Разуменне цёмнага току ў навуковых камерах: прычыны, шум і змякчэнне яго ўздзеяння

Шум цёмнага току — гэта крыніца шуму камеры, якая залежыць ад тэмпературы і часу экспазіцыі. Імкненне паменшыць цёмны ток — асноўная прычына, па якой многія навуковыя камеры астуджаюцца. Хоць шум цёмнага току можа быць нязначным пры кароткіх часах экспазіцыі, ён можа быць асноўнай перашкодай для паспяховай візуалізацыі з працяглай вытрымкай, калі вытрымкі аднаго кадра могуць вымярацца дзясяткамі секунд, а таксама хвілінамі ці гадзінамі.

Разуменне цёмнага току, яго прычын, спосабаў яго разліку і спосабаў памяншэння яго ўздзеяння мае важнае значэнне для фатографаў, астраномаў і даследчыкаў, якія выкарыстоўваюць навуковыя камеры. Гэты артыкул змяшчае поўнае кіраўніцтва па цёмным току і практычныя стратэгіі эфектыўнага кіравання ім.

Што такое цёмны ток?

Цёмны ток — гэта невялікі электрычны ток, які генеруецца датчыкам камеры нават у поўнай цемры. Ён узнікае з-за цеплавой актыўнасці ўнутры паўправадніковага матэрыялу датчыка, у выніку чаго ўтвараюцца электроны, якія імітуюць рэальныя фотагенераваныя сігналы.

Важна адрозніваць сігнал цёмнага току ад шуму цёмнага току:

●Сігнал цёмнага токуПастаяннае назапашванне электронаў з цягам часу.

●Шум цёмнага токуВыпадковыя ваганні гэтага сігналу, якія праяўляюцца ў выглядзе зерня або плям на выяве.

Разуменне гэтага адрознення дапамагае як вылічыць, так і змякчыць яго наступствы.

Чаму ўзнікае шум цёмных токаў

Унутры датчыка кожнай камеры малекулы, атамы і субатамныя часціцы знаходзяцца ў пастаянным цеплавым руху. Чым вышэйшая тэмпература датчыка, тым большая энергія гэтага цеплавога руху. Унутры кожнага пікселя будуць рухацца электроны, якія рухаюцца пад уздзеяннем гэтай цеплавой энергіі.

Існуе вялікая верагоднасць таго, што некаторыя з іх трапяць у піксельную яму — гэтак жа, як і выяўленыя намі фотаэлектроны з уваходнага сігналу. Няма магчымасці адрозніць гэтыя цеплавыя электроны ад «сапраўднага» сігналу. Гэта паходжанне цёмнага току і шуму цёмнага току.

На інтэнсіўнасць цёмнага току ўплываюць некалькі фактараў:

●ТэмператураБольш высокія тэмпературы павялічваюць цеплавую актыўнасць, павышаючы ўзровень цёмных токаў.

●Час уздзеянняБольш працяглая экспазіцыя дазваляе назапасіць больш цёмнага току.

●Тып і якасць датчыкаПЗС-датчыкі часта маюць большы цёмны ток, чым сучасныя CMOS-датчыкі, хоць гэта залежыць ад канструкцыі і вытворчага працэсу.

Цёмны ток, сігнал цёмнага току і шум цёмнага току

На працягу часу экспазіцыі тэрмічна згенераваныя электроны назапашваюцца ў ямах пікселя. Агульная колькасць электронаў у пікселі называецца сігналам цёмнага току (часам яго называюць проста «цёмным сігналам»). Гэта новая «базавая лінія», ад якой трэба вымяраць сапраўдны сігнал фатона.

У залежнасці ад архітэктуры, канструкцыі і тэмпературы датчыка, электроны могуць назапашвацца з хуткасцю сотні ў секунду, альбо можа спатрэбіцца гадзіна, перш чым стане верагодным уваходжанне аднаго тэрмічна згенераванага электрона.

Тыповая, сярэдняя паводзіны дадзенага датчыка камеры заключаецца ў тым, што сігнал цёмнага току нарастае з зададзенай лінейнай хуткасцю пры зададзенай падтрымліваемай тэмпературы датчыка, якая вымяраецца ў электронах на піксель у секунду. Гэтая сярэдняя хуткасць сігналу цёмнага току звычайна называецца ў спецыфікацыях камеры «цёмным токам». Сігнал цёмнага току ў дадзеным пікселі вызначаецца шляхам памнажэння гэтага значэння цёмнага току на час экспазіцыі.

Нягледзячы на тое, што звычайна назапашванне сігналу цёмнага току мае лінейны характар, яно не абавязкова раўнамерна размеркавана па ўсёй матрыцы. Вельмі часта камеры дэманструюць «свячэнне» па краях матрыцы і іншыя неаднастайнасці. Хоць часам ён адрозніваецца па паходжанні ад звычайнага цеплавога шуму, высокі цёмны сігнал у гэтых абласцях можна разглядаць так, быццам іх цёмны ток вышэйшы.

Аднак найважнейшым фактарам у нашай візуалізацыі не абавязкова з'яўляецца сігнал цёмнага току, які з-за сваёй лінейнай паводзін часта можна адняць ад атрыманых малюнкаў, як адзначана ў раздзеле насупраць. Нельга адняць уклад шуму з-за выпадковага характару саміх падзей захопу электронаў у цёмным полі.

Гэтак жа, як і ў выпадку з фатонным дробавым шумам, хоць сігнал цёмнага току назапашваецца з вядомай сярэдняй хуткасцю, рэальныя асобныя падзеі з'яўляюцца выпадковымі ў часе. Такім чынам, шум цёмнага току падпарадкоўваеццаСтатыстыка Пуасонагэтак жа, як і дробавы шум фатонаў. Аднак варта адзначыць, што некаторыя крыніцы сігналу цёмнага току могуць не адпавядаць статыстыцы Пуасона, таму, калі гэтыя значэнні важныя для вашага прымянення, мэтазгодна старанна вымяраць шум цёмнага току.

Як разлічыць шум цёмнавага току

Уклад шуму цёмнага току, як і іншых крыніц шуму статыстыкі Пуасона, з'яўляецца квадратным коранем з выяўленага сігналу цёмнага току.

Дзе t — час экспазіцыі ў секундах. Як адзначана ў прыведзеным вышэй ураўненні, ацэнку шуму цёмнага току ў пікселі можна атрымаць, проста памножыўшы квадратны корань са значэння цёмнага току са спецыфікацыі на час экспазіцыі. Больш дакладную меру можна атрымаць, супаставіўшы значэнні цёмнага току кожнага пікселя камеры.

Адніманне цёмнага току з малюнкаў

Як адзначалася вышэй, цёмны ток павышае значэнне «нулявога сігналу» пікселяў. Для колькасных метадаў, якія патрабуюць вымярэння або параўнання значэнняў пікселяў, гэта недапушчальна. Акрамя таго, калі (што звычайна бывае) размеркаванне цёмнага току па датчыку нераўнамернае, атрыманы малюнак можа пагоршыць якасць выявы, калі ён бачны паверх сапраўднага сігналу. З выяў можна адняць уплыў назапашанага сігналу цёмнага току, пакінуўшы толькі ўклад шуму.

Як адняць сігнал цёмнага току

Існуе два метады ў залежнасці ад таго, наколькі раўнамерна або нераўнамерна размеркаваны цёмны ток. Аднак у абодвух выпадках нам трэба альбо пераўтварыць выяву ў адзінкі фотаэлектронаў, альбо пераўтварыць значэнні сігналу цёмнага току ў ўзроўні шэрага перад адніманнем.

Калі назапашванне цёмнага току прыблізна раўнамернае па ўсім датчыку, то простага аднімання сярэдняга сігналу цёмнага току ў шэрым колеры ад кожнага пікселя можа быць дастаткова:

Аднак, калі цёмны ток размеркаваны нераўнамерна, можа спатрэбіцца стварыць карту цёмнага току, якая складаецца з сярэдняга значэння некалькіх цёмных здымкаў з працяглай вытрымкай. Затым значэнні на гэтым здымку можна маштабаваць у залежнасці ад часу экспазіцыі (з улікам зрушэння камеры) і адняць ад выявы. Цяпер застаецца толькі ўклад шуму.

Заўвага: Эксперыментальныя працоўныя працэсы часам могуць уключаць адніманне аднаго «цёмнага кадра» з вынікаў, атрыманых непасрэдна перад пачаткам эксперыменту. Для максімальнага павышэння якасці выявы і суадносін сігнал/шум гэта не рэкамендуецца. Гэта прывядзе да аднімання цёмнага сігналу і зрушэння камеры. Але гэта дадасць уклад шуму цёмнага току і шуму зчытвання цёмнага кадра, эфектыўна падвоіўшы ўклад гэтых крыніц шуму.

Астуджэнне супраць цёмнага току

Важна адзначыць, што, хоць для пэўнага датчыка камеры цёмны ток залежыць ад тэмпературы датчыка, параўнанне розных камер нельга праводзіць толькі па тэмпературы. Архітэктура і канструкцыя датчыка з'яўляюцца значна больш важным фактарам пры вызначэнні ступені цёмнага току, чым тэмпература датчыка.

Напрыклад, каб параўнаць дзве CMOS-камеры з задняй падсветкай:

Пры тэмпературы датчыка -25°C,Камера sCMOS Tucsen Dhyana 400BSI V3праяўляе цёмны ток 0,2e-/p/s. Гэта азначае, што ў сярэднім на адзін электрон сігналу цёмнага току ў кожным пікселі можа спатрэбіцца 5 секунд экспазіцыі.

Аднак пры той жа тэмпературы датчыка,Астуджаная CMOS-камера з доўгай вытрымкай Tucsen FL 9BW, спецыяльна распрацаваны для працяглых вытрымак, мае менш за 0,0005 e-/p/s, што азначае, што для генерацыі аднаго цёмнага электрона на піксель патрабуецца сярэдні час экспазіцыі больш за паўгадзіны.

FL 9BW Астуджаная CMOS-камера з доўгай вытрымкай

Як працуе астуджэнне камеры

Найбольш распаўсюджанай формай астуджэння датчыкаў для навуковых камер з'яўляецца тэрмаэлектрычнае астуджэнне. Звычайна яно працуе ў тры «этапы»:

Спачатку цяпло ад датчыка адводзіцца з дапамогай тэрмаэлектрычнага ахаладжальніка, які таксама называюць ахаладжальнікам Пельцье або пласцінай Пельцье. Гэта прылада выкарыстоўвае эфект Пельцье, пры якім электрычны кампанент, вядомы як тэрмапара, перамяшчае цяпло з аднаго боку сябе на іншы пры падачы напружання.

Па-другое, цяпло перадаецца ад пласцін Пельцье праз тэрмічна злучаныя металічныя кампаненты да цеплаабменнікаў.

Па-трэцяе, альбо вентылятар перамяшчае паветра міма цеплаабменнікаў, каб адвесці цяпло вонкі з камеры, альбо помпа перамяшчае вадкі астуджальны агент міма іх, альбо яны астуджаюцца пасіўным патокам паветра.

Калі важны шум цёмнавага току?

Адносная значнасць шуму цёмнага току моцна залежыць ад двух фактараў: па-першае, тыповага часу экспазіцыі ў вашым эксперыменце або прыкладанні для візуалізацыі, і па-другое, цёмнага току вашай канкрэтнай камеры.

У выпадках вельмі кароткага часу экспазіцыі, напрыклад, менш за 50 мс, нават неахаладжаныя камеры часта маюць настолькі нізкі цёмны ток, што гэтым можна цалкам занядбаць.

Аднак, пры больш працяглых часах экспазіцыі неабходна правесці разлік, каб праверыць уклад цёмнага току. Для многіх высокаадчувальныхCMOS-камерычас экспазіцыі ўсяго адна ці дзве секунды можа прывесці да таго, што шум цёмнага току перавысіць шум чытання.

Прыклад: Меркаванні па візуалізацыі з працяглай вытрымкай

Візуалізацыя з працяглай вытрымкай вызначаецца як прымяненне, якое патрабуе часу экспазіцыі ад дзясяткаў секунд да хвілін або гадзін для атрымання аб'ектаў выявы з вельмі нізкім патокам фатонаў. Прыкладамі прымянення з'яўляюцца біялюмінесцэнцыя, хемілюмінесцэнцыя і астраномія.

У гэтых выпадках цёмны ток павінен стаць характарыстыкай першараднай важнасці. Аднак неабходна ўлічваць і дадатковыя фактары:

● Якасць сэнсара і карэкцыя выявы могуць паменшыць уплыў гарачых пікселяў.

● Высокі дынамічны дыяпазон камеры можа быць надзвычай карысным, бо вельмі яркія сігналы могуць быць атрыманы (наўмысна або выпадкова) пры доўгіх вытрымках на тым жа выяве, што і цьмяныя сігналы.

● Тэхналогія і метады «антыблумінгу» могуць дапамагчы пазбегнуць уцечкі сігналу ад насычаных пікселяў да сваіх суседзяў.

● У некаторых выпадках можа быць карысным павялічыць перадыскрэтызацыю з выкарыстаннем меншых пікселяў, каб паменшыць уплыў касмічных прамянёў або гарачых пікселяў на выяву, хоць гэта можа знізіць поўную ёмістасць скважыны.

Выснова

Цёмны ток — гэта непазбежная з'ява ў датчыках камеры, але разуменне яго прычын і наступстваў дазваляе эфектыўна паменшыць яго. Разлічваючы шум цёмнага току, выкарыстоўваючы адніманне цёмных кадраў і астуджэнне камеры пры неабходнасці, можна значна палепшыць якасць выявы.

Для навуковых задач візуалізацыі, асабліва тых, якія патрабуюць працяглай вытрымкі або высокай адчувальнасці, кіраванне цёмным токам мае вырашальнае значэнне. Выбар правільнай камеры, належнае астуджэнне і ўкараненне метадаў апрацоўкі малюнкаў гарантуюць, што вашы дадзеныя застануцца дакладнымі, а выявы захаваюць максімальную дэталізацыю.

Туссен спецыялізуецца на распрацоўцы перадавыхнавуковыя камерыраспрацаваны для мінімізацыі цёмнага току і забеспячэння найвышэйшай прадукцыйнасці ў складаных умовах візуалізацыі.Звяжыцеся з наміі даведайцеся, як нашы інавацыі могуць палепшыць вынікі вашай візуалізацыі.

Tucsen Photonics Co., Ltd. Усе правы абаронены. Пры цытаванні, калі ласка, спасылайцеся на крыніцу:www.tucsen.com