2012.08.25.Bár a színes kamerák uralják a fogyasztói kamerapiacot, a monokróm kamerák gyakoribbak a tudományos képalkotásban.
A kameraérzékelők nem képesek eredendően érzékelni az általuk gyűjtött fény színét, vagyis hullámhosszát. A színes képalkotáshoz számos kompromisszumra van szükség az érzékenység és a térbeli mintavételezés terén. Számos képalkotó alkalmazásban, például a patológiában, a szövettanban vagy egyes ipari vizsgálatokban azonban a színinformációk elengedhetetlenek, így a színes tudományos kamerák továbbra is elterjedtek.
Ez a cikk azt vizsgálja, hogy mik a színes tudományos kamerák, hogyan működnek, erősségeik és korlátaik, valamint hogy hol múlják felül monokróm társaikat a tudományos alkalmazásokban.
Mik azok a színes tudományos kamerák?
A színes tudományos kamera egy speciális képalkotó eszköz, amely nagy hűséggel, pontossággal és konzisztenciával rögzíti az RGB színinformációkat. A vizuális megjelenést előtérbe helyező, fogyasztói szintű színes kamerákkal ellentétben a tudományos színes kamerákat kvantitatív képalkotásra tervezték, ahol a színpontosság, az érzékelő linearitása és a dinamikatartomány kulcsfontosságú.
Ezeket a kamerákat széles körben használják olyan területeken, mint a világoslátóterű mikroszkópia, a szövettan, az anyagelemzés és a gépi látás feladatai, ahol a vizuális értelmezés vagy a színalapú osztályozás elengedhetetlen. A legtöbb színes tudományos kamera CMOS vagy sCMOS érzékelőkön alapul, amelyeket a tudományos és ipari kutatás szigorú követelményeinek kielégítésére terveztek.
A különböző képalkotó rendszerek részletes megismeréséhez tekintse meg nagy teljesítményű választékunkat.tudományos kameraprofesszionális alkalmazásokhoz tervezett modellek.
Szín elérése: A Bayer-szűrő
A kamerákban a színérzékelés hagyományosan ugyanazzal az eljárással történik, mint a monitorokon és képernyőkön a színvisszaadás: a közeli vörös, zöld és kék pixelek teljes színű „szuperpixelekké” történő kombinálásával. Amikor az R, G és B csatornák mind a maximális értéken vannak, egy fehér pixel látható.
Mivel a szilícium kamerák nem tudják érzékelni a bejövő fotonok hullámhosszát, az egyes R, G vagy B hullámhosszú csatornák elválasztását szűréssel kell elérni.
Vörös pixelek esetén egy egyedi szűrőt helyeznek a pixel fölé, hogy blokkolják az összes hullámhosszt, kivéve a spektrum vörös részén lévőket, valamint a kék és zöld színeket. Ahhoz azonban, hogy a három színcsatorna ellenére két dimenziós négyzetes mozaikolást érjenek el, egy szuperpixelt egy piros, egy kék és két zöld pixelből alakítanak ki, ahogy az ábrán is látható.
Bayer szűrő elrendezés színes kamerákhoz
JEGYZET: Színes kamerák egyes képpontjaihoz hozzáadott színszűrők elrendezése a Bayer-szűrőelrendezés használatával, ismétlődő négyzet alakú, 4 képpontos egységek használatával, zöld, piros, kék, zöld képpontokból. A sorrend a 4 képpontos egységen belül eltérő lehet.
A zöld pixelek prioritást élveznek, mivel a fényforrások többsége (a naptól a fehér LED-ekig) a spektrum zöld részén mutatja a csúcsintenzitásukat, és mivel a fényérzékelők (a szilícium alapú kameraérzékelőktől a szemünkig) jellemzően a zöld tartományban a legérzékenyebbek.
A képelemzés és -megjelenítés során azonban a képek általában nem úgy jelennek meg a felhasználónak, hogy minden pixel csak az R, G vagy B értékét jeleníti meg. A kamera minden pixeléhez egy 3 csatornás RGB-értéket hoz létre a közeli pixelek értékeinek interpolálásával, egy „debayering” nevű folyamatban.
Például minden piros pixel zöld értéket generál, akár a négy közeli zöld pixel átlagából, akár valamilyen más algoritmus segítségével, és hasonlóképpen a négy közeli kék pixel esetében is.
A szín előnyei és hátrányai
Előnyök
● Színben is látható! A szín értékes információkat közvetít, amelyek javítják az emberi értelmezést, különösen biológiai vagy anyagminták elemzésekor.
● Sokkal egyszerűbb RGB színes képeket rögzíteni, mint egymás után R, G és B képeket készíteni monokróm kamerával
Hátrányok
● A színes kamerák érzékenysége a hullámhossztól függően drasztikusan csökken a monokróm társaikhoz képest. A spektrum vörös és kék részén, mivel a pixelszűrők mindössze egynegyede engedi át ezeket a hullámhosszakat, a fénygyűjtés legfeljebb 25%-a egy hasonló monokróm kameráénak ezeken a hullámhosszakon. Zöld színben ez a tényező 50%. Ezenkívül egyetlen szűrő sem tökéletes: a csúcsáteresztés kevesebb lesz, mint 100%, és a pontos hullámhossztól függően sokkal alacsonyabb is lehet.
● A finom részletek felbontása is romlik, mivel a mintavételi gyakoriság ugyanezen tényezők miatt csökken (25%-ra piros és kék, valamint 50%-ra zöld színek esetén). Vörös pixelek esetén, mivel csak minden negyedik pixel rögzít vörös fényt, a felbontás kiszámításához szükséges effektív pixelméret minden dimenzióban kétszer nagyobb.
● A színes kamerák mindig tartalmaznak infravörös (IR) szűrőt is. Ez annak köszönhető, hogy a szilícium kamerák képesek érzékelni bizonyos, az emberi szem számára láthatatlan infravörös hullámhosszakat, 700 nm-től körülbelül 1100 nm-ig. Ha ezt az infravörös fényt nem szűrnék ki, az befolyásolná a fehéregyensúlyt, ami pontatlan színvisszaadást eredményezne, és a létrehozott kép nem egyezne meg a szemmel láthatóval. Ezért ezt az infravörös fényt ki kell szűrni, ami azt jelenti, hogy a színes kamerák nem használhatók képalkotási alkalmazásokhoz, amelyek ezeket a hullámhosszakat használják.
Hogyan működnek a színes kamerák?
Példa egy tipikus színes kamera kvantumhatékonysági görbéjére
JEGYZETA kvantumhatásfok hullámhosszfüggése külön látható piros, kék és zöld szűrővel ellátott pixelek esetén. Ugyanennek az érzékelőnek a kvantumhatásfoka színszűrők nélkül is látható. A színszűrők hozzáadása jelentősen csökkenti a kvantumhatásfokot.
A tudományos színes kamera lelke a képérzékelője, amely jellemzően egyCMOS kamera or sCMOS kamera(tudományos CMOS), Bayer-szűrővel felszerelve. A fotonbefogástól a képkimenetig tartó munkafolyamat több kulcsfontosságú lépésből áll:
1. Fotondetektálás: A fény belép a lencsébe és eléri az érzékelőt. Minden pixel egy adott hullámhosszra érzékeny, a rajta lévő színszűrő alapján.
2. Töltésátalakítás: A fotonok elektromos töltést generálnak az egyes pixelek alatti fotodiódában.
3. Kiolvasás és erősítés: A töltéseket feszültségekké alakítják, soronként kiolvassák, majd analóg-digitális átalakítók digitalizálják.
4. Színrekonstrukció: A kamera beépített processzora vagy külső szoftvere a szűrt adatokból demosaicing algoritmusok segítségével interpolálja a teljes színű képet.
5. Képkorrekció: Az utófeldolgozási lépések, mint például a síkmező-korrekció, a fehéregyensúly és a zajcsökkentés, pontos és megbízható kimenetet biztosítanak.
Egy színes kamera teljesítménye nagymértékben függ az érzékelő technológiájától. A modern CMOS kameraérzékelők gyors képkockasebességet és alacsony zajszintet kínálnak, míg az sCMOS érzékelők alacsony fényérzékenységre és széles dinamikatartományra vannak optimalizálva, ami elengedhetetlen a tudományos munkához. Ezek az alapok megalapozzák a színes és a monokróm kamerák összehasonlítását.
Színes kamerák vs. monokróm kamerák: Főbb különbségek
Színes és monokróm kameraképek összehasonlítása gyenge fényviszonyok mellett végzett munkák esetén
JEGYZETFluoreszkáló kép vörös hullámhosszú emisszióval, amelyet egy színes kamera (balra) és egy monokróm kamera (jobbra) detektált, a kamera egyéb specifikációi változatlanok maradtak. A színes kép lényegesen alacsonyabb jel-zaj arányt és felbontást mutat.
Bár a színes és a monokróm kamerák számos közös komponenssel rendelkeznek, teljesítményükben és felhasználási eseteikben jelentős különbségek vannak. Íme egy gyors összehasonlítás:
| Jellemző | Színes kamera | Monokróm kamera |
| Érzékelő típusa | Bayer-szűrésű CMOS/sCMOS | Szűretlen CMOS/sCMOS |
| Fényérzékenység | Alacsonyabb (a színszűrők fényblokkolása miatt) | Magasabb (nincs fényveszteség a szűrőkön) |
| Térbeli felbontás | Alacsonyabb effektív felbontás (mozaikolás eltávolítása) | Teljes natív felbontás |
| Ideális alkalmazások | Világoslátóterű mikroszkópia, szövettan, anyagvizsgálat | Fluoreszcencia, gyenge fényviszonyok melletti képalkotás, nagy pontosságú mérések |
| Színadatok | Teljes RGB információt rögzít | Csak szürkeárnyalatos képeket rögzít |
Röviden, a színes kamerák akkor a legjobbak, ha a szín fontos az értelmezés vagy az elemzés szempontjából, míg a monokróm kamerák ideálisak az érzékenység és a pontosság szempontjából.
Ahol a színes kamerák kiválóak a tudományos alkalmazásokban
Korlátaik ellenére a színes kamerák számos olyan speciális területen jobban teljesítenek, ahol a színmegkülönböztetés kulcsfontosságú. Az alábbiakban néhány példa látható arra, hogy miben jeleskednek:
Élettudományok és mikroszkópia
A színes kamerákat gyakran használják a világos látóterű mikroszkópiában, különösen a szövettani elemzésben. Az olyan festési technikák, mint a H&E vagy a Gram-festés, színalapú kontrasztot hoznak létre, amely csak RGB képalkotással értelmezhető. Az oktatási laboratóriumok és a patológiai osztályok szintén színes kamerákat használnak a biológiai minták valósághű képeinek rögzítésére oktatási vagy diagnosztikai célokra.
Anyagtudomány és felületelemzés
Az anyagkutatásban a színes képalkotás értékes a korrózió, az oxidáció, a bevonatok és az anyaghatárok azonosításában. A színes kamerák segítenek a felületkezelés finom eltéréseinek vagy olyan hibáknak a kimutatásában, amelyeket a monokróm képalkotás esetleg nem vesz észre. Például a kompozit anyagok vagy nyomtatott áramköri lapok értékelése gyakran pontos színábrázolást igényel.
Gépi látás és automatizálás
Az automatizált ellenőrző rendszerekben színes kamerákat használnak tárgyak válogatására, hibák észlelésére és címkézési ellenőrzésére. Lehetővé teszik a gépi látás algoritmusai számára, hogy alkatrészeket vagy termékeket osztályozzanak a színjelek alapján, növelve az automatizálás pontosságát a gyártásban.
Oktatás, dokumentáció és ismeretterjesztés
A tudományos intézmények gyakran igényelnek kiváló minőségű színes képeket publikációkhoz, pályázatokhoz és ismeretterjesztő tevékenységekhez. A színes kép intuitívabb és vizuálisan lebilincselőbb ábrázolást biztosít a tudományos adatokról, különösen az interdiszciplináris kommunikáció vagy a nyilvános szerepvállalás során.
Záró gondolatok
A színes tudományos kamerák alapvető szerepet játszanak a modern képalkotási munkafolyamatokban, ahol fontos a színmegkülönböztetés. Bár érzékenységükben vagy nyers felbontásukban nem feltétlenül érik el a monokróm kamerákét, a természetes, értelmezhető képek előállítására való képességük nélkülözhetetlenné teszi őket az élettudományoktól az ipari ellenőrzésekig terjedő területeken.
Színes és monokróm felvételek közötti választáskor vegye figyelembe képalkotási céljait. Ha az alkalmazás gyenge fényviszonyok melletti teljesítményt, nagy érzékenységet vagy fluoreszcencia-detektálást igényel, akkor egy monokróm tudományos kamera lehet a legjobb választás. De világos látóterű képalkotáshoz, anyagelemzéshez vagy bármilyen, színkódolt információkat tartalmazó feladathoz a színes megoldás lehet ideális.
A tudományos kutatáshoz használt fejlett színes képalkotó rendszerek felfedezéséhez tekintse meg nagy teljesítményű CMOS kameráink és sCMOS modelljeink teljes kínálatát, amelyeket az Ön igényeire szabtunk.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Minden jog fenntartva. Hivatkozáskor kérjük, tüntesse fel a forrást:www.tucsen.com
