13. 5. 2022Ve vědeckém zobrazování není nejjasnější signál, který dokáže fotoaparát přesně zaznamenat, určen pouze dobou expozice nebo osvětlením, ale také tím, kolik signálu dokáže každý pixel pojmout předtím, než...sytost pixelůdochází.
Plná kapacita jamky pixelu definuje tuto horní hranici. Jakmile se pixel nasytí, jeho zaznamenaná intenzita již neodráží skutečnou úroveň signálu, což vede k chybám měření a ztrátě kvantitativních informací.
V důsledku toho,plná kapacita vrtu (FWC)hraje klíčovou roli v aplikacích, které vyžadují velký dynamický rozsah, kde je nutné současně zachytit silné i slabé signály v rámci stejného obrazu.
Co je plná kapacita vrtu (FWC)?
Plná kapacita vrtu (FWC) pixelu se vztahuje kmaximální počet fotoelektronůkteré lze měřit. Ve většině případů je tento limit definován fyzickou konstrukcí pixelu: detekované fotoelektrony jsou během expozice uloženy v konečné potenciálové jámě, která může držet pouze omezený náboj.
Obrázek 1vizualizuje vztah mezi plnou kapacitou vrtu a dynamickým rozsahem
(A)Nízká plná kapacita jamky způsobí, že obraz ztratí informace o jasném signálu.
(B)Vysoká plná kapacita jamky zachovává informace o signálu v celém rozsahu intenzity.
Jak je znázorněno na obrázku 1, vyšší plná kapacita studny (FWC) rozšiřuje použitelný dosah signálu a efektivní dynamický rozsah.
Při vysokých úrovních signálu, jakmile se jáma pixelu zaplní, nahromaděný náboj snižuje elektrické pole v potenciálové jámě. To omezuje schopnost pixelu shromažďovat další fotoelektrony a zavádí nelinearitu v odezvě senzoru při vysokých úrovních signálu, což je často doprovázeno poklesem efektivní kvantové účinnosti.
Termínlineární plná kapacita vrtu (lineární FWC)se používá k popisu nejvyšší úrovně signálu, při které se nevyskytuje žádná pozorovatelná nelinearita. Tato hodnota představuje maximální signál, který lze měřit při zachování lineární odezvy na světlo, a je to specifikace nejčastěji uváděná v datových listech vědeckých kamer.
V praxi se termín FWC používá také k označení saturační kapacity nebo saturačního signálu,což je omezeno bitovou hloubkou a rozlišením ADC, definovaná maximální možnou úrovní šedé určenou bitovou hloubkou fotoaparátu.
I když se tyto hodnoty mohou v některých systémech shodovat,vědecké kameryčasto poskytují více režimů čtení s různými dynamickými rozsahy ADC. V takových případech mohou režimy s nižší bitovou hloubkou přistupovat pouze k části dostupného fyzického FWC.
Jak funguje FWC na úrovni pixelů?
Během expozice obrazu generují dopadající fotony elektrony uvnitř křemíkového senzoru. Tyto elektrony jsou shromažďovány a ukládány v pixelové jamce, dokud nedojde k procesu čtení.
Každý pixel má maximální počet elektronů, které může pojmout. K nasycení může dojít buď při překročení fyzické paměťové kapacity pixelu, nebo při dosažení maximálního limitu digitální hodnoty šedé. Jakmile je dosaženo nasycení, další informace o signálu se ztratí a nelze je již přesně kvantifikovat.
Plná kapacita vrtu ve scénách smíšeného signálu
V ideálním případě je doba expozice a úrovně osvětlení nastaveno tak, aby se zcela zabránilo saturaci pixelů. To se však stává výzvou ve scénách, kde se v jednom zorném poli koexistují jasné a slabé signály.
Zkrácení doby expozice nebo osvětlení, aby se zabránilo nasycení jasných oblastí, často způsobí, že slabé signály klesnou blízko k šumové hranici, což ztěžuje smysluplnou detekci nebo kvantitativní měření. V takových případech může šum dominovat oblastem slabého signálu.
Vyšší hodnota FWC zvyšuje použitelný rozsah expozice a osvětlení, což umožňuje spolehlivější detekci slabých signálů bez saturace jasnějších prvků. To přímo zlepšuje robustnost měření ve scénářích zobrazování s vysokým dynamickým rozsahem.
(Podrobnější diskusi o tomto vztahu naleznete v části Glosář dynamického rozsahu.)
Kdy na plné kapacitě vrtu nezáleží?
V aplikacích, které fungují výhradně za slabého osvětlení nebo kde dynamický rozsah není primárním problémem, hraje FWC méně důležitou roli při výběru kamery a optimalizaci parametrů. V těchto případech mohou při zvažování výkonu dominovat jiné faktory, jako je šum při čtení nebo citlivost.
Kompromisy mezi plnou kapacitou vrtu a snímkovou frekvencí
Některé vědecké kamery poskytují více režimů odečtu, které nabízejí různé kombinace snímkové frekvence, šumového výkonu a dostupné plné kapacity jamky (FWC). V mnoha případech lze vyšší snímkové frekvence dosáhnout snížením efektivní FWC.
Tento kompromis může být výhodný při vysokorychlostním zobrazování a zobrazování za slabého osvětlení, kde je riziko saturace minimální. Vyžaduje však pečlivé zvážení úrovní signálu a expozičních rezerv, aby byla zajištěna kvalita dat.
Jakou plnou kapacitu vrtu potřebujete?
Při zpracování obrazu může být vyšší kvalita obrazu často prospěšná a lze ji zlepšit jak zvýšením poměru signálu k šumu, tak i zvýšením dynamického rozsahu. Maximální možný poměr signálu k šumu (SNR) i dynamický rozsah, které kamera dokáže poskytnout, jsou omezeny hodnotou FWC (faktorem proměnné vlny).
V praxi však pouze některé zobrazovací aplikace dosáhnou FWC svých kamer nebo režimů kamery. Typické vědecké kamery mohou mít plnou kapacitu jamek alespoň nad 10 000 e-, často kolem 30–80 000 e-. Ačkoli některé aplikace vyžadují velmi vysokou FWC, v mnoha aplikacích vyžadujícíchvysoce citlivé kamery, signály budou mnohokrát (nebo dokonce řádově) nižší než tyto maximální hodnoty.
Příklad: Typické maximální signály v různých zobrazovacích aplikacích
Různé zobrazovací techniky mají často velmi odlišné typické maximální úrovně signálu. Dané fixní úhlopříčky signálu (FWC) se často dosahuje kompromisem s jinými specifikacemi kamery, přičemž je vhodné přizpůsobit výběr kamery nebo režimu kamery očekávanému signálu. Níže uvádíme několik příkladů maximálních signálů, které se obvykle vyskytují v různých zobrazovacích aplikacích.
●Zobrazování jednotlivých molekul: 5-500e-
●Zobrazování živých buněk: 50-1000 e-
● Konfokální rotující disk: 20–1000 e-
●Zobrazování vápníku100–5 000 e-
● Zobrazování dokumentace fluorescenčního vzorku s pevnými vzorky: 2 000–20 000 e-
● Zobrazování v jasném poli/procházejícím světle: 1 000–100 000 e-
● Zobrazování s vysokou intenzitou okolního světla: 1 000–100 000+ e-
Závěr
FWC je často vnímána jako specifikace senzoru, ale její význam se rozšiřuje i na zobrazovací výkon na úrovni systému. Kromě definování maximálního měřitelného signálu na úrovni pixelů určuje FWC, jakou flexibilitu expozice a osvětlení může zobrazovací pracovní postup tolerovat, než dojde k saturaci nebo nelinearitě.
Často kladené otázky
Proč se obrazy při vysokých rychlostech snímání snáze saturují?
Při vysokých rychlostech snímání se expoziční čas a rozpětí osvětlení více omezují. Pokud je FWC nedostatečné, světlé oblasti rychle dosáhnou saturace, což vynutí kratší expozice, které snižují celkový dynamický rozsah.
Proč zvýšení snímkové frekvence snižuje použitelný dynamický rozsah?
Vyšší snímkové frekvence často vyžadují kratší expoziční časy nebo různé režimy odečtu, které omezují dostupné FWC. To zužuje použitelný rozsah signálu a zvyšuje riziko saturace nebo měření s dominancí šumu.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Všechna práva vyhrazena. Při citaci prosím uveďte zdroj:www.tucsen.com
