13/05/2022Στην επιστημονική απεικόνιση, το φωτεινότερο σήμα που μπορεί να καταγράψει με ακρίβεια μια κάμερα δεν καθορίζεται αποκλειστικά από τον χρόνο έκθεσης ή τον φωτισμό, αλλά από το πόσο σήμα μπορεί να δεχτεί κάθε εικονοστοιχείο πριν...κορεσμός pixelσυμβαίνει.
Η πλήρης χωρητικότητα ενός pixel ορίζει αυτό το ανώτατο όριο. Μόλις ένα pixel κορεστεί, η καταγεγραμμένη έντασή του δεν αντικατοπτρίζει πλέον το πραγματικό επίπεδο σήματος, οδηγώντας σε σφάλματα μέτρησης και απώλεια ποσοτικών πληροφοριών.
Ως αποτέλεσμα,πλήρης χωρητικότητα πηγαδιού (FWC)Παίζει κρίσιμο ρόλο σε εφαρμογές που απαιτούν μεγάλο δυναμικό εύρος, όπου ισχυρά και ασθενή σήματα πρέπει να καταγράφονται ταυτόχρονα στην ίδια εικόνα.
Τι είναι η Πλήρης Χωρητικότητα Γεωτρήσεων (FWC);
Η πλήρης χωρητικότητα του φρέατος (FWC) ενός εικονοστοιχείου αναφέρεται στομέγιστος αριθμός φωτοηλεκτρονίωνπου μπορούν να μετρηθούν. Στις περισσότερες περιπτώσεις, αυτό το όριο ορίζεται από τον φυσικό σχεδιασμό του εικονοστοιχείου: τα ανιχνευόμενα φωτοηλεκτρόνια αποθηκεύονται σε ένα πεπερασμένο δυναμικό πηγάδι κατά την έκθεση, το οποίο μπορεί να συγκρατήσει μόνο ένα περιορισμένο φορτίο.
Σχήμα 1. απεικονίζει τη σχέση μεταξύ πλήρους χωρητικότητας γεώτρησης και δυναμικού εύρους
(ΕΝΑ)Η χαμηλή πλήρης χωρητικότητα του φρεατίου προκαλεί απώλεια πληροφοριών φωτεινού σήματος από την εικόνα.
(ΣΙ)Η υψηλή πλήρης χωρητικότητα του φρέατος διατηρεί τις πληροφορίες σήματος σε όλο το εύρος έντασης.
Όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 1, η υψηλότερη πλήρης χωρητικότητα φρέατος (FWC) επεκτείνει το χρησιμοποιήσιμο εύρος σήματος και το αποτελεσματικό δυναμικό εύρος.
Σε υψηλά επίπεδα σήματος, καθώς το πηγάδι των εικονοστοιχείων γεμίζει, το συσσωρευμένο φορτίο μειώνει το ηλεκτρικό πεδίο μέσα στο πηγάδι δυναμικού. Αυτό περιορίζει την ικανότητα του εικονοστοιχείου να συλλέγει επιπλέον φωτοηλεκτρόνια και εισάγει μη γραμμικότητα στην απόκριση του αισθητήρα σε υψηλά επίπεδα σήματος, η οποία συχνά συνοδεύεται από μείωση της αποτελεσματικής κβαντικής απόδοσης.
Ο όροςγραμμική πλήρης δυναμικότητα γεώτρησης (γραμμικό FWC)χρησιμοποιείται για να περιγράψει το υψηλότερο επίπεδο σήματος στο οποίο δεν εμφανίζεται καμία παρατηρήσιμη μη γραμμικότητα. Αυτή η τιμή αντιπροσωπεύει το μέγιστο σήμα που μπορεί να μετρηθεί διατηρώντας παράλληλα μια γραμμική απόκριση στο φως και είναι η προδιαγραφή που αναφέρεται πιο συχνά σε επιστημονικά δελτία δεδομένων καμερών.
Στην πράξη, ο όρος FWC χρησιμοποιείται επίσης για να αναφερθεί στην ικανότητα κορεσμού ή στο σήμα κορεσμού,το οποίο περιορίζεται από το βάθος bit και την ανάλυση ADC, που ορίζεται από το μέγιστο δυνατό επίπεδο του γκρι που καθορίζεται από το βάθος bit της κάμερας.
Ενώ αυτές οι τιμές μπορεί να συμπίπτουν σε ορισμένα συστήματα,επιστημονικές κάμερεςσυχνά παρέχουν πολλαπλές λειτουργίες ανάγνωσης με διαφορετικά δυναμικά εύρη ADC. Σε τέτοιες περιπτώσεις, οι λειτουργίες χαμηλότερου βάθους bit ενδέχεται να έχουν πρόσβαση μόνο σε ένα μέρος του διαθέσιμου φυσικού FWC.
Πώς λειτουργεί το FWC σε επίπεδο pixel;
Κατά την έκθεση της εικόνας, τα προσπίπτοντα φωτόνια παράγουν ηλεκτρόνια εντός του αισθητήρα πυριτίου. Αυτά τα ηλεκτρόνια συλλέγονται και αποθηκεύονται στο πηγάδι των εικονοστοιχείων μέχρι να πραγματοποιηθεί η διαδικασία ανάγνωσης.
Κάθε εικονοστοιχείο έχει έναν μέγιστο αριθμό ηλεκτρονίων που μπορεί να συγκρατήσει. Ο κορεσμός μπορεί να συμβεί είτε όταν ξεπεραστεί η φυσική χωρητικότητα αποθήκευσης του εικονοστοιχείου είτε όταν η ψηφιακή τιμή της κλίμακας του γκρι φτάσει στο μέγιστο όριο. Μόλις επιτευχθεί ο κορεσμός, οι πρόσθετες πληροφορίες σήματος χάνονται και δεν μπορούν πλέον να ποσοτικοποιηθούν με ακρίβεια.
Πλήρης χωρητικότητα φρέατος σε σκηνές μικτού σήματος
Ιδανικά, ο χρόνος έκθεσης και τα επίπεδα φωτισμού έχουν ρυθμιστεί έτσι ώστε να αποφεύγεται εντελώς ο κορεσμός των pixel. Ωστόσο, αυτό γίνεται δύσκολο σε σκηνές όπου συνυπάρχουν φωτεινά και αμυδρά σήματα στο ίδιο οπτικό πεδίο.
Η μείωση του χρόνου έκθεσης ή του φωτισμού για την αποφυγή κορεσμού των φωτεινών περιοχών συχνά προκαλεί την πτώση των αμυδρών σημάτων κοντά στο επίπεδο θορύβου, καθιστώντας δύσκολη την ουσιαστική ανίχνευση ή την ποσοτική μέτρηση. Σε τέτοιες περιπτώσεις, ο θόρυβος μπορεί να κυριαρχήσει στις περιοχές ασθενούς σήματος.
Ένα υψηλότερο FWC αυξάνει το χρησιμοποιήσιμο εύρος έκθεσης και φωτισμού, επιτρέποντας την πιο αξιόπιστη ανίχνευση αμυδρών σημάτων χωρίς να κορεσθούν τα φωτεινότερα χαρακτηριστικά. Αυτό βελτιώνει άμεσα την αξιοπιστία των μετρήσεων σε σενάρια απεικόνισης υψηλού δυναμικού εύρους.
(Για μια πιο λεπτομερή συζήτηση σχετικά με αυτήν τη σχέση, ανατρέξτε στην ενότητα Γλωσσάρι Δυναμικού Εύρους.)
Όταν η πλήρης χωρητικότητα του πηγαδιού έχει λιγότερη σημασία;
Σε εφαρμογές που λειτουργούν αποκλειστικά σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού ή όπου το δυναμικό εύρος δεν αποτελεί πρωταρχικό μέλημα, το FWC παίζει λιγότερο κρίσιμο ρόλο στην επιλογή της κάμερας και στη βελτιστοποίηση των παραμέτρων. Σε αυτές τις περιπτώσεις, άλλοι παράγοντες όπως ο θόρυβος ανάγνωσης ή η ευαισθησία μπορεί να κυριαρχούν στις παραμέτρους απόδοσης.
Αντισταθμίσεις μεταξύ πλήρους χωρητικότητας γεώτρησης και ρυθμού καρέ
Ορισμένες επιστημονικές κάμερες παρέχουν πολλαπλές λειτουργίες ανάγνωσης, προσφέροντας διαφορετικούς συνδυασμούς ρυθμού καρέ, απόδοσης θορύβου και προσβάσιμης πλήρους χωρητικότητας (FWC). Σε πολλές περιπτώσεις, υψηλότεροι ρυθμοί καρέ μπορούν να επιτευχθούν μειώνοντας την αποτελεσματική FWC.
Αυτή η ανταλλαγή μπορεί να είναι πλεονεκτική σε σενάρια απεικόνισης υψηλής ταχύτητας και απεικόνισης χαμηλού φωτισμού όπου ο κίνδυνος κορεσμού είναι ελάχιστος. Ωστόσο, απαιτεί προσεκτική εξέταση των επιπέδων σήματος και των περιθωρίων έκθεσης για να διασφαλιστεί η διατήρηση της ποιότητας των δεδομένων.
Πόση πλήρης χωρητικότητα πηγαδιού χρειάζεστε;
Στην απεικόνιση, η υψηλότερη ποιότητα εικόνας μπορεί συχνά να είναι ωφέλιμη και μπορεί να βελτιωθεί τόσο με την αύξηση του λόγου σήματος προς θόρυβο όσο και με το δυναμικό εύρος. Τόσο το μέγιστο δυνατό SNR όσο και το δυναμικό εύρος που μπορεί να προσφέρει μια κάμερα περιορίζονται από το FWC.
Ωστόσο, στην πράξη, μόνο ορισμένες εφαρμογές απεικόνισης θα φτάσουν στο FWC των καμερών ή των λειτουργιών κάμεράς τους. Οι τυπικές επιστημονικές κάμερες μπορούν να έχουν πλήρεις χωρητικότητες φρεατίων τουλάχιστον πάνω από 10.000 e-, συχνά περίπου 30-80.000 e-. Αν και ορισμένες εφαρμογές απαιτούν πολύ υψηλό FWC, σε πολλές εφαρμογές που απαιτούνκάμερες υψηλής ευαισθησίας, τα σήματα θα είναι πολλές φορές (ή ακόμα και τάξεις μεγέθους) χαμηλότερες από αυτές τις μέγιστες τιμές.
Παράδειγμα: Τυπικά μέγιστα σήματα σε διαφορετικές εφαρμογές απεικόνισης
Διαφορετικές τεχνικές απεικόνισης συχνά έχουν πολύ διαφορετικά τυπικά μέγιστα επίπεδα σήματος. Ένα δεδομένο FWC επιτυγχάνεται συχνά σε συνδυασμό με άλλες προδιαγραφές κάμερας, επομένως η προσαρμογή της κάμερας ή της επιλογής λειτουργίας κάμερας στο αναμενόμενο σήμα είναι συνετή. Παρακάτω παρατίθενται ορισμένα παραδείγματα μέγιστων σημάτων που παρατηρούνται συνήθως σε διαφορετικές εφαρμογές απεικόνισης.
●Απεικόνιση ενός μορίου: 5-500e-
●Απεικόνιση ζωντανών κυττάρων: 50-1000e-
● Ομοεστιακός περιστρεφόμενος δίσκος: 20-1000e-
●Απεικόνιση ασβεστίου: 100-5.000 e-
● Σταθερή απεικόνιση τεκμηρίωσης φθορισμού δειγμάτων: 2.000-20.000e-
● Απεικόνιση φωτεινού πεδίου/διερχόμενου φωτός: 1.000-100.000e-
● Απεικόνιση υψηλής έντασης φωτισμού περιβάλλοντος: 1.000-100.000+ e-
Σύναψη
Το FWC θεωρείται συχνά ως προδιαγραφή αισθητήρα, αλλά η σημασία του επεκτείνεται στην απόδοση απεικόνισης σε επίπεδο συστήματος. Πέρα από τον ορισμό του μέγιστου μετρήσιμου σήματος σε επίπεδο pixel, το FWC καθορίζει πόση ευελιξία έκθεσης και φωτισμού μπορεί να ανεχθεί μια ροή εργασίας απεικόνισης πριν από την εμφάνιση κορεσμού ή μη γραμμικότητας.
Συχνές ερωτήσεις
Γιατί οι εικόνες κορεσμόνονται πιο εύκολα σε υψηλές ταχύτητες λήψης;
Σε υψηλές ταχύτητες λήψης, ο χρόνος έκθεσης και τα περιθώρια φωτισμού περιορίζονται περισσότερο. Εάν η FWC είναι ανεπαρκής, οι φωτεινές περιοχές φτάνουν γρήγορα στον κορεσμό, επιβάλλοντας μικρότερες εκθέσεις που μειώνουν το συνολικό δυναμικό εύρος.
Γιατί η αύξηση του ρυθμού καρέ μειώνει το χρησιμοποιήσιμο δυναμικό εύρος;
Οι υψηλότεροι ρυθμοί καρέ συχνά απαιτούν μικρότερους χρόνους έκθεσης ή διαφορετικές λειτουργίες ανάγνωσης που περιορίζουν την προσβάσιμη FWC. Αυτό περιορίζει το χρησιμοποιήσιμο εύρος σήματος και αυξάνει τον κίνδυνο μετρήσεων κορεσμού ή θορύβου.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. Κατά την αναφορά, παρακαλούμε να αναφέρετε την πηγή:www.tucsen.com
