13.05.2022I vitenskapelig avbildning bestemmes det sterkeste signalet et kamera kan registrere nøyaktig ikke utelukkende av eksponeringstid eller belysning, men av hvor mye signal hver piksel kan romme førpikselmetningoppstår.
Den fulle brønnkapasiteten til en piksel definerer denne øvre grensen. Når en piksel blir mettet, gjenspeiler ikke den registrerte intensiteten lenger det sanne signalnivået, noe som fører til målefeil og tap av kvantitativ informasjon.
Som et resultat,full brønnkapasitet (FWC)spiller en kritisk rolle i applikasjoner som krever stort dynamisk område, der sterke og svake signaler må fanges opp samtidig i samme bilde.
Hva er full brønnkapasitet (FWC)?
Den fulle brønnkapasiteten (FWC) av en piksel refererer tilmaksimalt antall fotoelektronersom kan måles. I de fleste tilfeller er denne grensen definert av pikselets fysiske utforming: detekterte fotoelektroner lagres i en begrenset potensialbrønn under eksponering, som bare kan holde en begrenset ladning.
Figur 1visualiserer forholdet mellom full brønnkapasitet og dynamisk område
(EN)Lav full brønnkapasitet fører til at bildet mister informasjon om lysstyrke.
(B)Høy full brønnkapasitet bevarer signalinformasjon over hele intensitetsområdet.
Som illustrert i figur 1, utvider høyere full brønnkapasitet (FWC) det brukbare signalområdet og det effektive dynamiske området.
Ved høye signalnivåer, når pikselbrønnen fylles, reduserer den akkumulerte ladningen det elektriske feltet i potensialbrønnen. Dette begrenser pikselens evne til å samle inn flere fotoelektroner og introduserer ikke-linearitet i sensorens respons ved høye signalnivåer, ofte ledsaget av en nedgang i effektiv kvanteeffektivitet.
Begrepetlineær full brønnkapasitet (lineær FWC)brukes til å beskrive det høyeste signalnivået der ingen observerbar ikke-linearitet oppstår. Denne verdien representerer det maksimale signalet som kan måles samtidig som en lineær respons på lys opprettholdes, og det er spesifikasjonen som oftest rapporteres på datablad for vitenskapelige kameraer.
I praksis brukes begrepet FWC også for å referere til metningskapasiteten eller metningssignalet,som er begrenset av bitdybde og ADC-oppløsning, definert av det maksimale mulige grånivået bestemt av kameraets bitdybde.
Selv om disse verdiene kan samsvare i noen systemer,vitenskapelige kameraertilbyr ofte flere avlesningsmoduser med forskjellige dynamiske ADC-områder. I slike tilfeller kan moduser med lavere bitdybde bare få tilgang til en del av den tilgjengelige fysiske FWC-en.
Hvordan fungerer FWC på pikselnivå?
Under bildeeksponering genererer innfallende fotoner elektroner i silisiumsensoren. Disse elektronene samles opp og lagres i pikselbrønnen inntil avlesningsprosessen finner sted.
Hver piksel har et maksimalt antall elektroner den kan holde. Metning kan oppstå enten når pikselens fysiske lagringskapasitet overskrides, eller når den digitale gråskalaverdien når sin maksimale grense. Når metningen er nådd, går ytterligere signalinformasjon tapt, og den kan ikke lenger kvantifiseres nøyaktig.
Full brønnkapasitet i blandede signalscener
Ideelt sett konfigureres eksponeringstid og lysnivåer for å unngå pikselmetning helt. Dette blir imidlertid utfordrende i scener der lyse og svake signaler sameksisterer innenfor samme synsfelt.
Å redusere eksponeringstiden eller belysningen for å forhindre metning av lyse områder fører ofte til at svake signaler faller nær støygulvet, noe som gjør meningsfull deteksjon eller kvantitativ måling vanskelig. I slike tilfeller kan støy dominere de svake signalområdene.
En høyere FWC øker det brukbare eksponerings- og belysningsområdet, slik at svake signaler kan oppdages mer pålitelig uten å mette lysere elementer. Dette forbedrer målerobustheten direkte i bildebehandlingsscenarioer med høyt dynamisk område.
(For en mer detaljert diskusjon av dette forholdet, se ordlisten for dynamisk område.)
Når full brønnkapasitet betyr mindre?
I applikasjoner som utelukkende opererer under forhold med lite lys, eller der dynamisk rekkevidde ikke er et primært anliggende, spiller FWC en mindre kritisk rolle i kameravalg og parameteroptimalisering. I disse tilfellene kan andre faktorer som lesestøy eller følsomhet dominere ytelseshensyn.
Avveininger mellom full brønnkapasitet og bildefrekvens
Noen vitenskapelige kameraer tilbyr flere avlesningsmoduser, og tilbyr forskjellige kombinasjoner av bildefrekvens, støyytelse og tilgjengelig full brønnkapasitet (FWC). I mange tilfeller kan høyere bildefrekvenser oppnås ved å redusere den effektive FWC.
Denne avveiningen kan være fordelaktig i høyhastighetsavbildning og avbildning i svakt lys der metningsrisikoen er minimal. Det krever imidlertid nøye vurdering av signalnivåer og eksponeringsmarginer for å sikre at datakvaliteten opprettholdes.
Hvor mye full brønnkapasitet trenger du?
I bildebehandling kan høyere bildekvalitet ofte være fordelaktig, og kan forbedres både ved økt signal-til-støy-forhold og dynamisk område. Både maksimalt mulig signal-til-støy-forhold og dynamisk område som et kamera kan levere er begrenset av FWC.
I praksis vil imidlertid bare noen bildebehandlingsapplikasjoner nå FWC-en til kameraene eller kameramodusene sine. Typiske vitenskapelige kameraer kan ha full brønnkapasitet på minst over 10 000 e, ofte rundt 30–80 000 e. Selv om noen applikasjoner krever svært høy FWC, er det i mange applikasjoner som kreverkameraer med høy følsomhet, signalene vil være mange ganger (eller til og med størrelsesordener) lavere enn disse maksimumsverdiene.
Eksempel: Typiske maksimale signaler i forskjellige bildebehandlingsapplikasjoner
Ulike bildebehandlingsteknikker har ofte svært forskjellige typiske maksimale signalnivåer. En gitt FWC oppnås ofte i en avveining med andre kameraspesifikasjoner, og det er klokt å tilpasse kamera- eller kameramodusvalg til det forventede signalet. Nedenfor er noen eksempler på maksimale signaler som vanligvis sees i forskjellige bildebehandlingsapplikasjoner.
●Avbildning av enkeltmolekyler: 5-500e-
●Levende celleavbildning: 50–1000 e-
● Konfokal roterende disk: 20–1000e-
●Kalsiumavbildning: 100–5 000 e-
● Dokumentasjonsavbildning med fast fluorescensprøve: 2000–20 000 e-
● Lysfelt-/gjennomsiktig lysavbildning: 1000–100 000 e-
● Avbildning av høyintensivt omgivelseslys: 1000–100 000+ e-
Konklusjon
FWC blir ofte sett på som en sensorspesifikasjon, men dens betydning strekker seg til bildeytelse på systemnivå. Utover å definere det maksimale målbare signalet på pikselnivå, bestemmer FWC hvor mye eksponerings- og belysningsfleksibilitet en bildearbeidsflyt kan tolerere før metning eller ikke-linearitet oppstår.
Vanlige spørsmål
Hvorfor mettes bilder lettere ved høye opptakshastigheter?
Ved høye opptakshastigheter blir eksponeringstid og lysmarginer mer begrenset. Hvis FWC er utilstrekkelig, når lyse områder metning raskt, noe som tvinger frem kortere eksponeringer som reduserer det totale dynamiske området.
Hvorfor reduserer økt bildefrekvens det brukbare dynamiske området?
Høyere bildefrekvenser krever ofte kortere eksponeringstider eller forskjellige avlesningsmoduser som begrenser tilgjengelig FWC. Dette innsnevrer det brukbare signalområdet og øker risikoen for metning eller støydominerte målinger.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rettigheter forbeholdt. Vennligst oppgi kilden ved sitering:www.tucsen.com
