2022/05/13W obrazowaniu naukowym najjaśniejszy sygnał, jaki kamera może dokładnie zarejestrować, nie jest określany wyłącznie przez czas ekspozycji lub oświetlenie, ale przez to, ile sygnału może pomieścić każdy piksel przednasycenie pikseliwystępuje.
Pełna pojemność studni spektralnej piksela definiuje tę górną granicę. Gdy piksel ulegnie nasyceniu, jego zarejestrowana intensywność nie odzwierciedla już rzeczywistego poziomu sygnału, co prowadzi do błędów pomiaru i utraty informacji ilościowych.
W rezultacie,pełna wydajność studni (FWC)odgrywa kluczową rolę w zastosowaniach wymagających dużego zakresu dynamiki, w których silne i słabe sygnały muszą być rejestrowane jednocześnie w tym samym obrazie.
Czym jest pełna wydajność odwiertu (FWC)?
Pełna wydajność studni (FWC) piksela odnosi się domaksymalna liczba fotoelektronówktóre można zmierzyć. W większości przypadków limit ten jest określony przez fizyczną konstrukcję piksela: wykryte fotoelektrony są przechowywane w skończonej studni potencjału podczas ekspozycji, która może pomieścić jedynie ograniczony ładunek.
Rysunek 1. wizualizuje związek między pełną pojemnością odwiertu a zakresem dynamicznym
(A)Niska pojemność studni powoduje utratę jasnych informacji o sygnale w obrazie.
(B)Duża pojemność studni pozwala zachować informacje o sygnale w całym zakresie intensywności.
Jak pokazano na rysunku 1, większa pełna pojemność studni (FWC) zwiększa użyteczny zakres sygnału i efektywny zakres dynamiki.
Przy wysokich poziomach sygnału, wraz z zapełnianiem się studni pikselowej, zgromadzony ładunek zmniejsza pole elektryczne w studni potencjału. Ogranicza to zdolność piksela do gromadzenia dodatkowych fotoelektronów i wprowadza nieliniowość w reakcji czujnika przy wysokich poziomach sygnału, czemu często towarzyszy spadek efektywnej wydajności kwantowej.
Terminliniowa pełna pojemność studni (liniowy FWC)Służy do opisu najwyższego poziomu sygnału, przy którym nie występuje obserwowalna nieliniowość. Wartość ta reprezentuje maksymalny sygnał, jaki można zmierzyć, zachowując jednocześnie liniową reakcję na światło i jest to specyfikacja najczęściej podawana w kartach katalogowych aparatów naukowych.
W praktyce termin FWC jest również używany w odniesieniu do pojemności nasycenia lub sygnału nasycenia,który jest ograniczony przez głębokość bitową i rozdzielczość ADC, zdefiniowany przez maksymalny możliwy poziom szarości określony przez głębię bitową kamery.
Choć w niektórych systemach wartości te mogą się pokrywać,kamery naukoweCzęsto oferują wiele trybów odczytu z różnymi zakresami dynamiki przetwornika ADC. W takich przypadkach tryby o niższej głębokości bitowej mogą korzystać tylko z części dostępnego fizycznego FWC.
Jak FWC działa na poziomie pikseli?
Podczas naświetlania obrazu padające fotony generują elektrony w czujniku krzemowym. Elektrony te są gromadzone i przechowywane w studni pikselowej do momentu rozpoczęcia odczytu.
Każdy piksel ma maksymalną liczbę elektronów, jaką może pomieścić. Nasycenie może wystąpić albo w momencie przekroczenia fizycznej pojemności piksela, albo gdy wartość cyfrowej skali szarości osiągnie swój maksymalny limit. Po osiągnięciu nasycenia, dodatkowe informacje o sygnale zostają utracone i nie można ich już dokładnie zmierzyć.
Pełna pojemność studni w scenach z sygnałem mieszanym
W idealnym przypadku czas ekspozycji i poziomy oświetlenia są skonfigurowane tak, aby całkowicie uniknąć nasycenia pikseli. Staje się to jednak trudne w scenach, w których jasne i słabe sygnały współistnieją w tym samym polu widzenia.
Skrócenie czasu ekspozycji lub oświetlenia w celu zapobieżenia nasyceniu jasnych obszarów często powoduje, że słabe sygnały zbliżają się do poziomu szumu, co utrudnia wiarygodną detekcję lub pomiar ilościowy. W takich przypadkach szum może zdominować obszary słabego sygnału.
Wyższy współczynnik FWC zwiększa użyteczny zakres ekspozycji i oświetlenia, umożliwiając bardziej niezawodne wykrywanie słabych sygnałów bez nasycania jaśniejszych obiektów. To bezpośrednio poprawia stabilność pomiaru w scenariuszach obrazowania o wysokim zakresie dynamiki.
(Bardziej szczegółowe omówienie tej zależności można znaleźć w sekcji słownika terminów Dynamic Range.)
Kiedy pełna pojemność studni ma mniejsze znaczenie?
W aplikacjach działających wyłącznie w warunkach słabego oświetlenia lub w których zakres dynamiczny nie jest priorytetem, FWC odgrywa mniej istotną rolę w wyborze kamery i optymalizacji parametrów. W takich przypadkach inne czynniki, takie jak szum odczytu lub czułość, mogą mieć decydujący wpływ na wydajność.
Kompromisy między pełną pojemnością studni a szybkością klatek
Niektóre kamery naukowe oferują wiele trybów odczytu, oferując różne kombinacje liczby klatek na sekundę, redukcji szumów i dostępnej pojemności studni (FWC). W wielu przypadkach wyższą liczbę klatek na sekundę można osiągnąć poprzez zmniejszenie efektywnej pojemności studni (FWC).
Ten kompromis może być korzystny w przypadku obrazowania z dużą prędkością i przy słabym oświetleniu, gdzie ryzyko nasycenia jest minimalne. Wymaga jednak starannego rozważenia poziomów sygnału i marginesów ekspozycji, aby zapewnić jakość danych.
Jaka jest potrzebna pełna pojemność studni?
W obrazowaniu wyższa jakość obrazu często może być korzystna i można ją poprawić zarówno poprzez zwiększenie stosunku sygnału do szumu, jak i zakresu dynamiki. Zarówno maksymalny możliwy współczynnik SNR, jak i zakres dynamiki, jaki może zapewnić kamera, są ograniczone przez FWC.
Jednak w praktyce tylko niektóre aplikacje obrazowania osiągają FWC swoich kamer lub trybów kamer. Typowe kamery naukowe mogą mieć pełną pojemność studni co najmniej powyżej 10 000 e-, często około 30-80 000 e-. Chociaż niektóre aplikacje wymagają bardzo wysokiej FWC, w wielu aplikacjach wymagającychkamery o wysokiej czułości, sygnały będą wielokrotnie (lub nawet rzędy wielkości) niższe od tych wartości maksymalnych.
Przykład: Typowe maksymalne sygnały w różnych zastosowaniach obrazowania
Różne techniki obrazowania często charakteryzują się bardzo różnymi typowymi maksymalnymi poziomami sygnału. Dany poziom FWC jest często osiągany w kompromisie z innymi specyfikacjami kamer, dlatego rozsądne jest dopasowanie kamery lub trybu pracy kamery do oczekiwanego sygnału. Poniżej przedstawiono przykładowe maksymalne poziomy sygnału obserwowane zazwyczaj w różnych zastosowaniach obrazowania.
●Obrazowanie pojedynczych cząsteczek: 5-500e-
●Obrazowanie żywych komórek: 50-1000e-
● Wirujący dysk konfokalny: 20-1000e-
●Obrazowanie wapnia: 100-5000 e-
● Stała dokumentacja obrazowania fluorescencji próbki: 2000-20 000e-
● Obrazowanie w jasnym polu/światle przechodzącym: 1000–100 000 e-
● Obrazowanie przy dużym natężeniu światła otoczenia: 1000–100 000+ e-
Wniosek
FWC jest często postrzegany jako specyfikacja czujnika, ale jego znaczenie rozciąga się na wydajność obrazowania na poziomie systemu. Poza zdefiniowaniem maksymalnego mierzalnego sygnału na poziomie pikseli, FWC określa, jaką elastyczność ekspozycji i oświetlenia może tolerować proces obrazowania, zanim wystąpi nasycenie lub nieliniowość.
Często zadawane pytania
Dlaczego obrazy ulegają większemu nasyceniu przy dużych prędkościach akwizycji?
Przy wysokich prędkościach akwizycji, czas ekspozycji i marginesy oświetlenia stają się bardziej ograniczone. Jeśli FWC jest niewystarczające, jasne obszary szybko osiągają nasycenie, wymuszając krótsze ekspozycje, które zmniejszają ogólny zakres dynamiczny.
Dlaczego zwiększenie liczby klatek na sekundę zmniejsza użyteczny zakres dynamiki?
Wyższe częstotliwości klatek często wymagają krótszych czasów ekspozycji lub różnych trybów odczytu, które ograniczają dostępny FWC. To zawęża użyteczny zakres sygnału i zwiększa ryzyko pomiarów przesyconych lub zdominowanych przez szum.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Wszelkie prawa zastrzeżone. Przy cytowaniu prosimy o podanie źródła:www.tucsen.com
