Tamsiosios srovės mokslinėse kamerose supratimas: priežastys, triukšmas ir jo mažinimas

Tamsiosios srovės triukšmas yra nuo temperatūros ir ekspozicijos laiko priklausomas kameros triukšmo šaltinis. Siekis sumažinti tamsiąją srovę yra pagrindinė daugelio mokslinių kamerų aušinimo priežastis. Nors tamsiosios srovės triukšmas gali būti nereikšmingas esant trumpam ekspozicijos laikui, jis gali būti pagrindinė kliūtis sėkmingam vaizdavimui ilgo ekspozicijos laiko metu, kai vieno kadro ekspozicija gali būti išmatuota per dešimtis sekundžių arba iki minučių ar valandų.

Suprasti tamsiąją srovę, jos priežastis, kaip ją apskaičiuoti ir kaip sumažinti jos poveikį yra labai svarbu fotografams, astronomams ir tyrėjams, naudojantiems mokslines kameras. Šiame straipsnyje pateikiamas išsamus tamsiosios srovės vadovas ir praktinės strategijos, kaip ją efektyviai valdyti.

Kas yra tamsioji srovė?

Tamsioji srovė yra maža elektros srovė, kurią kameros jutiklis sukuria net visiškoje tamsoje. Ji atsiranda dėl jutiklio puslaidininkinės medžiagos šiluminio aktyvumo, dėl kurio susidaro elektronai, imituojantys tikrus foto generuojamus signalus.

Svarbu atskirti tamsiosios srovės signalą nuo tamsiosios srovės triukšmo:

●Tamsiosios srovės signalasNuolatinis elektronų kaupimasis laikui bėgant.

●Tamsiosios srovės triukšmas: Atsitiktiniai to signalo svyravimai, kurie jūsų vaizde atrodo kaip grūdeliai arba dėmės.

Šio skirtumo supratimas padeda tiek apskaičiuoti, tiek sušvelninti jo poveikį.

Kodėl kyla tamsiosios srovės triukšmas

Kiekvienos kameros jutiklyje molekulės, atomai ir subatominės dalelės nuolat juda terminiu būdu. Kuo aukštesnė jutiklio temperatūra, tuo didesnė šio terminio judėjimo energija. Kiekviename pikselyje elektronai judės, varomi šios terminės energijos.

Labai tikėtina, kad kai kurie iš jų pateks į pikselio šulinį – lygiai taip pat, kaip mūsų aptikti fotoelektronai iš įeinančio signalo. Nėra jokio būdo atskirti šių šiluminių elektronų nuo „tikrojo“ signalo. Tai yra tamsiosios srovės ir tamsiosios srovės triukšmo priežastis.

Tamsiosios srovės intensyvumą įtakoja keli veiksniai:

●TemperatūraAukštesnė temperatūra padidina šiluminį aktyvumą, padidindama tamsiosios srovės lygį.

●Kontakto trukmėIlgesnė ekspozicija leidžia sukaupti daugiau tamsiosios srovės.

●Jutiklio tipas ir kokybėCCD jutiklių tamsioji srovė dažnai būna didesnė nei šiuolaikinių CMOS jutiklių, nors tai skiriasi priklausomai nuo konstrukcijos ir gamybos proceso.

Tamsioji srovė, tamsiosios srovės signalas ir tamsiosios srovės triukšmas

Ekspozicijos metu termiškai generuoti elektronai kaupiasi pikselių šuliniuose. Bendras jų skaičius pikselyje vadinamas tamsiosios srovės signalu (kartais vadinamas tiesiog „tamsos signalu“). Tai yra nauja „bazinė linija“, nuo kurios reikia matuoti tikrąjį fotonų signalą.

Priklausomai nuo jutiklio architektūros, konstrukcijos ir temperatūros, elektronai gali kauptis šimtų per sekundę greičiu arba gali praeiti valanda, kol taps tikėtinas vieno termiškai generuoto elektrono patekimas.

Tipiškas, vidutinis tam tikro kameros jutiklio elgesys yra toks, kad tamsiosios srovės signalas auga nustatytu tiesiniu greičiu, esant tam tikrai palaikomai jutiklio temperatūrai, matuojamam elektronais viename pikselyje per sekundę. Šis vidutinis tamsiosios srovės signalo greitis kameros specifikacijų lapuose dažnai vadinamas „tamsiąja srove“. Tamsiosios srovės signalas tam tikrame pikselyje gaunamas šią tamsiosios srovės vertę padauginus iš ekspozicijos laiko.

Nors tamsiosios srovės signalo kaupimasis paprastai yra tiesinis, jis nebūtinai tolygiai pasiskirsto visame jutiklyje. Labai dažnai kamerose jutiklio kraštuose atsiranda „švytėjimas“ ir kiti netolygumai. Nors kartais jų kilmė skiriasi nuo įprasto šiluminio triukšmo, stiprus tamsiosios srovės signalas šiuose regionuose gali būti traktuojamas taip, tarsi jų tamsioji srovė būtų stipresnė.

Tačiau svarbiausias mūsų vaizdavimo veiksnys nebūtinai yra tamsiosios srovės signalas, kurį dėl savo linijinio elgesio dažnai galima atimti iš gautų vaizdų, kaip minėta priešingoje dalyje. Ko negalima atimti, tai triukšmo, atsirandančio dėl atsitiktinio tikrojo tamsiųjų elektronų gaudymo įvykių pobūdžio.

Kaip ir fotonų šūvio triukšmo atveju, nors tamsiosios srovės signalas kaupiasi žinomu vidutiniu greičiu, faktiniai individualūs įvykiai laike yra atsitiktiniai. Todėl tamsiosios srovės triukšmas paklūstaPuasono statistikalygiai taip pat kaip fotonų šūvio triukšmas. Tačiau atkreipkite dėmesį, kad kai kurie tamsiosios srovės signalo šaltiniai gali neatitikti Puasono statistikos, todėl, jei šios vertės yra svarbios jūsų taikymui, protinga atidžiai išmatuoti tamsiosios srovės triukšmą.

Kaip apskaičiuoti tamsiosios srovės triukšmą

Tamsiosios srovės triukšmo indėlis, kaip ir kitų Puasono statistikos triukšmo šaltinių, yra aptikto tamsiosios srovės signalo kvadratinė šaknis.

Kur t yra ekspozicijos laikas sekundėmis. Kaip minėta aukščiau pateiktoje lygtyje, tamsiosios srovės triukšmo pikselyje įvertinimą galima gauti tiesiog ištraukiant kvadratinę šaknį iš specifikacijos lape nurodytos tamsiosios srovės vertės, padauginus ją iš ekspozicijos laiko. Tikslesnį matavimą galima gauti susiejant kiekvieno kameros pikselio tamsiosios srovės vertes.

Tamsiosios srovės atėmimas iš vaizdų

Kaip minėta pirmiau, tamsioji srovė padidins pikselių „nulinio signalo“ vertę. Kiekybiniams metodams, kuriems reikia matuoti arba palyginti pikselių vertes, tai nėra priimtina. Be to, jei (kaip įprasta) tamsiosios srovės pasiskirstymas jutiklyje nėra tolygus, gautas vaizdas gali pabloginti vaizdo kokybę, jei jis matomas virš tikrojo signalo. Iš vaizdų galima atimti sukaupto tamsiosios srovės signalo poveikį, paliekant tik triukšmo indėlį.

Kaip atimti tamsiosios srovės signalą

Yra du metodai, priklausomai nuo to, kiek tolygiai arba netolygiai pasiskirsto tamsioji srovė. Tačiau abiem atvejais turime pasirūpinti arba konvertuoti vaizdą į fotoelektronų vienetus, arba konvertuoti tamsiosios srovės signalo vertes į pilkos spalvos lygius prieš atimdami.

Jei tamsiosios srovės kaupimasis jutiklyje yra maždaug tolygus, gali pakakti tiesiog atimti vidutinį tamsiosios srovės signalą pilkos spalvos lygmenyse iš kiekvieno pikselio:

Tačiau jei tamsioji srovė nėra tolygiai paskirstyta, gali tekti sukurti tamsiosios srovės žemėlapį, sudarytą iš kelių ilgo išlaikymo tamsių vaizdų vidurkio. Šiame vaizde esančias vertes galima koreguoti pagal išlaikymo laiką (atsižvelgiant į kameros poslinkį) ir atimti iš vaizdo. Dabar lieka tik triukšmo indėlis.

Pastaba: Eksperimentiniai darbo eigos kartais gali apimti vieno „tamsaus kadro“, užfiksuoto prieš pat eksperimento pradžią, atėmimą iš rezultatų. Norint maksimaliai padidinti vaizdo kokybę ir signalo-tomo lygio (SNR), tai nerekomenduojama. Tai atims tamsos signalą ir kameros poslinkį. Tačiau bus pridėtas tamsos kadro tamsiosios srovės triukšmo ir skaitymo triukšmo indėlis, faktiškai padvigubinant šių triukšmo šaltinių indėlį.

Aušinimas ir tamsioji srovė

Svarbu pažymėti, kad nors konkretaus kameros jutiklio tamsioji srovė priklauso nuo jutiklio temperatūros, palyginti skirtingų kamerų negalima remiantis vien temperatūra. Jutiklio architektūra ir konstrukcija yra daug, daug svarbesnis veiksnys nustatant tamsiosios srovės mastą nei jutiklio temperatūra.

Pavyzdžiui, norint palyginti dvi CMOS kameras su foniniu apšvietimu:

Esant -25 °C jutiklio temperatūrai,Tucsen Dhyana 400BSI V3 sCMOS kamerademonstruoja 0,2 e-/p/s tamsiąją srovę. Tai reiškia, kad kiekviename pikselyje tamsiosios srovės signalo elektronui vidutiniškai gali praeiti 5 sekundės ekspozicijos.

Tačiau esant tai pačiai jutiklio temperatūrai,„Tucsen FL 9BW“ ilgo išlaikymo aušinama CMOS kamera, specialiai sukurtas ilgoms ekspozicijoms, pasižymi mažesne nei 0,0005 e-/p/s šviesa, o tai reiškia, kad norint sugeneruoti vieną tamsųjį elektroną viename pikselyje, prireiktų vidutiniškai daugiau nei pusvalandžio ekspozicijos laiko.

Kaip veikia kameros aušinimas

Dažniausias mokslinių kamerų jutiklių aušinimo būdas yra termoelektrinis aušinimas. Jis paprastai veikia trimis „etapais“:

Pirma, šiluma iš jutiklio pašalinama per termoelektrinį aušintuvą, dar vadinamą Peltier aušintuvu arba Peltier plokšte. Šis prietaisas naudoja Peltier efektą, kai elektrinis komponentas, vadinamas termoelementu, perduoda šilumą iš vienos savo pusės į kitą, kai jam tiekiama įtampa.

Antra, šiluma iš Peltier plokštelių per termiškai sujungtus metalinius komponentus perduodama į šilumokaičius.

Trečia, arba ventiliatorius varo orą pro šilumokaičius, kad pašalintų šilumą į kameros išorę, arba siurblys varo skystą aušinimo skystį pro juos, arba jie aušinami pasyviu oro srautu.

Kada svarbus tamsiosios srovės triukšmas?

Tamsiosios srovės triukšmo santykinė svarba labai priklauso nuo dviejų veiksnių: pirma, tipinio ekspozicijos laiko jūsų eksperimente ar vaizdavimo programoje ir, antra, jūsų konkrečios kameros tamsiosios srovės.

Tais atvejais, kai ekspozicijos laikas yra labai trumpas, pavyzdžiui, mažesnis nei 50 ms, net ir neaušinamų kamerų tamsioji srovė dažnai gali būti pakankamai maža, kad į tai galima visiškai nekreipti dėmesio.

Tačiau ilgesniems ekspozicijos laikotarpiams reikia atlikti skaičiavimą, kad būtų patikrintas tamsiosios srovės indėlis. Daugeliui didelio jautrumoCMOS kameros, vos vienos ar dviejų sekundžių ekspozicijos laikas gali sukelti tamsiosios srovės triukšmą, viršijantį skaitymo triukšmą.

Pavyzdys: Ilgo ekspozicijos laiko vaizdavimo aspektai

Ilgo išlaikymo vaizdavimas apibrėžiamas kaip taikymas, kuriam reikalingas nuo dešimčių sekundžių iki minučių ar valandų ekspozicijos laikas, kad būtų galima užfiksuoti vaizduojamus objektus su labai mažu fotonų srautu. Taikymo pavyzdžiai: bioliuminescencija, chemiluminescencija ir astronomija.

Šiose srityse tamsioji srovė turi tapti pagrindine specifikacija. Tačiau reikia atsižvelgti ir į papildomus aspektus:

● Jutiklio kokybė ir vaizdo korekcijos gali sumažinti karštų pikselių poveikį.

● Didelis fotoaparato dinaminis diapazonas gali būti itin naudingas, nes esant ilgam išlaikymui tame pačiame vaizde gali būti (tyčia ar netyčia) gauti labai ryškūs signalai kaip ir blankūs signalai.

● „Anti-blooming“ technologija ir metodai gali padėti išvengti persotintų pikselių signalo nutekėjimo į kaimyninius.

● Kai kuriais atvejais gali būti naudinga padidinti perteklinį diskretizavimą naudojant mažesnius pikselius, kad sumažėtų kosminių spindulių arba karštųjų pikselių poveikis vaizdui, nors tai gali sumažinti visą gręžinio talpą.

Išvada

Tamsioji srovė yra neišvengiamas reiškinys kamerų jutikliuose, tačiau jos priežasčių ir poveikio supratimas leidžia veiksmingai jį sušvelninti. Apskaičiuodami tamsiosios srovės triukšmą, naudodami tamsių kadrų atimtį ir, kai reikia, aušinant kamerą, galite žymiai pagerinti vaizdo kokybę.

Mokslinio vaizdavimo taikymams, ypač tiems, kuriems reikalinga ilga ekspozicija arba didelis jautrumas, tamsiosios srovės valdymas yra labai svarbus. Tinkamos kameros pasirinkimas, tinkamo aušinimo taikymas ir vaizdo apdorojimo metodų taikymas užtikrina, kad jūsų duomenys išliktų tikslūs, o vaizdai – kuo detalesni.

Tucsen specializuojasi pažangių technologijų kūrimemokslinės kamerossukurtas siekiant sumažinti tamsiąją srovę ir užtikrinti puikų našumą sudėtingose vaizdavimo aplinkose.Susisiekite su mumisir atraskite, kaip mūsų inovacijos gali pagerinti jūsų vaizdavimo rezultatus.

„Tucsen Photonics Co., Ltd.“ Visos teisės saugomos. Cituojant prašome nurodyti šaltinį:www.tucsen.com