2022/05/13A tudományos képalkotásban a kamera által pontosan rögzíthető legfényesebb jelet nem kizárólag az expozíciós idő vagy a megvilágítás határozza meg, hanem az is, hogy az egyes pixelek mennyi jelet tudnak felvenni a felvétel előtt.pixel telítettségelőfordul.
Egy pixel teljes kútkapacitása határozza meg ezt a felső határt. Amint egy pixel telítődik, a rögzített intenzitása már nem tükrözi a valódi jelszintet, ami mérési hibákhoz és mennyiségi információk elvesztéséhez vezet.
Ennek eredményekéntteljes kútkapacitás (FWC)kritikus szerepet játszik a nagy dinamikatartományt igénylő alkalmazásokban, ahol az erős és gyenge jeleket egyszerre kell rögzíteni ugyanazon a képen belül.
Mi a teljes kútkapacitás (FWC)?
A kút teljes kapacitása (FWC) egy pixel a következőre utalmaximális fotoelektronszámami mérhető. A legtöbb esetben ezt a határt a pixel fizikai felépítése határozza meg: az exponálás során a detektált fotoelektronok egy véges potenciálgödörben tárolódnak, amely csak korlátozott töltést képes tárolni.
1. ábraA teljes kútkapacitás és a dinamikus tartomány közötti kapcsolatot vizualizálja.
(Egy)Az alacsony teljes kútkapacitás a kép fényes jelinformációinak elvesztését okozza.
(B)A nagy teljes kútkapacitás megőrzi a jelinformációkat a teljes intenzitástartományban.
Amint az 1. ábrán látható, a nagyobb teljes kútkapacitás (FWC) kiterjeszti a használható jeltartományt és a hatékony dinamikatartományt.
Magas jelszinteknél, ahogy a pixelkút megtelik, a felhalmozódott töltés csökkenti az elektromos mezőt a potenciálkúton belül. Ez korlátozza a pixel azon képességét, hogy további fotoelektronokat gyűjtsön, és nemlinearitást okoz az érzékelő válaszában magas jelszinteknél, amit gyakran a tényleges kvantumhatásfok csökkenése kísér.
A kifejezéslineáris teljes kútkapacitás (lineáris FWC)azt a legmagasabb jelszintet írja le, amelyen még nem figyelhető meg nemlinearitás. Ez az érték azt a maximális jelet jelöli, amely a fényre adott lineáris válasz fenntartása mellett mérhető, és ez a tudományos kamerák adatlapjain leggyakrabban feltüntetett specifikáció.
A gyakorlatban az FWC kifejezést a szaturációs kapacitásra vagy szaturációs jelre is használják,amelyet a bitmélység és az ADC felbontása korlátoz, amelyet a kamera bitmélysége határoz meg, és amelyet a lehetséges maximális szürkeárnyalat határoz meg.
Bár ezek az értékek egyes rendszerekben egybeeshetnek,tudományos kamerákgyakran több kiolvasási módot kínálnak eltérő ADC dinamikatartományokkal. Ilyen esetekben az alacsonyabb bitmélységű módok a rendelkezésre álló fizikai FWC-nek csak egy részét érhetik el.
Hogyan működik az FWC pixel szinten?
A képexpozíció során a beeső fotonok elektronokat generálnak a szilícium-érzékelőben. Ezeket az elektronokat a pixelgyűjtő gyűjti össze és tárolja a kiolvasási folyamat megkezdéséig.
Minden pixelhez tartozik egy maximális elektronszám, amelyet tárolni tud. A telítettség akkor következhet be, amikor a pixel fizikai tárolókapacitását túllépik, vagy amikor a digitális szürkeárnyalat értéke eléri a maximális határát. A telítettség elérése után további jelinformációk vesznek el, és már nem számszerűsíthetők pontosan.
Teljes kútkapacitás vegyes jelű jelenetekben
Ideális esetben az expozíciós időt és a megvilágítási szinteket úgy konfigurálják, hogy teljesen elkerüljék a pixelek telítettségét. Ez azonban kihívást jelent azokban a jelenetekben, ahol a világos és a halvány jelek egyszerre jelennek meg ugyanazon a látómezőn belül.
Az expozíciós idő vagy a megvilágítás csökkentése a világos területek telítettségének elkerülése érdekében gyakran azt eredményezi, hogy a halvány jelek a zajküszöb közelébe esnek, ami megnehezíti az érdemi detektálást vagy a mennyiségi mérést. Ilyen esetekben a zaj dominálhatja a gyenge jeleket tartalmazó területeket.
A magasabb FWC növeli a használható expozíciós és megvilágítási tartományt, lehetővé téve a halvány jelek megbízhatóbb érzékelését a világosabb jellemzők telítése nélkül. Ez közvetlenül javítja a mérési megbízhatóságot nagy dinamikatartományú képalkotási helyzetekben.
(A kapcsolat részletesebb tárgyalását lásd a Dinamikatartomány szószedetében.)
Mikor kevésbé számít a teljes kútkapacitás?
Azokban az alkalmazásokban, amelyek kizárólag gyenge fényviszonyok mellett működnek, vagy ahol a dinamikatartomány nem elsődleges szempont, az FWC kevésbé kritikus szerepet játszik a kamera kiválasztásában és a paraméterek optimalizálásában. Ezekben az esetekben más tényezők, például az olvasási zaj vagy az érzékenység dominálhatnak a teljesítményszempontok tekintetében.
Kompromisszumok a teljes kútkapacitás és a képkockasebesség között
Néhány tudományos kamera több kiolvasási módot kínál, amelyek a képkockasebesség, a zajszint és az elérhető teljes kútkapacitás (FWC) különböző kombinációit kínálják. Sok esetben magasabb képkockasebesség érhető el az effektív FWC csökkentésével.
Ez a kompromisszum előnyös lehet nagy sebességű képalkotás és gyenge fényviszonyok melletti képalkotási helyzetekben, ahol a telítési kockázat minimális. Az adatminőség megőrzése érdekében azonban gondosan mérlegelni kell a jelszinteket és az expozíciós határokat.
Mekkora teljes kútkapacitásra van szüksége?
Képalkotás során a jobb képminőség gyakran előnyös lehet, és javítható mind a jel-zaj arány, mind a dinamikatartomány növelésével. Mind a kamera által leadható maximális jel-zaj arányt, mind a dinamikatartományt a jel-zaj arány (FWC) korlátozza.
A gyakorlatban azonban csak néhány képalkotó alkalmazás éri el kamerája vagy kamera üzemmódja teljes kapacitását. A tipikus tudományos kamerák teljes kapacitása legalább 10 000 e⁻ felett lehet, gyakran 30 000 e⁻ körül. Bár egyes alkalmazások nagyon magas FWC-t igényelnek, sok olyan alkalmazásban, ahol...nagy érzékenységű kamerák, a jelek sokszor lesznek (vagy akár nagyságrendekkel is) alacsonyabb, mint ezek a maximális értékek.
Példa: Tipikus maximális jelek különböző képalkotó alkalmazásokban
A különböző képalkotási technikák gyakran nagyon eltérő tipikus maximális jelszintekkel rendelkeznek. Egy adott FWC-t gyakran más kameraspecifikációkkal való kompromisszumban érnek el, ezért bölcs dolog a kamera vagy a kamera üzemmód kiválasztását a várható jelhez igazítani. Az alábbiakban néhány példa látható a különböző képalkotási alkalmazásokban jellemzően megfigyelt maximális jelekre.
●Egymolekulás képalkotás: 5-500e-
●Élő sejtek képalkotása: 50-1000e-
● Forgókorong konfokális: 20-1000e-
●Kalcium képalkotás100–5000 e-
● Fix mintás fluoreszcencia dokumentációs képalkotás: 2000–20 000e
● Világoslátóterű/áteresztő fényű képalkotás: 1000–100 000e
● Nagy intenzitású környezeti fény képalkotása: 1000–100 000+ e-
Következtetés
Az FWC-t gyakran érzékelőspecifikációnak tekintik, de jelentősége kiterjed a rendszerszintű képalkotási teljesítményre is. A pixelszinten mérhető maximális jel meghatározásán túl az FWC meghatározza, hogy egy képalkotási munkafolyamat mennyi expozíciós és megvilágítási rugalmasságot képes tolerálni, mielőtt telítettség vagy nemlinearitás lépne fel.
GYIK
Miért telítődik könnyebben a kép nagy képalkotási sebességnél?
Nagy képalkotási sebességeknél az expozíciós idő és a megvilágítási tartományok korlátozottabbá válnak. Ha a teljes dinamikatartomány (FWC) nem elegendő, a világos területek gyorsan elérik a telítettséget, ami rövidebb expozíciókat kényszerít ki, és ezáltal csökkenti az általános dinamikatartományt.
Miért csökkenti a képkockasebesség növelése a használható dinamikatartományt?
A magasabb képkockasebesség gyakran rövidebb expozíciós időket vagy eltérő kiolvasási módokat igényel, amelyek korlátozzák az elérhető gyors és zavaró sebességet (FWC). Ez leszűkíti a használható jeltartományt, és növeli a telítettség vagy a zaj uralta mérések kockázatát.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Minden jog fenntartva. Hivatkozáskor kérjük, tüntesse fel a forrást:www.tucsen.com
