13.5.2022Tieteellisessä kuvantamisessa kameran tarkasti tallentaman kirkkaimman signaalin määrää ei ainoastaan valotusaika tai valaistus, vaan se, kuinka paljon signaalia kukin pikseli pystyy tallentamaan ennenpikselisaturaatiotapahtuu.
Pikselin täysi kapasiteetti määrittää tämän ylärajan. Kun pikseli kyllästyy, sen tallennettu intensiteetti ei enää heijasta todellista signaalitasoa, mikä johtaa mittausvirheisiin ja kvantitatiivisen tiedon menetykseen.
Seurauksena,täysi kaivon kapasiteetti (FWC)on kriittisessä roolissa sovelluksissa, jotka vaativat laajan dynaamisen alueen, jossa vahvat ja heikot signaalit on kaapattava samanaikaisesti samaan kuvaan.
Mikä on täysi kaivon kapasiteetti (FWC)?
Kaivon täysi kapasiteetti (FWC) pikselistä viittaafotoelektronien enimmäismääräjoka voidaan mitata. Useimmissa tapauksissa tämä raja määräytyy pikselin fyysisen rakenteen mukaan: havaitut fotoelektronit varastoituvat valotuksen aikana äärelliseen potentiaalikuoppaan, joka voi pitää sisällään vain rajoitetun varauksen.
Kuva 1visualisoi täyden kaivokapasiteetin ja dynaamisen alueen välisen suhteen
(A)Alhainen täyden kaivon kapasiteetti aiheuttaa kuvan menettävän kirkkaita signaalitietoja.
(B)Suuri täyden kaivon kapasiteetti säilyttää signaalitiedon koko intensiteettialueella.
Kuten kuvassa 1 on esitetty, suurempi täyden kaivon kapasiteetti (FWC) laajentaa käytettävissä olevaa signaalialuetta ja tehokasta dynaamista aluetta.
Korkeilla signaalitasoilla pikselikuopan täyttyessä kertynyt varaus pienentää potentiaalikuopan sisällä olevaa sähkökenttää. Tämä rajoittaa pikselin kykyä kerätä lisää fotoelektroneja ja aiheuttaa epälineaarisuutta anturin vasteeseen korkeilla signaalitasoilla, johon usein liittyy efektiivisen kvanttihyötysuhteen lasku.
Termilineaarinen täysi kaivokapasiteetti (lineaarinen FWC)käytetään kuvaamaan korkeinta signaalitasoa, jolla ei esiinny havaittavaa epälineaarisuutta. Tämä arvo edustaa suurinta signaalia, joka voidaan mitata säilyttäen lineaarisen vasteen valolle, ja se on yleisimmin tieteellisten kameroiden datalehdissä ilmoitettu spesifikaatio.
Käytännössä termiä FWC käytetään myös viittaamaan saturaatiokapasiteettiin tai saturaatiosignaaliin,jota rajoittavat bittisyvyys ja ADC-resoluutio, joka määritellään kameran bittisyvyyden määräämällä suurimmalla mahdollisella harmaasävyllä.
Vaikka nämä arvot voivat joissakin järjestelmissä olla samat,tieteelliset kamerattarjoavat usein useita lukutiloja, joilla on erilaiset ADC-dynamiikka-alueet. Tällaisissa tapauksissa pienemmän bittisyvyyden tilat saattavat käyttää vain osaa käytettävissä olevasta fyysisestä FWC:stä.
Miten FWC toimii pikselitasolla?
Kuvan valotuksen aikana tulevat fotonit tuottavat elektroneja piisensorissa. Nämä elektronit kerätään ja varastoidaan pikselikaivoon, kunnes lukuprosessi tapahtuu.
Jokaisella pikselillä on enimmäismäärä elektroneja, jotka se voi säilyttää. Saturaatio voi tapahtua joko silloin, kun pikselin fyysinen tallennuskapasiteetti ylittyy tai kun digitaalinen harmaasävyarvo saavuttaa maksimirajansa. Kun saturaatio saavutetaan, signaalin lisäinformaatiota menetetään, eikä sitä voida enää mitata tarkasti.
Täysi kapasiteetti sekasignaalisissa kohtauksissa
Ihannetapauksessa valotusaika ja valaistustasot konfiguroidaan siten, että pikselien saturaatio vältetään kokonaan. Tämä on kuitenkin haastavaa kohtauksissa, joissa samassa näkökentässä on sekä kirkkaita että himmeitä signaaleja.
Valotusajan tai valaistuksen lyhentäminen kirkkaiden alueiden saturaation estämiseksi johtaa usein siihen, että himmeät signaalit putoavat lähelle kohinatasoa, mikä vaikeuttaa mielekästä havaitsemista tai kvantitatiivista mittaamista. Tällaisissa tapauksissa kohina voi hallita heikkoja signaalialueita.
Suurempi valotuskerroin (FWC) lisää käytettävissä olevaa valotus- ja valaistusaluetta, jolloin himmeät signaalit voidaan havaita luotettavammin ilman kirkkaampien ominaisuuksien kyllästymistä. Tämä parantaa suoraan mittausten luotettavuutta laajan dynaamisen alueen kuvantamistilanteissa.
(Tarkempaa tietoa tästä suhteesta on Dynaamisen alueen sanasto-osiossa.)
Milloin täyden kaivon kapasiteetilla on vähemmän merkitystä?
Sovelluksissa, jotka toimivat yksinomaan hämärässä tai joissa dynaaminen alue ei ole ensisijainen huolenaihe, FWC:llä on vähemmän kriittinen rooli kameran valinnassa ja parametrien optimoinnissa. Näissä tapauksissa muut tekijät, kuten lukukohina tai herkkyys, voivat olla hallitsevia suorituskykyyn liittyvissä näkökohdissa.
Kompromissit täyden kaivokapasiteetin ja kuvataajuuden välillä
Joissakin tieteellisissä kameroissa on useita lukutiloja, jotka tarjoavat erilaisia kuvataajuuden, kohinanvaimennuksen ja käytettävissä olevan täyden kaivon kapasiteetin (FWC) yhdistelmiä. Monissa tapauksissa korkeampia kuvataajuuksia voidaan saavuttaa pienentämällä tehokasta FWC:tä.
Tämä kompromissi voi olla eduksi suurnopeuskuvauksissa ja hämäräkuvaustilanteissa, joissa saturaatioriski on minimaalinen. Se edellyttää kuitenkin signaalitasojen ja valotusmarginaalien huolellista harkintaa datan laadun varmistamiseksi.
Kuinka paljon täyden kaivon kapasiteettia tarvitset?
Kuvantamisessa parempi kuvanlaatu voi usein olla hyödyllistä, ja sitä voidaan parantaa sekä signaali-kohinasuhteen että dynaamisen alueen kasvulla. Sekä kameran tarjoama suurin mahdollinen signaali-kohinasuhde että dynaaminen alue rajoittuvat signaali-kohinasuhteeseen (SNR) ja dynaamiseen alueeseen, jonka signaali-kohinasuhde (FWC) voi rajoittaa.
Käytännössä kuitenkin vain jotkut kuvantamissovellukset saavuttavat kameroidensa tai kameramoodiensa täyden kapasiteettinsa. Tyypillisillä tieteellisillä kameroilla voi olla täyden kapasiteettinsa vähintään yli 10 000 e⁻, usein noin 30 000–80 000 e⁻. Vaikka jotkin sovellukset vaativat erittäin korkeaa täydellistä kapasiteettia, monissa sovelluksissa, jotka vaativatherkät kamerat, signaaleja on monta kertaa (tai edes suuruusluokkia) näitä enimmäisarvoja alhaisemmat.
Esimerkki: Tyypilliset maksimisignaalit eri kuvantamissovelluksissa
Eri kuvantamistekniikoilla on usein hyvin erilaiset tyypilliset maksimisignaalitasot. Tietty FWC saavutetaan usein kompromissilla muiden kameraspesifikaatioiden kanssa, joten kameran tai kameratilan valinta on viisasta sovittaa odotettuun signaaliin. Alla on joitakin esimerkkejä eri kuvantamissovelluksissa tyypillisistä maksimisignaaleista.
●Yksittäisen molekyylin kuvantaminen: 5-500e-
●Elävien solujen kuvantaminen: 50–1000 e-
● Pyörivän levyn konfokaalinen: 20–1000e-
●Kalsiumin kuvantaminen100–5 000 e-
● Kiinteän näytteen fluoresenssidokumentaatiokuvantaminen: 2 000–20 000 e-
● Kirkaskenttä-/läpivalonkuvaus: 1 000–100 000 e-
● Suuritehoinen ympäristön valon kuvaus: 1 000–100 000+ e-
Johtopäätös
FWC:tä pidetään usein anturispesifikaationa, mutta sen merkitys ulottuu järjestelmätason kuvantamisen suorituskykyyn. Pikselitasolla mitattavan maksimisignaalin määrittämisen lisäksi FWC määrittää, kuinka paljon valotus- ja valaistusjoustavuutta kuvantamistyönkulku sietää ennen kuin kyllästymistä tai epälineaarisuutta esiintyy.
Usein kysytyt kysymykset
Miksi kuvat saturoituvat helpommin suurilla kuvausnopeuksilla?
Suurilla kuvausnopeuksilla valotusaika ja valaistusmarginaalit rajoittuvat. Jos täysi valotusaika (FWC) ei ole riittävä, kirkkaat alueet saavuttavat kylläisyyden nopeasti, mikä pakottaa lyhyempiin valotuksiin ja pienentää dynaamista aluetta.
Miksi kuvataajuuden kasvattaminen pienentää käytettävissä olevaa dynamiikka-aluetta?
Suuremmat kuvataajuudet vaativat usein lyhyempiä valotusaikoja tai erilaisia lukutiloja, jotka rajoittavat käytettävissä olevaa kiinteää valotusaluetta (FWC). Tämä kaventaa käytettävissä olevaa signaalialuetta ja lisää saturaatio- tai kohinapainotteisten mittausten riskiä.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Kaikki oikeudet pidätetään. Mainitse lähde lainatessasi:www.tucsen.com
