25.8.2012Vaikka värikamerat hallitsevat kuluttajakameramarkkinoita, mustavalkokamerat ovat yleisempiä tieteellisessä kuvantamisessa.
Kamerasensorit eivät luonnostaan pysty havaitsemaan keräämänsä valon väriä tai aallonpituutta. Värikuvan saavuttaminen vaatii useita kompromisseja herkkyyden ja spatiaalisen näytteenoton suhteen. Monissa kuvantamissovelluksissa, kuten patologiassa, histologiassa tai joissakin teollisissa tarkastuksissa, väritieto on kuitenkin olennaista, joten väritieteelliset kamerat ovat edelleen yleisiä.
Tässä artikkelissa tarkastellaan, mitä värilliset tieteelliset kamerat ovat, miten ne toimivat, niiden vahvuuksia ja rajoituksia sekä missä ne ovat tieteellisissä sovelluksissa parempia kuin yksiväriset vastineensa.
Mitä ovat värilliset tieteelliset kamerat?
Tieteellinen värikamera on erikoistunut kuvantamislaite, joka tallentaa RGB-väri-informaation erittäin tarkasti, tarkasti ja yhdenmukaisesti. Toisin kuin kuluttajakäyttöön tarkoitetut värikamerat, jotka asettavat etusijalle visuaalisen ilmeen, tieteelliset värikamerat on suunniteltu kvantitatiiviseen kuvantamiseen, jossa värien tarkkuus, kennon lineaarisuus ja dynaaminen alue ovat ratkaisevan tärkeitä.
Näitä kameroita käytetään laajalti sovelluksissa, kuten kirkaskenttämikroskopiassa, histologiassa, materiaalianalyysissä ja konenäön tehtävissä, joissa visuaalinen tulkinta tai väriin perustuva luokittelu on olennaista. Useimmat tieteelliset värikamerat perustuvat CMOS- tai sCMOS-kennoihin, jotka on suunniteltu vastaamaan tieteellisen ja teollisen tutkimuksen tiukkoihin vaatimuksiin.
Saadaksesi perusteellisen katsauksen erilaisiin kuvantamisjärjestelmiin, tutustu valikoimaamme tehokkaitatieteellinen kameraammattikäyttöön suunniteltuja malleja.
Värin saavuttaminen: Bayer-suodatin
Perinteisesti kameroiden värien tunnistus saavutetaan samalla tavalla kuin värien toisto näytöillä ja näyttöpäätteillä: yhdistämällä lähellä olevat punaiset, vihreät ja siniset pikselit täysvärisiksi "superpikseleiksi". Kun R-, G- ja B-kanavat ovat kaikki maksimiarvoissaan, nähdään valkoinen pikseli.
Koska piikamerat eivät pysty havaitsemaan tulevien fotonien aallonpituutta, kunkin R-, G- tai B-aallonpituuskanavan erottelu on saavutettava suodattamalla.
Punaisissa pikseleissä pikselin päälle asetetaan yksittäinen suodatin, joka estää kaikki muut paitsi spektrin punaisen osan aallonpituudet, samoin kuin sinisen ja vihreän osalta. Jotta saavutettaisiin neliömäinen laatoitus kahdessa ulottuvuudessa, vaikka värikanavia on kolme, superpikseli muodostetaan yhdestä punaisesta, yhdestä sinisestä ja kahdesta vihreästä pikselistä, kuten kuvassa näkyy.
Bayer-suodattimen asettelu värikameroille
HUOMAUTUSBayer-suodatinasettelua käyttävien värikameroiden yksittäisiin pikseleihin lisättyjen värisuodattimien asettelu, jossa käytetään toistuvia neliömäisiä 4 pikselin yksiköitä, jotka koostuvat vihreistä, punaisista, sinisistä ja vihreistä pikseleistä. Järjestys 4 pikselin yksikön sisällä voi vaihdella.
Vihreitä pikseleitä priorisoidaan sekä siksi, että suurin osa valonlähteistä (auringosta valkoisiin LEDeihin) osoittaa huipputehonsa spektrin vihreässä osassa, että koska valonilmaisimet (piipohjaisista kamerasensoreista silmiimme) ovat tyypillisesti herkimpiä vihreässä.
Kuvan analysoinnissa ja näyttämisessä kuvia ei kuitenkaan yleensä toimiteta käyttäjälle siten, että jokainen pikseli näyttää vain R-, G- tai B-arvonsa. Jokaiselle kameran pikselille luodaan kolmikanavainen RGB-arvo interpoloimalla lähellä olevien pikseleiden arvot prosessissa, jota kutsutaan nimellä "debayering".
Esimerkiksi jokainen punainen pikseli tuottaa vihreän arvon joko neljän lähellä olevan vihreän pikselin keskiarvosta tai jonkin muun algoritmin avulla, ja samoin neljälle lähellä olevalle siniselle pikselille.
Värien plussat ja miinukset
Hyvät puolet
● Voit nähdä sen väreissä! Väri välittää arvokasta tietoa, joka parantaa ihmisen tulkintaa, erityisesti biologisia tai materiaalinäytteitä analysoitaessa.
● RGB-värikuvien ottaminen on paljon yksinkertaisempaa kuin peräkkäisten R-, G- ja B-kuvien ottaminen yksivärikameralla
Haittoja
● Värikameroiden herkkyys on huomattavasti heikompi kuin niiden yksiväristen vastineiden aallonpituudesta riippuen. Spektrin punaisella ja sinisellä alueella valonkeräys on korkeintaan 25 % vastaavan yksivärisen kameran valonkeräyskyvystä näillä aallonpituuksilla, koska vain joka neljäs pikselisuodatin läpäisee nämä aallonpituudet. Vihreällä alueella kerroin on 50 %. Lisäksi mikään suodatin ei ole täydellinen: huippuläpäisy on alle 100 % ja voi olla paljon pienempi tarkasta aallonpituudesta riippuen.
● Myös hienojen yksityiskohtien resoluutio heikkenee, koska näytteenottotaajuudet pienenevät samojen tekijöiden vuoksi (25 %:iin punaiselle ja siniselle ja 50 %:iin vihreälle). Punaisten pikselien tapauksessa, koska vain joka neljäs pikseli tallentaa punaista valoa, resoluution laskennassa käytettävä efektiivinen pikselikoko on kaksi kertaa suurempi jokaisessa ulottuvuudessa.
● Värikameroissa on myös poikkeuksetta infrapunasuodatin (IR). Tämä johtuu piikameroiden kyvystä havaita joitakin ihmissilmälle näkymättömiä infrapuna-aallonpituuksia 700 nm:stä noin 1100 nm:iin. Jos tätä infrapunavaloa ei suodateta pois, se vaikuttaisi valkotasapainoon, mikä johtaisi epätarkkaan värien toistoon, eikä tuotettu kuva vastaisi silmällä nähtävää. Siksi tämä infrapunavalo on suodatettava pois, mikä tarkoittaa, että värikameroita ei voida käyttää kuvantamissovelluksissa, jotka käyttävät näitä aallonpituuksia.
Miten värikamerat toimivat?
Esimerkki tyypillisestä värikameran kvanttitehokkuuskäyrästä
HUOMAUTUSKvanttitehokkuuden aallonpituusriippuvuus esitettynä erikseen pikseleille, joissa on punainen, sininen ja vihreä suodatin. Näytetään myös saman anturin kvanttitehokkuus ilman värisuodattimia. Värisuodattimien lisääminen heikentää kvanttitehokkuutta merkittävästi.
Tieteellisen värikameran ydin on sen kuvakenno, tyypillisestiCMOS-kamera or sCMOS-kamera(tieteellinen CMOS), varustettuna Bayer-suodattimella. Fotonien kaappauksesta kuvan tuottamiseen kuluu useita keskeisiä vaiheita:
1. Fotonien havaitseminen: Valo tulee linssiin ja osuu kennoon. Jokainen pikseli on herkkä tietylle aallonpituudelle sen värisuodattimen perusteella.
2. Varauksen muuntaminen: Fotonit tuottavat sähkövarauksen jokaisen pikselin alla olevaan fotodiodiin.
3. Lukema ja vahvistus: Varaukset muunnetaan jännitteiksi, luetaan rivi riviltä ja digitalisoidaan analogia-digitaalimuuntimilla.
4. Värien rekonstruointi: Kameran oma prosessori tai ulkoinen ohjelmisto interpoloi suodatetusta datasta täysvärikuvan demosaicing-algoritmien avulla.
5. Kuvankorjaus: Jälkikäsittelyvaiheita, kuten tasaisen kentän korjausta, valkotasapainon korjausta ja kohinanvaimennusta, käytetään tarkan ja luotettavan tulosteen varmistamiseksi.
Värikameran suorituskyky riippuu suuresti sen anturitekniikasta. Nykyaikaiset CMOS-kamerakennot tarjoavat nopean kuvataajuuden ja vähän kohinaa, kun taas sCMOS-kennot on optimoitu hämäräkuvaukseen ja laajaan dynaamiseen alueeseen, mikä on ratkaisevan tärkeää tieteellisessä työssä. Nämä perusasiat luovat pohjan väri- ja mustavalkokameroiden vertailulle.
Värikamerat vs. mustavalkokamerat: Keskeiset erot
Väri- ja yksivärikuvien vertailu hämärässä työskentelyssä
HUOMAUTUSPunaisen aallonpituuden säteilyä kuvaava fluoresoiva kuva, jonka on havainnut värikamera (vasen) ja yksivärikamera (oikea), muiden kameran ominaisuuksien pysyessä samoina. Värikuvassa on huomattavasti alhaisempi signaali-kohinasuhde ja resoluutio.
Vaikka sekä väri- että mustavalkokameroissa on monia yhteisiä komponentteja, niiden suorituskyky ja käyttötarkoitukset eroavat merkittävästi. Tässä on lyhyt vertailu:
| Ominaisuus | Värikamera | Yksivärinen kamera |
| Anturin tyyppi | Bayer-suodatettu CMOS/sCMOS | Suodattamaton CMOS/sCMOS |
| Valoherkkyys | Alempi (koska värisuodattimet estävät valoa) | Korkeampi (ei valon menetystä suodattimille) |
| Spatiaalinen resoluutio | Alempi tehokas resoluutio (mosaiikin poisto) | Täysi natiiviresoluutio |
| Ihanteelliset sovellukset | Kirkaskenttämikroskopia, histologia, materiaalien tarkastus | Fluoresenssi, hämäräkuvaus, tarkat mittaukset |
| Väritiedot | Tallentaa kaikki RGB-tiedot | Tallentaa vain harmaasävyjä |
Lyhyesti sanottuna värikamerat sopivat parhaiten silloin, kun värillä on merkitystä tulkinnan tai analyysin kannalta, kun taas mustavalkokamerat ovat ihanteellisia herkkyyden ja tarkkuuden kannalta.
Missä värikamerat erinomaisia tieteellisissä sovelluksissa
Rajoituksistaan huolimatta värikamerat ovat parempia monilla erikoisaloilla, joilla värien erottelukyky on avainasemassa. Alla on muutamia esimerkkejä siitä, missä ne loistavat:
Biotieteet ja mikroskopia
Värikameroita käytetään yleisesti kirkaskenttämikroskopiassa, erityisesti histologisessa analyysissä. Värjäystekniikat, kuten H&E- tai Gram-värjäys, tuottavat väripohjaista kontrastia, jota voidaan tulkita vain RGB-kuvantamisen avulla. Myös koulutuslaboratoriot ja patologian osastot käyttävät värikameroita biologisten näytteiden realististen kuvien tallentamiseen opetus- tai diagnostiikkakäyttöön.
Materiaalitiede ja pinta-analyysi
Materiaalitutkimuksessa värikuvantaminen on arvokasta korroosion, hapettumisen, pinnoitteiden ja materiaalirajojen tunnistamisessa. Värikamerat auttavat havaitsemaan hienovaraisia pinnoitteen vaihteluita tai vikoja, jotka yksivärikuvauksessa saattavat jäädä huomaamatta. Esimerkiksi komposiittimateriaalien tai painettujen piirilevyjen arviointi vaatii usein tarkkaa värien esitystapaa.
Konenäkö ja automaatio
Automaattisissa tarkastusjärjestelmissä värikameroita käytetään kohteiden lajitteluun, vikojen havaitsemiseen ja merkintöjen varmentamiseen. Niiden avulla konenäköalgoritmit voivat luokitella osia tai tuotteita värivihjeiden perusteella, mikä parantaa automaation tarkkuutta valmistuksessa.
Koulutus, dokumentointi ja tiedotus
Tieteelliset instituutiot tarvitsevat usein korkealaatuisia värikuvia julkaisuihin, apurahahakemuksiin ja tiedotukseen. Värikuva tarjoaa intuitiivisemman ja visuaalisesti kiinnostavamman esityksen tieteellisestä datasta, erityisesti tieteidenvälisessä viestinnässä tai julkisessa keskustelussa.
Loppuajatukset
Värillisillä tieteellisillä kameroilla on keskeinen rooli nykyaikaisissa kuvantamistyönkuluissa, joissa värien erottelu on tärkeää. Vaikka ne eivät välttämättä yllä mustavalkokameroiden tasolle herkkyyden tai raakakuvan resoluution suhteen, niiden kyky tuottaa luonnollisia ja tulkittavia kuvia tekee niistä korvaamattomia eri aloilla biotieteistä teollisiin tarkastuksiin.
Kun valitset väri- ja yksivärikuvien välillä, ota huomioon kuvantamistavoitteesi. Jos sovelluksesi vaatii suorituskykyä hämärässä, suurta herkkyyttä tai fluoresenssin havaitsemista, yksivärikamera voi olla paras vaihtoehto. Mutta kirkaskenttäkuvantamiseen, materiaalianalyysiin tai mihin tahansa värikoodattua tietoa sisältävään tehtävään väriratkaisu voi olla ihanteellinen.
Tutustu tieteellisen tutkimuksen edistyneisiin värikuvantamisjärjestelmiin selaamalla tarpeisiisi räätälöityjen tehokkaiden CMOS-kameroiden ja sCMOS-mallien koko valikoimaamme.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Kaikki oikeudet pidätetään. Mainitse lähde lainatessasi:www.tucsen.com
