25/08/12Deși camerele color domină piața camerelor de consum, camerele monocrome sunt mai frecvente în imagistica științifică.
Senzorii camerelor nu sunt în mod inerent capabili să detecteze culoarea sau lungimea de undă a luminii pe care o colectează. Obținerea unei imagini color necesită o serie de compromisuri în ceea ce privește sensibilitatea și eșantionarea spațială. Cu toate acestea, în multe aplicații de imagistică, cum ar fi patologia, histologia sau unele inspecții industriale, informațiile despre culoare sunt esențiale, așa că camerele științifice color sunt încă obișnuite.
Acest articol explorează ce sunt camerele științifice color, cum funcționează, punctele lor forte și limitele și unde le depășesc pe cele monocrome în aplicațiile științifice.
Ce sunt camerele științifice color?
O cameră științifică color este un dispozitiv specializat de imagistică care captează informații despre culorile RGB cu fidelitate, precizie și consistență ridicate. Spre deosebire de camerele color de consum care prioritizează aspectul vizual, camerele color științifice sunt proiectate pentru imagistică cantitativă, unde acuratețea culorilor, liniaritatea senzorului și gama dinamică sunt cruciale.
Aceste camere sunt utilizate pe scară largă în aplicații precum microscopia în câmp luminos, histologia, analiza materialelor și sarcini de viziune artificială, unde interpretarea vizuală sau clasificarea bazată pe culori este esențială. Majoritatea camerelor științifice color sunt bazate pe senzori CMOS sau sCMOS, concepuți pentru a satisface cerințele riguroase ale cercetării științifice și industriale.
Pentru o analiză detaliată a diferitelor sisteme de imagistică, explorați selecția noastră de sisteme de înaltă performanțăcameră științificămodele construite pentru aplicații profesionale.
Obținerea culorii: Filtrul Bayer
În mod convențional, detectarea culorilor în camerele foto se realizează prin aceleași mijloace ca și reproducerea culorilor pe monitoare și ecrane: prin combinarea pixelilor roșii, verzi și albaștri din apropiere în „superpixeli” color. Când canalele R, G și B sunt toate la valoarea lor maximă, se vede un pixel alb.
Deoarece camerele cu siliciu nu pot detecta lungimea de undă a fotonilor de intrare, separarea fiecărui canal de lungime de undă R, G sau B trebuie realizată prin filtrare.
În pixelii roșii, un filtru individual este plasat peste pixel pentru a bloca toate lungimile de undă, cu excepția celor din partea roșie a spectrului, și la fel pentru albastru și verde. Cu toate acestea, pentru a obține o placare pătrată în două dimensiuni, în ciuda faptului că are trei canale de culoare, se formează un superpixel dintr-un pixel roșu, unul albastru și doi pixeli verzi, așa cum se arată în figură.
Aspectul filtrului Bayer pentru camerele color
NOTAAranjamentul filtrelor de culoare adăugate pixelilor individuali pentru camerele color folosind aspectul filtrului Bayer, folosind unități pătrate repetate de 4 pixeli: verde, roșu, albastru, verde. Ordinea în cadrul unității de 4 pixeli poate diferi.
Pixelii verzi sunt prioritizați atât pentru că majoritatea surselor de lumină (de la soare la LED-urile albe) își prezintă intensitatea maximă în partea verde a spectrului, cât și pentru că detectoarele de lumină (de la senzorii camerelor pe bază de siliciu până la ochii noștri) ating de obicei un vârf de sensibilitate în verde.
Când vine vorba de analiza și afișarea imaginilor, însă, imaginile nu sunt de obicei livrate utilizatorului cu pixeli care afișează fiecare doar valoarea sa R, G sau B. O valoare RGB pe 3 canale este creată pentru fiecare pixel al camerei, prin interpolarea valorilor pixelilor din apropiere, într-un proces numit „debayering”.
De exemplu, fiecare pixel roșu va genera o valoare verde, fie din media celor patru pixeli verzi din apropiere, fie printr-un alt algoritm, și la fel pentru cei patru pixeli albaștri din apropiere.
Pro și contra culorii
Avantaje
● Poți vedea asta în culori! Culoarea transmite informații valoroase care îmbunătățesc interpretarea umană, în special atunci când se analizează probe biologice sau materiale.
● Mult mai simplu de capturat imagini color RGB față de capturarea secvențială de imagini R, G și B folosind o cameră monocromă
Contra
● Sensibilitatea camerelor color este redusă drastic în comparație cu cea a variantelor monocrome, în funcție de lungimea de undă. În partea roșie și albastră a spectrului, deoarece doar unul din patru filtre de pixeli trece prin aceste lungimi de undă, colectarea luminii este de cel mult 25% din cea a unei camere monocrome echivalente pe aceste lungimi de undă. În verde, factorul este de 50%. În plus, niciun filtru nu este perfect: transmisia de vârf va fi mai mică de 100% și poate fi mult mai mică în funcție de lungimea de undă exactă.
● Rezoluția detaliilor fine este, de asemenea, înrăutățită, deoarece ratele de eșantionare sunt reduse de aceiași factori (la 25% pentru R, B și la 50% pentru G). În cazul pixelilor roșii, unde doar 1 din 4 pixeli captează lumina roșie, dimensiunea efectivă a pixelului pentru calcularea rezoluției este de 2 ori mai mare în fiecare dimensiune.
● Camerele color includ invariabil și un filtru infraroșu (IR). Acest lucru se datorează capacității camerelor cu siliciu de a detecta anumite lungimi de undă IR invizibile ochiului uman, de la 700 nm la aproximativ 1100 nm. Dacă această lumină IR nu ar fi filtrată, ar afecta balansul de alb, rezultând o reproducere inexactă a culorilor, iar imaginea produsă nu s-ar potrivi cu ceea ce se vede cu ochiul liber. Prin urmare, această lumină IR trebuie filtrată, ceea ce înseamnă că camerele color nu pot fi utilizate pentru aplicații de imagistică, care utilizează aceste lungimi de undă.
Cum funcționează camerele color?
Exemplu de curbă tipică a eficienței cuantice a unei camere color
NOTADependența lungimii de undă a eficienței cuantice este prezentată separat pentru pixeli cu filtru roșu, albastru și verde. De asemenea, este prezentată eficiența cuantică a aceluiași senzor fără filtre de culoare. Adăugarea de filtre de culoare reduce semnificativ eficiența cuantică.
Nucleul unei camere color științifice este senzorul său de imagine, de obicei unCameră CMOS or cameră sCMOS(CMOS științific), echipat cu un filtru Bayer. Fluxul de lucru de la captura de fotoni până la ieșirea imaginii implică mai mulți pași cheie:
1. Detectarea fotonilor: Lumina intră în lentilă și atinge senzorul. Fiecare pixel este sensibil la o anumită lungime de undă, în funcție de filtrul de culoare pe care îl conține.
2. Conversia sarcinii: Fotonii generează o sarcină electrică în fotodioda de sub fiecare pixel.
3. Citire și amplificare: Sarcinile sunt convertite în tensiuni, citite rând cu rând și digitalizate prin convertoare analog-digitale.
4. Reconstrucția culorilor: Procesorul încorporat al camerei sau software-ul extern interpolează imaginea color din datele filtrate folosind algoritmi de demosaicizare.
5. Corecția imaginii: Pași de post-procesare, cum ar fi corecția câmpului plat, balansul de alb și reducerea zgomotului, sunt aplicați pentru a asigura un rezultat precis și fiabil.
Performanța unei camere color depinde în mare măsură de tehnologia senzorilor săi. Senzorii CMOS moderni oferă rate mari de cadre pe secundă și zgomot redus, în timp ce senzorii sCMOS sunt optimizați pentru sensibilitate la lumină slabă și o gamă dinamică largă, crucială pentru munca științifică. Aceste elemente fundamentale pregătesc terenul pentru compararea camerelor color și a celor monocrome.
Camere color vs. camere monocrome: diferențe cheie
Comparație între imaginile color și monocrome ale camerei pentru lucrări în condiții de lumină slabă
NOTAImagine fluorescentă cu emisie de lungime de undă roșie detectată de o cameră color (stânga) și o cameră monocromă (dreapta), celelalte specificații ale camerei rămânând aceleași. Imaginea color prezintă un raport semnal-zgomot și o rezoluție considerabil mai mici.
Deși camerele color și cele monocrome au multe componente în comun, diferențele dintre ele în ceea ce privește performanța și cazurile de utilizare sunt semnificative. Iată o scurtă comparație:
| Caracteristică | Cameră color | Cameră monocromă |
| Tip senzor | CMOS/sCMOS filtrat cu Bayer | CMOS/sCMOS nefiltrat |
| Sensibilitate la lumină | Mai mic (din cauza filtrelor de culoare care blochează lumina) | Mai mare (fără pierderi de lumină prin filtre) |
| Rezoluție spațială | Rezoluție efectivă mai mică (demosaicing) | Rezoluție nativă completă |
| Aplicații ideale | Microscopie în câmp luminos, histologie, inspecția materialelor | Fluorescență, imagistică în lumină slabă, măsurători de înaltă precizie |
| Date despre culoare | Capturează informații RGB complete | Capturează doar tonuri de gri |
Pe scurt, camerele color sunt cele mai bune atunci când culoarea contează pentru interpretare sau analiză, în timp ce camerele monocrome sunt ideale pentru sensibilitate și precizie.
Unde camerele color excelează în aplicațiile științifice
În ciuda limitărilor lor, camerele color se descurcă mai bine în multe domenii specializate în care distincția culorilor este esențială. Mai jos sunt câteva exemple în care excelează:
Științe ale vieții și microscopie
Camerele color sunt utilizate în mod obișnuit în microscopia cu câmp luminos, în special în analiza histologică. Tehnicile de colorare precum H&E sau colorarea Gram produc un contrast bazat pe culoare care poate fi interpretat doar cu imagistica RGB. Laboratoarele educaționale și departamentele de patologie se bazează, de asemenea, pe camere color pentru a captura imagini realiste ale specimenelor biologice în scopuri didactice sau de diagnostic.
Știința Materialelor și Analiza Suprafețelor
În cercetarea materialelor, imagistica color este valoroasă pentru identificarea coroziunii, oxidării, acoperirilor și a limitelor materialelor. Camerele color ajută la detectarea variațiilor subtile ale finisajului suprafeței sau a defectelor pe care imagistica monocromă le-ar putea rata. De exemplu, evaluarea materialelor compozite sau a plăcilor cu circuite imprimate necesită adesea o reprezentare precisă a culorilor.
Viziune artificială și automatizare
În sistemele automate de inspecție, camerele color sunt utilizate pentru sortarea obiectelor, detectarea defectelor și verificarea etichetării. Acestea permit algoritmilor de viziune artificială să clasifice piesele sau produsele pe baza indiciilor de culoare, sporind precizia automatizării în fabricație.
Educație, Documentare și Informare
Instituțiile științifice necesită adesea imagini color de înaltă calitate pentru publicații, propuneri de granturi și activități de informare. O imagine color oferă o reprezentare mai intuitivă și mai atractivă din punct de vedere vizual a datelor științifice, în special pentru comunicarea interdisciplinară sau implicarea publicului.
Gânduri finale
Camerele științifice color joacă un rol esențial în fluxurile de lucru moderne de imagistică, unde diferențierea culorilor este importantă. Deși este posibil să nu se compare cu camerele monocrome în ceea ce privește sensibilitatea sau rezoluția brută, capacitatea lor de a oferi imagini naturale și interpretabile le face indispensabile în domenii variind de la științele vieții la inspecția industrială.
Atunci când alegeți între color și monocrom, luați în considerare obiectivele de imagistică. Dacă aplicația dvs. necesită performanță în lumină slabă, sensibilitate ridicată sau detectare a fluorescenței, o cameră științifică monocromă ar putea fi cea mai bună opțiune. Însă pentru imagistica în câmp luminos, analiza materialelor sau orice sarcină care implică informații codificate prin culori, o soluție color poate fi ideală.
Pentru a explora sisteme avansate de imagistică color pentru cercetarea științifică, răsfoiți gama noastră completă de camere CMOS de înaltă performanță și modele sCMOS adaptate nevoilor dumneavoastră.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Toate drepturile rezervate. Când citați, vă rugăm să menționați sursa:www.tucsen.com
