Объяснение понятия "полная емкость скважины": насыщение, динамический диапазон и частота кадров

В научной визуализации максимально яркий сигнал, который камера может точно зафиксировать, определяется не только временем экспозиции или освещением, но и тем, какой объем сигнала может вместить каждый пиксель, прежде чем...насыщенность пикселяпроисходит.

Верхний предел определяется полной емкостью пикселя. Как только пиксель насыщается, регистрируемая интенсивность перестает отражать истинный уровень сигнала, что приводит к ошибкам измерения и потере количественной информации.

Как результат,полная вместимость скважины (ФВК)играет решающую роль в приложениях, требующих большого динамического диапазона, где сильные и слабые сигналы должны быть одновременно зафиксированы на одном изображении.

Что такое полная емкость скважины (FWC)?

Полная вместимость скважины (ФВК) пикселя относится кмаксимальное количество фотоэлектроновкоторый можно измерить. В большинстве случаев этот предел определяется физической конструкцией пикселя: обнаруженные фотоэлектроны во время экспозиции накапливаются в конечной потенциальной яме, которая может удерживать лишь ограниченный заряд.

Рисунок 1. Визуализирует взаимосвязь между полной емкостью скважины и динамическим диапазоном.

(А)Низкая полная емкость ячейки приводит к потере яркой сигнальной информации на изображении.

(Б)Высокая полная емкость ячейки позволяет сохранять информацию о сигнале во всем диапазоне интенсивности.

Как показано на рисунке 1, более высокая полная емкость скважины (FWC) расширяет диапазон полезного сигнала и эффективный динамический диапазон.

При высоких уровнях сигнала, по мере заполнения пиксельной ямы, накопленный заряд уменьшает электрическое поле внутри потенциальной ямы. Это ограничивает способность пикселя собирать дополнительные фотоэлектроны и вносит нелинейность в отклик датчика при высоких уровнях сигнала, часто сопровождающуюся снижением эффективной квантовой эффективности.

Терминлинейная полная емкость скважины (линейный FWC)Этот параметр используется для описания наивысшего уровня сигнала, при котором не наблюдается заметной нелинейности. Это значение представляет собой максимальный сигнал, который можно измерить, сохраняя при этом линейную зависимость от света, и это наиболее часто указываемая характеристика в технических описаниях научных камер.

На практике термин FWC также используется для обозначения емкости насыщения или сигнала насыщения.который ограничен разрядностью и разрешением АЦП., определяемый максимально возможным уровнем серого, заданным битовой глубиной камеры.

Хотя в некоторых системах эти значения могут совпадать,научные камерыЧасто предусмотрены несколько режимов считывания с различными динамическими диапазонами АЦП. В таких случаях режимы с меньшей разрядностью могут использовать только часть доступной физической емкости канала связи.

Как работает FWC на уровне пикселей?

В процессе экспозиции падающие фотоны генерируют электроны внутри кремниевого сенсора. Эти электроны собираются и хранятся в пиксельной ячейке до момента считывания.

Каждый пиксель имеет максимальное количество электронов, которое он может вместить. Насыщение может произойти либо при превышении физической емкости пикселя, либо при достижении максимального значения цифровой шкалы серого. После достижения насыщения дополнительная информация о сигнале теряется и больше не может быть точно количественно оценена.

Полная загрузка скважины в условиях смешанных сигналов

В идеале, время экспозиции и уровни освещенности настраиваются таким образом, чтобы полностью избежать насыщения пикселей. Однако это становится сложной задачей в сценах, где яркие и тусклые сигналы сосуществуют в одном поле зрения.

Сокращение времени экспозиции или освещения для предотвращения насыщения ярких областей часто приводит к тому, что слабые сигналы оказываются близки к уровню шума, что затрудняет их обнаружение или количественное измерение. В таких случаях шум может доминировать в областях со слабыми сигналами.

Более высокое значение FWC увеличивает полезный диапазон экспозиции и освещения, позволяя более надежно обнаруживать слабые сигналы без насыщения более ярких объектов. Это напрямую повышает надежность измерений в сценариях визуализации с высоким динамическим диапазоном.

(Более подробное обсуждение этой взаимосвязи см. в разделе глоссария «Динамический диапазон».)

Когда полная загрузка скважины имеет меньшее значение?

В приложениях, работающих исключительно в условиях низкой освещенности, или где динамический диапазон не является первостепенной задачей, коэффициент пропускания света играет менее критичную роль при выборе камеры и оптимизации параметров. В таких случаях другие факторы, такие как шум считывания или чувствительность, могут доминировать при оценке производительности.

Компромисс между полной загрузкой скважины и частотой кадров

Некоторые научные камеры предоставляют несколько режимов считывания, предлагая различные комбинации частоты кадров, уровня шума и доступной полной емкости ячейки (FWC). Во многих случаях более высокая частота кадров может быть достигнута за счет уменьшения эффективной FWC.

Такой компромисс может быть выгоден в сценариях высокоскоростной съемки и съемки в условиях низкой освещенности, где риск насыщения минимален. Однако он требует тщательного учета уровней сигнала и запасов экспозиции для обеспечения сохранения качества данных.

Какая полная вместимость скважины вам необходима?

В фотосъемке более высокое качество изображения часто бывает полезным и может быть улучшено как за счет увеличения отношения сигнал/шум, так и за счет повышения динамического диапазона. Как максимально возможное отношение сигнал/шум, так и динамический диапазон, которые может обеспечить камера, ограничены коэффициентом пропускания света (FWC).

Однако на практике лишь некоторые приложения для обработки изображений достигают значения емкости полного заряда (FWC) своих камер или режимов работы камеры. Типичные научные камеры могут иметь емкость полного заряда не менее 10 000 электронов, часто около 30-80 000 электронов. Хотя некоторые приложения требуют очень высокой емкости полного заряда, во многих приложениях, требующихвысокочувствительные камерыСигналы будут повторяться много раз (или даже порядки величины) ниже этих максимальных значений.

Пример: Типичные максимальные значения сигнала в различных приложениях обработки изображений.

Различные методы получения изображений часто имеют очень разные типичные максимальные уровни сигнала. Заданный уровень FWC часто достигается путем компромисса с другими характеристиками камеры, поэтому целесообразно подбирать камеру или режим работы камеры в соответствии с ожидаемым уровнем сигнала. Ниже приведены некоторые примеры максимальных уровней сигнала, обычно наблюдаемых в различных приложениях для получения изображений.

●Визуализация отдельных молекул: 5-500e-

●Прижизненная визуализация клеток: 50-1000e-

● Конфокальный микроскоп с вращающимся диском: 20-1000e-

●Кальциевая визуализация: 100-5000 e-

● Фиксированная флуоресцентная визуализация образцов: 2000-20000e-

● Изображение в светлом поле/проходящем свете: 1000-100000e-

● Съемка при высокой интенсивности окружающего света: 1000-100 000+ e-

Заключение

FWC часто рассматривается как спецификация сенсора, но его значение распространяется и на производительность системы обработки изображений. Помимо определения максимального измеримого сигнала на уровне пикселя, FWC определяет, насколько гибкость экспозиции и освещения может допускать рабочий процесс обработки изображений до наступления насыщения или нелинейности.

Часто задаваемые вопросы

Почему изображения легче перенасыщаются при высоких скоростях съемки?

При высоких скоростях съемки время экспозиции и запас по освещенности становятся более ограниченными. Если коэффициента мощности (FWC) недостаточно, яркие области быстро достигают насыщения, что приводит к сокращению выдержки и уменьшению общего динамического диапазона.

Почему увеличение частоты кадров снижает полезный динамический диапазон?

Более высокая частота кадров часто требует более короткого времени экспозиции или других режимов считывания, что ограничивает доступный диапазон FWC. Это сужает диапазон используемого сигнала и увеличивает риск насыщения или измерений с преобладанием шума.