Գունավոր տեսախցիկներ գիտական կիրառությունների համար. Ինչպես են դրանք աշխատում և որտեղ են դրանք գերազանցում |

Չնայած գունավոր տեսախցիկները գերիշխում են սպառողական տեսախցիկների շուկայում, մոնոքրոմ տեսախցիկներն ավելի տարածված են գիտական պատկերման մեջ։

Տեսախցիկի սենսորները բնածին կերպով ունակ չեն հայտնաբերելու իրենց հավաքած լույսի գույնը կամ ալիքի երկարությունը: Գունավոր պատկեր ստանալու համար անհրաժեշտ են մի շարք զիջումներ զգայունության և տարածական նմուշառման մեջ: Այնուամենայնիվ, պատկերագրման շատ կիրառություններում, ինչպիսիք են պաթոլոգիան, հյուսվածաբանությունը կամ որոշ արդյունաբերական ստուգումներ, գունային տեղեկատվությունը կարևոր է, ուստի գունավոր գիտական տեսախցիկները դեռևս տարածված են:

Այս հոդվածը ուսումնասիրում է, թե ինչ են գունավոր գիտական տեսախցիկները, ինչպես են դրանք աշխատում, դրանց ուժեղ և թույլ կողմերը, և թե գիտական կիրառություններում ինչ ցուցանիշներով են դրանք գերազանցում իրենց մոնոքրոմ համարժեքներին։

Ի՞նչ են գունավոր գիտական տեսախցիկները։

Գունավոր գիտական տեսախցիկը մասնագիտացված պատկերման սարք է, որը RGB գունային տեղեկատվությունը գրանցում է բարձր ճշգրտությամբ, ճշգրտությամբ և հետևողականությամբ: Ի տարբերություն սպառողական մակարդակի գունավոր տեսախցիկների, որոնք առաջնահերթություն են տալիս տեսողական գրավչությանը, գիտական գունավոր տեսախցիկները նախագծված են քանակական պատկերման համար, որտեղ գունային ճշգրտությունը, սենսորային գծայնությունը և դինամիկ տիրույթը կարևորագույն նշանակություն ունեն:

Այս տեսախցիկները լայնորեն կիրառվում են այնպիսի կիրառություններում, ինչպիսիք են պայծառ դաշտի մանրադիտակը, հյուսվածաբանությունը, նյութերի վերլուծությունը և մեքենայական տեսողության առաջադրանքները, որտեղ տեսողական մեկնաբանությունը կամ գունային դասակարգումը կարևոր են: Գունային գիտական տեսախցիկների մեծ մասը հիմնված է CMOS կամ sCMOS սենսորների վրա, որոնք նախագծված են գիտական և արդյունաբերական հետազոտությունների խիստ պահանջները բավարարելու համար:

Տարբեր պատկերագրական համակարգերի խորը ուսումնասիրության համար ուսումնասիրեք մեր բարձր արդյունավետության սարքերի ընտրանիները։գիտական տեսախցիկմոդելներ, որոնք մշակվել են մասնագիտական կիրառությունների համար։

Գույնի հասնելը. Bayer ֆիլտրը

Ավանդաբար, տեսախցիկներում գույների հայտնաբերումը իրականացվում է նույն միջոցներով, ինչ մոնիտորների և էկրանների վրա գույների վերարտադրությունը՝ մոտակա կարմիր, կանաչ և կապույտ պիքսելների համադրմամբ՝ լիագույն «սուպերպիքսելների»։ Երբ R, G և B ալիքները բոլորն էլ իրենց առավելագույն արժեքի վրա են, երևում է սպիտակ պիքսել։

Քանի որ սիլիկոնային տեսախցիկները չեն կարող հայտնաբերել մուտքային ֆոտոնների ալիքի երկարությունը, յուրաքանչյուր R, G կամ B ալիքի երկարության ալիքի բաժանումը պետք է իրականացվի ֆիլտրման միջոցով։

Կարմիր պիքսելներում պիքսելի վրա տեղադրվում է առանձին ֆիլտր՝ սպեկտրի կարմիր մասում գտնվողներից բացի բոլոր ալիքի երկարությունները արգելափակելու համար, ինչպես նաև կապույտի և կանաչի համար։ Այնուամենայնիվ, երեք գունային ալիք ունենալուն զուգահեռ երկու չափումներում քառակուսի սալիկապատում ստանալու համար, սուպերպիքսելը ձևավորվում է մեկ կարմիր, մեկ կապույտ և երկու կանաչ պիքսելներից, ինչպես ցույց է տրված նկարում։

Bayer ֆիլտրի դասավորությունը գույնի համար

Bayer ֆիլտրի դասավորությունը գունավոր տեսախցիկների համար

ՆՇՈՒՄԳունավոր տեսախցիկների համար առանձին պիքսելներին ավելացված գունային ֆիլտրերի դասավորությունը՝ օգտագործելով Bayer ֆիլտրի դասավորությունը՝ օգտագործելով կանաչ, կարմիր, կապույտ, կանաչ պիքսելների կրկնվող քառակուսի 4-պիքսելային միավորներ: 4-պիքսելային միավորի ներսում դասավորությունը կարող է տարբեր լինել:

Կանաչ պիքսելներին առաջնահերթություն է տրվում թե՛ այն պատճառով, որ լույսի աղբյուրների մեծ մասը (արևից մինչև սպիտակ LED-ներ) իրենց գագաթնակետային ինտենսիվությունը ցուցաբերում են սպեկտրի կանաչ մասում, թե՛ այն պատճառով, որ լույսի դետեկտորները (սիլիկոնի վրա հիմնված տեսախցիկների սենսորներից մինչև մեր աչքերը) սովորաբար իրենց գագաթնակետային զգայունությունն ունենում են կանաչում։

Սակայն, երբ խոսքը վերաբերում է պատկերի վերլուծությանը և ցուցադրմանը, պատկերները սովորաբար օգտատիրոջը չեն տրամադրվում այնպիսի պիքսելներով, որոնցից յուրաքանչյուրը ցուցադրում է միայն իր R, G կամ B արժեքը: Տեսախցիկի յուրաքանչյուր պիքսելի համար ստեղծվում է 3-ալիքային RGB արժեք՝ մոտակա պիքսելների արժեքները ինտերպոլացնելու միջոցով՝ «դեբայերինգ» կոչվող գործընթացով:

Օրինակ, յուրաքանչյուր կարմիր պիքսել կստեղծի կանաչ արժեք՝ կա՛մ մոտակա չորս կանաչ պիքսելների միջին արժեքից, կա՛մ որևէ այլ ալգորիթմի միջոցով, և նույնը կլինի նաև մոտակա չորս կապույտ պիքսելների համար։

Գույնի դրական և բացասական կողմերը

Առավելություններ

● Դուք կարող եք տեսնել այն գույներով։ Գույնը փոխանցում է արժեքավոր տեղեկատվություն, որը բարելավում է մարդու կողմից մեկնաբանության ընկալումը, հատկապես կենսաբանական կամ նյութական նմուշների վերլուծության ժամանակ։

● RGB գույնի պատկերներ նկարահանելը շատ ավելի հեշտ է, քան մոնոխրոմ տեսախցիկով հաջորդական R, G և B պատկերներ նկարահանելը

Դեմ կողմերը

● Գունավոր տեսախցիկների զգայունությունը կտրուկ նվազում է մոնոխրոմային համարժեքների համեմատ՝ կախված ալիքի երկարությունից: Սպեկտրի կարմիր և կապույտ մասերում, քանի որ չորս պիքսելային ֆիլտրերից միայն մեկն է անցնում այս ալիքի երկարություններով, լույսի հավաքումը կազմում է այս ալիքի երկարություններում համարժեք մոնոխրոմ տեսախցիկի լույսի հավաքման առավելագույնը 25%-ը: Կանաչում այս գործակիցը 50% է: Բացի այդ, ոչ մի ֆիլտր կատարյալ չէ. գագաթնակետային թափանցելիությունը կլինի 100%-ից պակաս և կարող է շատ ավելի ցածր լինել՝ կախված ճշգրիտ ալիքի երկարությունից:

● Մանր մանրամասների լուծաչափը նույնպես վատանում է, քանի որ նմուշառման հաճախականությունը նվազում է նույն գործոններով (մինչև 25% R, B և 50% G-ի համար): Կարմիր պիքսելների դեպքում, քանի որ 4 պիքսելից միայն 1-ն է ֆիքսում կարմիր լույսը, լուծաչափը հաշվարկելու համար արդյունավետ պիքսելի չափը 2 անգամ մեծ է յուրաքանչյուր չափման մեջ:

● Գունավոր տեսախցիկները միշտ ներառում են նաև ինֆրակարմիր (ԻԿ) ֆիլտր։ Սա պայմանավորված է սիլիկոնային տեսախցիկների՝ մարդու աչքի համար անտեսանելի որոշ ԻԿ ալիքի երկարություններ՝ 700 նմ-ից մինչև մոտ 1100 նմ, հայտնաբերելու ունակությամբ։ Եթե այս ԻԿ լույսը չֆիլտրվեր, այն կազդեր սպիտակի հավասարակշռության վրա, ինչը կհանգեցներ գույների անճշտ վերարտադրության, և ստացված պատկերը չէր համապատասխանի աչքով տեսածին։ Հետևաբար, այս ԻԿ լույսը պետք է ֆիլտրվի, ինչը նշանակում է, որ գունավոր տեսախցիկները չեն կարող օգտագործվել պատկերագրման կիրառություններում, որոնք օգտագործում են այդ ալիքի երկարությունները։

Ինչպե՞ս են աշխատում գունավոր տեսախցիկները։

Գունավոր տեսախցիկի քվանտային արդյունավետության կորի բնորոշ օրինակ

ՆՇՈՒՄՔվանտային արդյունավետության ալիքի երկարությունից կախվածությունը ներկայացված է առանձին՝ կարմիր, կապույտ և կանաչ ֆիլտրերով պիքսելների համար։ Նաև ներկայացված է նույն սենսորի քվանտային արդյունավետությունը՝ առանց գունային ֆիլտրերի։ Գունային ֆիլտրերի ավելացումը զգալիորեն նվազեցնում է քվանտային արդյունավետությունը։

Գիտական գունավոր տեսախցիկի միջուկը դրա պատկերի սենսորն է, որը սովորաբար...CMOS տեսախցիկ or sCMOS տեսախցիկ(գիտական CMOS), հագեցած Բայերի ֆիլտրով: Ֆոտոնի որսից մինչև պատկերի ստացում աշխատանքային հոսքը ներառում է մի քանի հիմնական քայլեր.

1. Ֆոտոնի հայտնաբերում. Լույսը մտնում է ոսպնյակի մեջ և հարվածում սենսորին: Յուրաքանչյուր պիքսել զգայուն է որոշակի ալիքի երկարության նկատմամբ՝ կախված իր կրած գունային ֆիլտրից:

2. Լիցքի փոխակերպում. Ֆոտոնները էլեկտրական լիցք են առաջացնում յուրաքանչյուր պիքսելի տակ գտնվող ֆոտոդիոդում։

3. Ցուցում և ուժեղացում. Լիցքերը վերածվում են լարման, ընթերցվում են տող առ տող և թվայնացվում անալոգ-թվային փոխարկիչների միջոցով:

4. Գույների վերականգնում. Տեսախցիկի ներկառուցված պրոցեսորը կամ արտաքին ծրագիրը ինտերպոլացնում է լիագույն պատկերը ֆիլտրացված տվյալներից՝ օգտագործելով դեմոսայզինգի ալգորիթմներ:

5. Պատկերի ուղղում. Հետմշակման քայլերը, ինչպիսիք են հարթ դաշտի ուղղումը, սպիտակի հավասարակշռությունը և աղմուկի նվազեցումը՝ ճշգրիտ և հուսալի արդյունք ապահովելու համար:

Գունավոր տեսախցիկի աշխատանքը մեծապես կախված է դրա սենսորային տեխնոլոգիայից: Ժամանակակից CMOS տեսախցիկի սենսորները ապահովում են արագ կադրերի հաճախականություն և ցածր աղմուկ, մինչդեռ sCMOS սենսորները օպտիմալացված են ցածր լույսի զգայունության և լայն դինամիկ տիրույթի համար, ինչը կարևոր է գիտական աշխատանքի համար: Այս հիմունքները հիմք են հանդիսանում գունավոր և մոնոխրոմ տեսախցիկների համեմատության համար:

Գունավոր տեսախցիկներ ընդդեմ մոնոքրոմ տեսախցիկների. Հիմնական տարբերությունները

Գունավոր և մոնոխրոմ տեսախցիկի պատկերների համեմատություն թույլ լուսավորության պայմաններում աշխատանքի համար

ՆՇՈՒՄԳունավոր տեսախցիկի (ձախ) և մոնոխրոմ տեսախցիկի (աջ) կողմից հայտնաբերված կարմիր ալիքի երկարության ճառագայթմամբ ֆլուորեսցենտային պատկեր, մինչդեռ տեսախցիկի մյուս տեխնիկական բնութագրերը մնացել են նույնը։ Գունավոր պատկերը ցույց է տալիս զգալիորեն ցածր ազդանշան-աղմուկ հարաբերակցություն և լուծաչափ։

Թեև գունավոր և մոնոխրոմ տեսախցիկները շատ ընդհանուր բաղադրիչներ ունեն, դրանց աշխատանքի և օգտագործման դեպքերի տարբերությունները նշանակալի են։ Ահա մի կարճ համեմատություն.

Հատկանիշ	Գունավոր տեսախցիկ	Մոնոխրոմ տեսախցիկ
Սենսորի տեսակը	Բայերի ֆիլտրով CMOS/sCMOS	Անֆիլտրացված CMOS/sCMOS
Լույսի զգայունություն	Ավելի ցածր (լույսը արգելափակող գունային ֆիլտրերի պատճառով)	Ավելի բարձր (լույսը չի կորչում ֆիլտրերի պատճառով)
Տարածական լուծաչափ	Ավելի ցածր արդյունավետ լուծաչափ (դեմոզայզինգ)	Լրիվ բնօրինակ լուծաչափ
Իդեալական կիրառություններ	Բրայթֆիլդ մանրադիտակ, հյուսվածաբանություն, նյութերի զննում	Ֆլուորեսցենցիա, թույլ լուսավորության պատկերացում, բարձր ճշգրտության չափումներ
Գունային տվյալներ	Գրավում է RGB-ի ամբողջական տեղեկատվությունը	Միայն մոխրագույն երանգներ է նկարահանում

Ամփոփելով՝ գունավոր տեսախցիկները լավագույնն են, երբ գույնը կարևոր է մեկնաբանության կամ վերլուծության համար, մինչդեռ մոնոխրոմ տեսախցիկները իդեալական են զգայունության և ճշգրտության համար։

Որտեղ գունավոր տեսախցիկները գերազանցում են գիտական կիրառություններում

Չնայած իրենց սահմանափակումներին, գունավոր տեսախցիկները գերազանցում են բազմաթիվ մասնագիտացված ոլորտներում, որտեղ գույների տարբերակումը գլխավորն է: Ստորև բերված են մի քանի օրինակներ, թե որտեղ են դրանք գերազանցում.

Կենսաբանական գիտություններ և մանրադիտակ

Գունավոր տեսախցիկները լայնորեն օգտագործվում են պայծառ դաշտի մանրադիտակում, հատկապես հյուսվածաբանական վերլուծության մեջ: Գունավորման տեխնիկաները, ինչպիսիք են H&E-ն կամ Գրամի ներկումը, ստեղծում են գունային հակադրություն, որը կարող է մեկնաբանվել միայն RGB պատկերմամբ: Ուսումնական լաբորատորիաները և պաթոլոգիայի բաժանմունքները նույնպես ապավինում են գունավոր տեսախցիկներին՝ կենսաբանական նմուշների իրատեսական պատկերներ ստանալու համար՝ ուսուցման կամ ախտորոշման նպատակով:

Նյութագիտություն և մակերևութային վերլուծություն

Նյութերի հետազոտություններում գունային պատկերումը արժեքավոր է կոռոզիայի, օքսիդացման, ծածկույթների և նյութերի սահմանները որոշելու համար: Գունային տեսախցիկները օգնում են հայտնաբերել մակերեսի մակերեսի նուրբ տատանումները կամ թերությունները, որոնք մոնոխրոմ պատկերումը կարող է բաց թողնել: Օրինակ՝ կոմպոզիտային նյութերի կամ տպագիր միկրոսխեմաների գնահատումը հաճախ պահանջում է ճշգրիտ գունային ներկայացում:

Մեքենայական տեսողություն և ավտոմատացում

Ավտոմատացված ստուգման համակարգերում գունավոր տեսախցիկներն օգտագործվում են օբյեկտների տեսակավորման, թերությունների հայտնաբերման և պիտակավորման ստուգման համար: Դրանք թույլ են տալիս մեքենայական տեսողության ալգորիթմներին դասակարգել մասերը կամ արտադրանքը՝ հիմնվելով գունային ազդանշանների վրա, ինչը բարելավում է արտադրության ավտոմատացման ճշգրտությունը:

Կրթություն, փաստաթղթավորում և հասարակայնության հետ կապեր

Գիտական հաստատությունները հաճախ պահանջում են բարձրորակ գունավոր պատկերներ հրապարակումների, դրամաշնորհային առաջարկների և հանրության հետ կապերի համար: Գունավոր պատկերը ապահովում է գիտական տվյալների ավելի ինտուիտիվ և տեսողականորեն գրավիչ ներկայացում, հատկապես միջառարկայական հաղորդակցության կամ հանրային ներգրավվածության համար:

Վերջնական մտքեր

Գունավոր գիտական տեսախցիկները կարևոր դեր են խաղում ժամանակակից պատկերման աշխատանքային հոսքերում, որտեղ գույների տարբերակումը կարևոր է: Չնայած դրանք կարող են չհամեմատվել մոնոխրոմ տեսախցիկների հետ զգայունության կամ հում լուծաչափի առումով, բնական, մեկնաբանելի պատկերներ ստանալու նրանց ունակությունը դրանք անփոխարինելի է դարձնում կենսաբանական գիտություններից մինչև արդյունաբերական տեսչություն տարբեր ոլորտներում:

Գունավոր և մոնոխրոմ ֆորմատների միջև ընտրություն կատարելիս հաշվի առեք ձեր պատկերման նպատակները: Եթե ձեր կիրառումը պահանջում է թույլ լուսավորության պայմաններում կատարողականություն, բարձր զգայունություն կամ ֆլուորեսցենցիայի հայտնաբերում, մոնոխրոմ գիտական տեսախցիկը կարող է լինել ձեր լավագույն տարբերակը: Սակայն պայծառ դաշտի պատկերման, նյութի վերլուծության կամ գունային կոդավորմամբ տեղեկատվություն ներառող ցանկացած առաջադրանքի համար գունային լուծումը կարող է իդեալական լինել:

Գիտական հետազոտությունների համար առաջադեմ գունային պատկերման համակարգերն ուսումնասիրելու համար դիտեք մեր բարձր արդյունավետությամբ CMOS տեսախցիկների և sCMOS մոդելների ամբողջական շարքը, որոնք հարմարեցված են ձեր կարիքներին։

Tucsen Photonics Co., Ltd. Բոլոր իրավունքները պաշտպանված են։ Մեջբերելիս խնդրում ենք նշել աղբյուրը։www.tucsen.com