраднасцю і дазволам АЦП, які вызначаецца максімальна магчымым узроўнем шэрага, вызначаным глыбінёй колеру камеры.
Хоць гэтыя значэнні могуць супадаць у некаторых сістэмах,навуковыя камерычаста забяспечваюць некалькі рэжымаў зчытвання з рознымі дынамічнымі дыяпазонамі АЦП. У такіх выпадках рэжымы з меншай бітавай глыбінёй могуць атрымліваць доступ толькі да часткі даступнага фізічнага FWC.
Як працуе FWC на ўзроўні пікселяў?
Падчас экспазіцыі выявы падаючыя фатоны генеруюць электроны ўнутры крэмніевага датчыка. Гэтыя электроны збіраюцца і захоўваюцца ў піксельнай яме да працэсу зчытвання.
Кожны піксель мае максімальную колькасць электронаў, якія ён можа ўтрымліваць. Насычэнне можа адбыцца альбо пры перавышэнні фізічнай ёмістасці пікселя, альбо пры дасягненні максімальнага ліміту лічбавага значэння шкалы шэрага. Пасля дасягнення насычэння дадатковая сігнальная інфармацыя губляецца і больш не можа быць дакладна колькасна вызначана.
Поўная ёмістасць свідравіны ў змешаных сігнальных сцэнах
У ідэале, час экспазіцыі і ўзровень асветленасці настроены так, каб цалкам пазбегнуць насычэння пікселяў. Аднак гэта становіцца складанай задачай у сцэнах, дзе яркія і цьмяныя сігналы суіснуюць у адным полі зроку.
Скарачэнне часу экспазіцыі або асвятлення для прадухілення насычэння яркіх абласцей часта прыводзіць да таго, што цьмяныя сігналы апускаюцца блізка да ўзроўню шуму, што ўскладняе значнае выяўленне або колькасныя вымярэнні. У такіх выпадках шум можа дамінаваць у абласцях слабага сігналу.
Больш высокая FWC павялічвае карысны дыяпазон экспазіцыі і асвятлення, што дазваляе больш надзейна выяўляць цьмяныя сігналы без насычэння больш яркіх участкаў. Гэта непасрэдна паляпшае надзейнасць вымярэнняў у сцэнарах візуалізацыі з высокім дынамічным дыяпазонам.
(Больш падрабязнае абмеркаванне гэтай сувязі глядзіце ў раздзеле глосарыя дынамічнага дыяпазону.)
Калі поўная магутнасць свідравіны менш важная?
У праграмах, якія працуюць выключна ва ўмовах нізкай асветленасці або дзе дынамічны дыяпазон не з'яўляецца першачарговай праблемай, FWC адыгрывае менш важную ролю ў выбары камеры і аптымізацыі параметраў. У гэтых выпадках іншыя фактары, такія як шум чытання або адчувальнасць, могуць дамінаваць пры ацэнцы прадукцыйнасці.
Кампрамісы паміж поўнай магутнасцю свідравіны і частатой кадраў
Некаторыя навуковыя камеры забяспечваюць некалькі рэжымаў счытвання, прапаноўваючы розныя камбінацыі частаты кадраў, шумавых характарыстык і даступнай поўнай ёмістасці скважыны (FWC). У многіх выпадках больш высокай частаты кадраў можна дасягнуць, памяншаючы эфектыўную FWC.
Гэты кампраміс можа быць выгадным пры хуткаснай візуалізацыі і візуалізацыі пры слабым асвятленні, дзе рызыка насычэння мінімальная. Аднак для забеспячэння якасці дадзеных патрабуецца ўважлівы ўлік узроўняў сігналу і запасаў экспазіцыі.
Якая поўная ёмістасць свідравіны вам патрэбна?
Пры візуалізацыі больш высокая якасць выявы часта можа быць карыснай і можа быць палепшана як за кошт павелічэння суадносін сігнал/шум, так і за кошт павелічэння дынамічнага дыяпазону. Як максімальна магчымае суадносіны сігнал/шум, так і дынамічны дыяпазон, якія можа забяспечыць камера, абмежаваныя FWC.
Аднак на практыцы толькі некаторыя праграмы апрацоўкі візуалізацыі дасягаюць поўнай магутнасці люмінесцэнцыі (FWC) сваіх камер або рэжымаў камеры. Тыповыя навуковыя камеры могуць мець поўную ёмістасць скважын як мінімум вышэй за 10 000 электрофорезаў, часта каля 30–80 000 электрофорезаў. Хоць некаторыя праграмы патрабуюць вельмі высокай FWC, у многіх выпадках...высокаадчувальныя камеры, сігналы будуць шмат разоў (ці нават парадкі велічыні) ніжэй за гэтыя максімальныя значэнні.
Прыклад: Тыповыя максімальныя сігналы ў розных прыкладаннях візуалізацыі
Розныя метады візуалізацыі часта маюць вельмі розныя тыповыя максімальныя ўзроўні сігналу. Зададзены FWC часта дасягаецца шляхам кампрамісу з іншымі характарыстыкамі камеры, таму мэтазгодна падладзіць выбар камеры або рэжыму камеры пад чаканы сігнал. Ніжэй прыведзены некаторыя прыклады максімальных сігналаў, якія звычайна назіраюцца ў розных праграмах візуалізацыі.
●Візуалізацыя адной малекулы: 5-500e-
●Візуалізацыя жывых клетак: 50-1000e-
● Канфакальны дыск з кручэннем: 20-1000e-
●Візуалізацыя кальцыя: 100-5000 e-
● Флуарэсцэнтная дакументацыя фіксаваных узораў: 2000–20 000 э-
● Візуалізацыя ў светлым полі/праходным святле: 1000–100 000 э-
● Візуалізацыя пры высокай інтэнсіўнасці навакольнага святла: 1000–100 000+ электронаў
Выснова
FWC часта разглядаецца як спецыфікацыя датчыка, але яе значэнне распаўсюджваецца на прадукцыйнасць візуалізацыі на ўзроўні сістэмы. Акрамя вызначэння максімальнага вымяральнага сігналу на ўзроўні пікселя, FWC вызначае, якую гнуткасць экспазіцыі і асвятлення можа дапусціць працоўны працэс візуалізацыі, перш чым узнікне насычэнне або нелінейнасць.
Часта задаваныя пытанні
Чаму выявы лягчэй насычаюцца пры высокіх хуткасцях захопу?
Пры высокіх хуткасцях здымкі час экспазіцыі і запасы асвятлення становяцца больш абмежаванымі. Калі FWC недастаткова, яркія вобласці хутка дасягаюць насычэння, што прымушае скарачаць вытрымкі, што памяншае агульны дынамічны дыяпазон.
Чаму павелічэнне частаты кадраў памяншае карысны дынамічны дыяпазон?
Больш высокая частата кадраў часта патрабуе больш кароткіх часоў экспазіцыі або розных рэжымаў счытвання, якія абмяжоўваюць даступную FWC. Гэта звужае дыяпазон выкарыстоўванага сігналу і павялічвае рызыку насычэння або вымярэнняў з дамінаваннем шуму.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усе правы абаронены. Пры цытаванні, калі ласка, спасылайцеся на крыніцу:www.tucsen.com
