2022/05/13Moksliniame vaizdavime ryškiausias signalas, kurį kamera gali tiksliai užfiksuoti, priklauso ne tik nuo ekspozicijos laiko ar apšvietimo, bet ir nuo to, kiek signalo gali sutalpinti kiekvienas pikselis prieš tai.pikselių sodrumasįvyksta.
Šią viršutinę ribą apibrėžia visa pikselio talpa. Kai pikselis prisotinamas, jo užfiksuotas intensyvumas nebeatspindi tikrojo signalo lygio, todėl atsiranda matavimo paklaidų ir prarandama kiekybinė informacija.
Dėl topilnas gręžinio pajėgumas (FWC)atlieka itin svarbų vaidmenį taikymuose, kuriems reikalingas didelis dinaminis diapazonas, kai stiprūs ir silpni signalai turi būti užfiksuoti vienu metu tame pačiame vaizde.
Kas yra pilnas gręžinio pajėgumas (FWC)?
Visas gręžinio pajėgumas (FWC) pikselio reiškiamaksimalus fotoelektronų skaičiuskurį galima išmatuoti. Daugeliu atvejų šią ribą apibrėžia fizinė pikselio konstrukcija: ekspozicijos metu aptikti fotoelektronai saugomi baigtinio potencialo šulinyje, kuris gali išlaikyti tik ribotą krūvį.
1 pav.vizualizuoja viso gręžinio talpos ir dinaminio diapazono santykį
(A)Dėl mažo pilno šulinio pajėgumo vaizdas praranda ryškią signalo informaciją.
(B)Didelė viso šulinio talpa išsaugo signalo informaciją visame intensyvumo diapazone.
Kaip parodyta 1 paveiksle, didesnė pilno šulinio talpa (FWC) išplečia naudojamą signalo diapazoną ir efektyvų dinaminį diapazoną.
Esant dideliems signalo lygiams, pikselio šuliniui pildantis, sukauptas krūvis sumažina elektrinį lauką potencialo šulinyje. Tai riboja pikselio gebėjimą surinkti papildomus fotoelektronus ir sukelia jutiklio atsako netiesiškumą esant dideliems signalo lygiams, dažnai kartu su efektyvaus kvantinio efektyvumo sumažėjimu.
Terminaslinijinis pilnas šulinio pajėgumas (linijinis FWC)Naudojamas apibūdinti aukščiausią signalo lygį, kuriam esant nėra stebimo netiesiškumo. Ši vertė rodo maksimalų signalą, kurį galima išmatuoti išlaikant tiesinį atsaką į šviesą, ir tai yra specifikacija, dažniausiai nurodoma mokslinių fotoaparatų duomenų lapuose.
Praktiškai terminas FWC taip pat vartojamas kalbant apie prisotinimo pajėgumą arba prisotinimo signalą,kurį riboja bitų gylis ir ADC skiriamoji geba, apibrėžiamas pagal maksimalų įmanomą pilkos spalvos lygį, kurį lemia kameros bitų gylis.
Nors kai kuriose sistemose šios vertės gali sutapti,mokslinės kamerosdažnai teikia kelis nuskaitymo režimus su skirtingais ADC dinaminiais diapazonais. Tokiais atvejais mažesnio bitų gylio režimai gali pasiekti tik dalį galimo fizinio FWC.
Kaip FWC veikia pikselių lygmenyje?
Vaizdo ekspozicijos metu krintantys fotonai silicio jutiklyje generuoja elektronus. Šie elektronai surenkami ir saugomi pikselių šulinėlyje, kol vyksta nuskaitymo procesas.
Kiekvienas pikselis turi maksimalų elektronų skaičių, kurį jis gali sutalpinti. Sodrinimas gali įvykti, kai viršijama pikselio fizinė atminties talpa arba kai skaitmeninė pilkumo skalė pasiekia maksimalią ribą. Kai pasiekiamas sodrinimas, prarandama papildoma signalo informacija ir jos nebegalima tiksliai kiekybiškai įvertinti.
Pilnas šulinio pajėgumas mišraus signalo scenose
Idealiu atveju ekspozicijos laikas ir apšvietimo lygiai sukonfigūruoti taip, kad pikseliai visiškai neprisotintų. Tačiau tai tampa sudėtinga scenose, kuriose tame pačiame matymo lauke yra ir ryškūs, ir blankūs signalai.
Sumažinus ekspozicijos laiką arba apšvietimą siekiant išvengti ryškių sričių persotinimo, silpni signalai dažnai priartėja prie triukšmo ribos, todėl prasmingas aptikimas ar kiekybinis matavimas yra sudėtingi. Tokiais atvejais triukšmas gali dominuoti silpnų signalų srityse.
Didesnis FWC padidina naudojamą ekspozicijos ir apšvietimo diapazoną, todėl galima patikimiau aptikti silpnus signalus, neužtemdant ryškesnių elementų. Tai tiesiogiai pagerina matavimo patikimumą didelio dinaminio diapazono vaizdavimo scenarijuose.
(Išsamesnį šio ryšio aptarimą žr. skyriuje „Dinaminio diapazono žodynėlis“.)
Kada pilnas gręžinio pajėgumas yra mažiau svarbus?
Programose, kurios veikia tik esant prastam apšvietimui arba kur dinaminis diapazonas nėra pagrindinis rūpestis, FWC vaidina mažiau svarbų vaidmenį renkantis kamerą ir optimizuojant parametrus. Tokiais atvejais kiti veiksniai, pvz., skaitymo triukšmas ar jautrumas, gali dominuoti vertinant našumą.
Kompromisai tarp viso šulinio pajėgumo ir kadrų dažnio
Kai kurios mokslinės kameros siūlo kelis nuskaitymo režimus, siūlydamos skirtingus kadrų dažnio, triukšmo mažinimo ir prieinamos pilnos talpos (FWC) derinius. Daugeliu atvejų didesnį kadrų dažnį galima pasiekti sumažinant efektyvų FWC.
Šis kompromisas gali būti naudingas atliekant didelės spartos vaizdavimą ir vaizduojant prasto apšvietimo sąlygomis, kai prisotinimo rizika yra minimali. Tačiau norint užtikrinti duomenų kokybę, reikia atidžiai atsižvelgti į signalo lygius ir ekspozicijos ribas.
Kokio pilno gręžinio pajėgumo jums reikia?
Vaizduojant, aukštesnė vaizdo kokybė dažnai gali būti naudinga ir gali būti pagerinta padidinus signalo ir triukšmo santykį bei dinaminį diapazoną. Tiek maksimalų įmanomą SNR, tiek dinaminį diapazoną, kurį gali užtikrinti kamera, riboja FWC.
Tačiau praktiškai tik kai kurios vaizdo gavimo programos pasiekia savo kamerų arba kamerų režimų FWC. Tipinės mokslinės kameros gali turėti pilną našumą bent jau virš 10 000 e⁻, dažnai apie 30–80 000 e⁻. Nors kai kurioms programoms reikalingas labai didelis FWC, daugelyje programų, kurioms reikalingasdidelio jautrumo kameros, signalai bus daug kartų (ar net dydžio eilėmis) mažesnės už šias maksimalias vertes.
Pavyzdys: Tipiniai maksimalūs signalai skirtingose vaizdavimo programose
Skirtingi vaizdo gavimo metodai dažnai turi labai skirtingus tipinius maksimalius signalo lygius. Tam tikras maksimalus signalo lygis dažnai pasiekiamas derinant su kitomis kameros specifikacijomis, todėl protinga pritaikyti kamerą ar kameros režimą prie laukiamo signalo. Žemiau pateikiami keli maksimalių signalų pavyzdžiai, paprastai matomi skirtingose vaizdo gavimo programose.
●Vienos molekulės vaizdavimas: 5-500e-
●Gyvų ląstelių vaizdavimas: 50–1000 e-
● Besisukančio disko konfokalinis: 20–1000e-
●Kalcio vaizdavimas100–5 000 e-
● Fiksuoto mėginio fluorescencijos dokumentavimo vaizdavimas: 2 000–20 000 e-
● Ryškaus lauko / praleidžiamos šviesos vaizdavimas: 1 000–100 000 e
● Didelio intensyvumo aplinkos šviesos vaizdavimas: 1 000–100 000+ e-
Išvada
FWC dažnai laikomas jutiklio specifikacija, tačiau jo reikšmė apima ir sistemos lygmens vaizdavimo našumą. FWC ne tik apibrėžia maksimalų išmatuojamą signalą pikselių lygmenyje, bet ir nustato, kiek ekspozicijos ir apšvietimo lankstumo vaizdavimo darbo eiga gali toleruoti, kol atsiranda sodrumas arba netiesiškumas.
DUK
Kodėl vaizdai lengviau persotinami esant dideliam nuskaitymo greičiui?
Esant dideliam fotografavimo greičiui, ekspozicijos laikas ir apšvietimo ribos tampa labiau apribotos. Jei „FWC“ nepakanka, šviesios sritys greitai pasiekia sodrumą, todėl ekspozicijos trumpėja, o tai sumažina bendrą dinaminį diapazoną.
Kodėl padidinus kadrų dažnį sumažėja naudojamas dinaminis diapazonas?
Didesniam kadrų dažniui dažnai reikia trumpesnio ekspozicijos laiko arba skirtingų nuskaitymo režimų, kurie riboja prieinamą fiksuotą kadrų dažnį (FWC). Tai susiaurina naudojamą signalo diapazoną ir padidina sodrumo arba triukšmo dominuojamų matavimų riziką.
„Tucsen Photonics Co., Ltd.“ Visos teisės saugomos. Cituojant prašome nurodyti šaltinį:www.tucsen.com
