25/08/12Хотя на рынке потребительских фотоаппаратов доминируют цветные камеры, для научной съемки чаще используются монохромные камеры.
Сенсоры камер изначально не способны определять цвет или длину волны собираемого ими света. Получение цветного изображения требует ряда компромиссов в чувствительности и пространственной дискретизации. Однако во многих приложениях визуализации, таких как патология, гистология или некоторые промышленные исследования, цветовая информация крайне важна, поэтому цветные научные камеры по-прежнему широко распространены.
В этой статье рассматривается, что такое цветные научные камеры, как они работают, их сильные и слабые стороны, а также в чем они превосходят свои монохромные аналоги в научных приложениях.
Что такое цветные научные камеры?
Цветная научная камера — это специализированное устройство для получения изображений, которое с высокой точностью, достоверностью и стабильностью фиксирует цветовую информацию в формате RGB. В отличие от цветных камер потребительского уровня, для которых важна визуальная привлекательность, научные цветные камеры разработаны для количественной визуализации, где точность цветопередачи, линейность матрицы и динамический диапазон имеют решающее значение.
Эти камеры широко используются в таких приложениях, как микроскопия светлого поля, гистология, анализ материалов и задачи машинного зрения, где визуальная интерпретация или цветовая классификация имеют решающее значение. Большинство цветных научных камер основаны на КМОП- или sCMOS-сенсорах, разработанных для удовлетворения строгих требований научных и промышленных исследований.
Для более подробного ознакомления с различными системами визуализации ознакомьтесь с нашей подборкой высокопроизводительных системнаучная камерамодели, созданные для профессионального применения.
Достижение цвета: фильтр Байера
Традиционно распознавание цвета в камерах осуществляется тем же способом, что и воспроизведение цвета на мониторах и экранах: путём объединения соседних красных, зелёных и синих пикселей в полноцветные «суперпиксели». Когда каналы R, G и B достигают максимальных значений, виден белый пиксель.
Поскольку кремниевые камеры не могут определить длину волны входящих фотонов, разделение каждого канала длины волны R, G или B должно осуществляться с помощью фильтрации.
В красных пикселях над каждым пикселем накладывается отдельный фильтр, блокирующий все длины волн, кроме тех, что находятся в красной части спектра, и аналогично для синего и зелёного. Однако для получения квадратной мозаики в двух измерениях, несмотря на наличие трёх цветовых каналов, суперпиксель формируется из одного красного, одного синего и двух зелёных пикселей, как показано на рисунке.
Схема фильтра Байера для цветных камер
ПРИМЕЧАНИЕ: Схема цветных фильтров, добавляемых к отдельным пикселям для цветных камер с использованием фильтра Байера, с использованием повторяющихся квадратных блоков по 4 пикселя: зелёный, красный, синий, зелёный. Порядок внутри блока может отличаться.
Зеленые пиксели имеют приоритет, поскольку большинство источников света (от солнца до белых светодиодов) демонстрируют пиковую интенсивность в зеленой части спектра, а также потому, что светочувствительные элементы (от кремниевых датчиков камер до наших глаз) обычно имеют пиковую чувствительность в зеленом цвете.
Однако когда дело доходит до анализа и отображения изображений, изображения обычно не предоставляются пользователю с пикселями, отображающими только свое значение R, G или B. Для каждого пикселя камеры создается трехканальное значение RGB путем интерполяции значений соседних пикселей в процессе, называемом «дебайеризацией».
Например, каждый красный пиксель будет генерировать зеленое значение либо как среднее значение четырех соседних зеленых пикселей, либо с помощью какого-либо другого алгоритма, то же самое относится и к четырем соседним синим пикселям.
Плюсы и минусы цвета
Плюсы
● Вы можете увидеть это в цвете! Цвет передаёт ценную информацию, которая улучшает интерпретацию результатов, особенно при анализе биологических образцов или материалов.
● Гораздо проще получать цветные изображения RGB, чем последовательные изображения R, G и B с помощью монохромной камеры.
Минусы
● Чувствительность цветных камер значительно ниже, чем у их монохромных аналогов, в зависимости от длины волны. В красной и синей части спектра, поскольку только один из четырёх пиксельных фильтров пропускает эти длины волн, светопропускание составляет не более 25% от светопропускания аналогичной монохромной камеры в этих длинах волн. В зелёной части этот показатель составляет 50%. Кроме того, ни один фильтр не идеален: пиковое пропускание будет меньше 100% и может быть значительно ниже в зависимости от конкретной длины волны.
● Разрешение мелких деталей также ухудшается, поскольку частота дискретизации уменьшается на те же коэффициенты (до 25% для R, B и до 50% для G). В случае красных пикселей, когда только 1 из 4 пикселей захватывает красный свет, эффективный размер пикселя для расчета разрешения в 2 раза больше в каждом измерении.
● Цветные камеры также обязательно оснащены инфракрасным (ИК) фильтром. Это связано со способностью кремниевых камер обнаруживать некоторые длины волн ИК-излучения, невидимые человеческому глазу, от 700 до примерно 1100 нм. Если бы это ИК-излучение не отфильтровывалось, оно повлияло бы на баланс белого, что привело бы к неточной цветопередаче, и полученное изображение не соответствовало бы тому, что видит глаз. Следовательно, это ИК-излучение необходимо отфильтровывать, что означает, что цветные камеры нельзя использовать для визуализации, где используются эти длины волн.
Как работают цветные камеры?
Пример типичной кривой квантовой эффективности цветной камеры
ПРИМЕЧАНИЕ: Зависимость квантовой эффективности от длины волны показана отдельно для пикселей с красным, синим и зелёным фильтрами. Также показана квантовая эффективность того же сенсора без цветных фильтров. Добавление цветных фильтров значительно снижает квантовую эффективность.
Сердцем научной цветной камеры является ее датчик изображения, обычноКМОП-камера or sCMOS-камера(научная КМОП-матрица), оснащенная фильтром Байера. Рабочий процесс от захвата фотонов до вывода изображения включает несколько ключевых этапов:
1. Обнаружение фотонов: свет попадает в объектив и попадает на датчик. Каждый пиксель чувствителен к определённой длине волны в зависимости от установленного в нём цветового фильтра.
2. Преобразование заряда: фотоны генерируют электрический заряд в фотодиоде под каждым пикселем.
3. Считывание и усиление: заряды преобразуются в напряжения, считываются строка за строкой и оцифровываются аналого-цифровыми преобразователями.
4. Реконструкция цвета: встроенный процессор камеры или внешнее программное обеспечение интерполирует полноцветное изображение из отфильтрованных данных, используя алгоритмы демозаики.
5. Коррекция изображения: Для обеспечения точного и надежного вывода применяются этапы постобработки, такие как коррекция плоского поля, баланс белого и шумоподавление.
Производительность цветной камеры во многом зависит от технологии её сенсора. Современные КМОП-сенсоры обеспечивают высокую частоту кадров и низкий уровень шума, а sCMOS-сенсоры оптимизированы для работы в условиях низкой освещённости и широкого динамического диапазона, что критически важно для научной работы. Эти основополагающие принципы задают основу для сравнения цветных и монохромных камер.
Цветные и монохромные камеры: основные различия
Сравнение цветных и монохромных изображений, полученных с помощью камер при работе в условиях низкой освещенности
ПРИМЕЧАНИЕ: Флуоресцентное изображение с красным излучением, полученное цветной камерой (слева) и монохромной камерой (справа), при этом остальные характеристики камеры остались прежними. Цветное изображение демонстрирует значительно более низкое соотношение сигнал/шум и разрешение.
Хотя цветные и монохромные камеры во многом схожи по компонентам, их производительность и области применения существенно различаются. Вот краткое сравнение:
| Особенность | Цветная камера | Монохромная камера |
| Тип датчика | КМОП/sКМОП с фильтром Байера | Нефильтрованная CMOS/sCMOS |
| Светочувствительность | Ниже (из-за цветных фильтров, блокирующих свет) | Выше (нет потерь света на фильтры) |
| Пространственное разрешение | Более низкое эффективное разрешение (демозаика) | Полное собственное разрешение |
| Идеальное применение | Светлопольная микроскопия, гистология, осмотр материалов | Флуоресценция, визуализация при слабом освещении, высокоточные измерения |
| Цветовые данные | Захватывает полную информацию RGB | Снимает только оттенки серого |
Короче говоря, цветные камеры лучше всего подходят, когда цвет важен для интерпретации или анализа, в то время как монохромные камеры идеальны с точки зрения чувствительности и точности.
Где цветные камеры преуспевают в научных приложениях
Несмотря на свои ограничения, цветные камеры превосходят все остальные во многих специализированных областях, где цветоразличение имеет решающее значение. Ниже приведены несколько примеров их превосходства:
Науки о жизни и микроскопия
Цветные камеры широко используются в микроскопии светлого поля, особенно при гистологическом анализе. Такие методы окрашивания, как гематоксилином и эозином или по Граму, создают цветовой контраст, который можно интерпретировать только с помощью RGB-визуализации. Образовательные лаборатории и патологоанатомические отделения также используют цветные камеры для получения реалистичных изображений биологических образцов в учебных или диагностических целях.
Материаловедение и анализ поверхности
В материаловедении цветная визуализация ценна для выявления коррозии, окисления, покрытий и границ материалов. Цветные камеры помогают обнаружить едва заметные изменения в качестве поверхности или дефекты, которые могут быть пропущены при монохромном сканировании. Например, оценка композитных материалов или печатных плат часто требует точной цветопередачи.
Машинное зрение и автоматизация
В автоматизированных системах контроля цветные камеры используются для сортировки объектов, обнаружения дефектов и проверки маркировки. Они позволяют алгоритмам машинного зрения классифицировать детали или изделия на основе цветовых сигналов, повышая точность автоматизации производства.
Образование, документирование и пропаганда
Научным учреждениям часто требуются высококачественные цветные изображения для публикаций, заявок на гранты и информационно-просветительской деятельности. Цветное изображение обеспечивает более наглядное и визуально привлекательное представление научных данных, особенно для междисциплинарной коммуникации или взаимодействия с общественностью.
Заключительные мысли
Цветные научные камеры играют важнейшую роль в современных процессах визуализации, где важна цветовая дифференциация. Хотя они могут уступать монохромным камерам по чувствительности или разрешению, их способность создавать естественные, интерпретируемые изображения делает их незаменимыми в самых разных областях: от наук о жизни до промышленного контроля.
Выбирая между цветной и монохромной съёмкой, учитывайте свои цели. Если ваша задача требует работы при слабом освещении, высокой чувствительности или флуоресцентной съёмки, монохромная научная камера может стать лучшим вариантом. Но для светлопольной съёмки, анализа материалов или любых задач, связанных с цветной информацией, цветное решение может быть идеальным.
Чтобы изучить современные системы цветной визуализации для научных исследований, просмотрите нашу полную линейку высокопроизводительных CMOS-камер и моделей sCMOS, адаптированных под ваши потребности.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Все права защищены. При цитировании, пожалуйста, указывайте источник:www.tucsen.com
