2022/05/13I videnskabelig billeddannelse bestemmes det lyseste signal, et kamera præcist kan optage, ikke udelukkende af eksponeringstid eller belysning, men af hvor meget signal hver pixel kan rumme førpixelmætningforekommer.
En pixels fulde brøndkapacitet definerer denne øvre grænse. Når en pixel bliver mættet, afspejler dens registrerede intensitet ikke længere det sande signalniveau, hvilket fører til målefejl og tab af kvantitativ information.
Som følge heraf,fuld brøndkapacitet (FWC)spiller en afgørende rolle i applikationer, der kræver et stort dynamisk område, hvor stærke og svage signaler skal opfanges samtidigt i det samme billede.
Hvad er fuld brøndkapacitet (FWC)?
Den fulde brøndkapacitet (FWC) af en pixel refererer tilmaksimalt antal fotoelektronersom kan måles. I de fleste tilfælde er denne grænse defineret af pixelens fysiske design: detekterede fotoelektroner lagres i en begrænset potentialbrønd under eksponering, som kun kan holde en begrænset ladning.
Figur 1visualiserer forholdet mellem fuld brøndkapacitet og dynamisk område
(EN)Lav fuld brøndkapacitet forårsager, at billedet mister information om klart signal.
(B)Høj fuld brøndkapacitet bevarer signalinformation på tværs af hele intensitetsområdet.
Som illustreret i figur 1 udvider en højere fuld brøndkapacitet (FWC) det brugbare signalområde og det effektive dynamiske område.
Ved høje signalniveauer, når pixelbrønden fyldes, reducerer den akkumulerede ladning det elektriske felt i potentialbrønden. Dette begrænser pixelens evne til at indsamle yderligere fotoelektroner og introducerer ikke-linearitet i sensorens respons ved høje signalniveauer, ofte ledsaget af et fald i effektiv kvanteeffektivitet.
Udtrykketlineær fuld brøndkapacitet (lineær FWC)bruges til at beskrive det højeste signalniveau, hvor der ikke forekommer nogen observerbar ikke-linearitet. Denne værdi repræsenterer det maksimale signal, der kan måles, samtidig med at en lineær respons på lys opretholdes, og det er den specifikation, der oftest rapporteres på datablade for videnskabelige kameraer.
I praksis bruges udtrykket FWC også til at henvise til mætningskapaciteten eller mætningssignalet,som er begrænset af bitdybde og ADC-opløsning, defineret af det maksimalt mulige gråniveau bestemt af kameraets bitdybde.
Selvom disse værdier kan stemme overens i nogle systemer,videnskabelige kameraertilbyder ofte flere udlæsningstilstande med forskellige ADC-dynamiske områder. I sådanne tilfælde kan tilstande med lavere bitdybde muligvis kun få adgang til en del af den tilgængelige fysiske FWC.
Hvordan fungerer FWC på pixelniveau?
Under billedeksponering genererer indfaldende fotoner elektroner i siliciumsensoren. Disse elektroner opsamles og lagres i pixelbrønden, indtil udlæsningsprocessen finder sted.
Hver pixel har et maksimalt antal elektroner, den kan indeholde. Mætning kan forekomme enten når pixelens fysiske lagerkapacitet overskrides, eller når den digitale gråtoneværdi når sin maksimale grænse. Når mætningen er nået, går yderligere signalinformation tabt, og den kan ikke længere kvantificeres nøjagtigt.
Fuld brøndkapacitet i blandede signalscener
Ideelt set er eksponeringstid og belysningsniveauer konfigureret til at undgå pixelmætning helt. Dette bliver dog en udfordring i scener, hvor lyse og svage signaler sameksisterer inden for det samme synsfelt.
Reduktion af eksponeringstid eller belysning for at forhindre mætning af lyse områder forårsager ofte, at svage signaler falder tæt på støjgulvet, hvilket gør meningsfuld detektion eller kvantitativ måling vanskelig. I sådanne tilfælde kan støj dominere de svage signalområder.
En højere FWC øger det brugbare eksponerings- og belysningsområde, hvilket gør det muligt at detektere svage signaler mere pålideligt uden at mætte lysere elementer. Dette forbedrer direkte målerobustheden i billeddannelsesscenarier med højt dynamisk område.
(For en mere detaljeret diskussion af dette forhold, se afsnittet om ordliste over dynamisk område.)
Når fuld brøndkapacitet betyder mindre?
I applikationer, der udelukkende fungerer under forhold med svagt lys, eller hvor dynamisk område ikke er en primær bekymring, spiller FWC en mindre kritisk rolle i kameravalg og parameteroptimering. I disse tilfælde kan andre faktorer, såsom læsestøj eller følsomhed, dominere ydelsesovervejelserne.
Afvejninger mellem fuld brøndkapacitet og billedhastighed
Nogle videnskabelige kameraer tilbyder flere udlæsningstilstande, der tilbyder forskellige kombinationer af billedhastighed, støjydelse og tilgængelig fuld brøndkapacitet (FWC). I mange tilfælde kan højere billedhastigheder opnås ved at reducere den effektive FWC.
Denne afvejning kan være fordelagtig i billeddannelsesscenarier med høj hastighed og svagt lys, hvor risikoen for mætning er minimal. Det kræver dog omhyggelig overvejelse af signalniveauer og eksponeringsmargener for at sikre, at datakvaliteten opretholdes.
Hvor meget fuld brøndkapacitet har du brug for?
I billeddannelse kan højere billedkvalitet ofte være gavnlig og kan forbedres både ved øget signal-støj-forhold og dynamisk område. Både det maksimalt mulige signal-støj-forhold (SNR) og det dynamiske område, som et kamera kan levere, er begrænset af FWC.
I praksis er det dog kun nogle billeddannelsesapplikationer, der når FWC'en for deres kameraer eller kameratilstande. Typiske videnskabelige kameraer kan have fuld brøndkapacitet på mindst over 10.000e-, ofte omkring 30-80.000e-. Selvom nogle applikationer kræver meget høj FWC, er det i mange applikationer, der kræverkameraer med høj følsomhed, signaler vil være mange gange (eller endda størrelsesordener) lavere end disse maksimumværdier.
Eksempel: Typiske maksimale signaler i forskellige billeddannelsesapplikationer
Forskellige billeddannelsesteknikker har ofte meget forskellige typiske maksimale signalniveauer. En given FWC opnås ofte i et kompromis med andre kameraspecifikationer, hvilket er klogt at tilpasse kamera- eller kameratilstandsvalg til det forventede signal. Nedenfor er nogle eksempler på maksimale signaler, der typisk ses i forskellige billeddannelsesapplikationer.
●Enkeltmolekylebilleddannelse: 5-500e-
●Levende cellebilleddannelse: 50-1000e-
● Konfokal roterende disk: 20-1000e-
●Kalciumbilleddannelse: 100-5.000 e-
● Dokumentationsbilleddannelse med fast prøvefluorescens: 2.000-20.000 e-
● Billeddannelse med lysfelt/gennemlysning: 1.000-100.000e-
● Billeddannelse af omgivende lys med høj intensitet: 1.000-100.000+ e-
Konklusion
FWC ses ofte som en sensorspecifikation, men dens betydning strækker sig til billeddannelsesydelse på systemniveau. Ud over at definere det maksimale målbare signal på pixelniveau bestemmer FWC, hvor meget eksponerings- og belysningsfleksibilitet en billeddannelsesworkflow kan tolerere, før mætning eller ikke-linearitet opstår.
Ofte stillede spørgsmål
Hvorfor mættes billeder lettere ved høje optagelseshastigheder?
Ved høje optagelseshastigheder bliver eksponeringstid og belysningsmarginer mere begrænsede. Hvis FWC er utilstrækkelig, når lyse områder hurtigt mætning, hvilket tvinger kortere eksponeringer, der reducerer det samlede dynamiske område.
Hvorfor reducerer øget billedhastighed det brugbare dynamiske område?
Højere billedhastigheder kræver ofte kortere eksponeringstider eller forskellige udlæsningstilstande, der begrænser tilgængelig FWC. Dette indsnævrer det brugbare signalområde og øger risikoen for mætning eller støjdominerede målinger.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rettigheder forbeholdes. Angiv venligst kilden ved henvisning:www.tucsen.com
