25. 8. 2012Hoci na trhu s spotrebiteľskými fotoaparátmi dominujú farebné fotoaparáty, monochromatické fotoaparáty sú bežnejšie vo vedeckom zobrazovaní.
Snímače kamery nie sú inherentne schopné detekovať farbu alebo vlnovú dĺžku svetla, ktoré zachytávajú. Dosiahnutie farebného obrazu si vyžaduje množstvo kompromisov v citlivosti a priestorovom vzorkovaní. V mnohých zobrazovacích aplikáciách, ako je patológia, histológia alebo niektoré priemyselné kontroly, sú však informácie o farbe nevyhnutné, takže farebné vedecké kamery sú stále bežné.
Tento článok skúma, čo sú farebné vedecké kamery, ako fungujú, aké sú ich silné a slabé stránky a v čom prevyšujú svoje monochromatické náprotivky vo vedeckých aplikáciách.
Čo sú to farebné vedecké kamery?
Vedecká farebná kamera je špecializované zobrazovacie zariadenie, ktoré zachytáva farebné informácie RGB s vysokou vernosťou, presnosťou a konzistenciou. Na rozdiel od farebných kamier spotrebiteľskej triedy, ktoré uprednostňujú vizuálnu príťažlivosť, vedecké farebné kamery sú navrhnuté pre kvantitatívne zobrazovanie, kde je kľúčová presnosť farieb, linearita snímača a dynamický rozsah.
Tieto kamery sa široko používajú v aplikáciách, ako je mikroskopia vo svetlom poli, histológia, analýza materiálov a úlohy strojového videnia, kde je vizuálna interpretácia alebo klasifikácia na základe farieb nevyhnutná. Väčšina farebných vedeckých kamier je založená na senzoroch CMOS alebo sCMOS, ktoré sú navrhnuté tak, aby spĺňali prísne požiadavky vedeckého a priemyselného výskumu.
Pre podrobný pohľad na rôzne zobrazovacie systémy si pozrite náš výber vysokovýkonnýchvedecká kameramodely určené pre profesionálne použitie.
Dosiahnutie farby: Bayerov filter
Detekcia farieb vo fotoaparátoch sa bežne dosahuje rovnakými prostriedkami ako reprodukcia farieb na monitoroch a obrazovkách: kombináciou blízkych červených, zelených a modrých pixelov do plnofarebných „superpixelov“. Keď sú kanály R, G a B na maximálnej hodnote, je viditeľný biely pixel.
Keďže kremíkové kamery nedokážu detekovať vlnovú dĺžku prichádzajúcich fotónov, oddelenie každého kanála vlnovej dĺžky R, G alebo B sa musí dosiahnuť filtrovaním.
V červených pixeloch sa na pixel umiestni samostatný filter, ktorý blokuje všetky vlnové dĺžky okrem tých v červenej časti spektra, a rovnako aj pre modrú a zelenú. Aby sa však dosiahlo štvorcové obkladanie v dvoch rozmeroch napriek trom farebným kanálom, superpixel sa vytvorí z jedného červeného, jedného modrého a dvoch zelených pixelov, ako je znázornené na obrázku.
Rozloženie Bayerových filtrov pre farebné kamery
POZNÁMKARozloženie farebných filtrov pridaných k jednotlivým pixelom pre farebné kamery pomocou rozloženia Bayerových filtrov s použitím opakovaných štvorcových 4-pixelových jednotiek zelených, červených, modrých a zelených pixelov. Poradie v rámci 4-pixelovej jednotky sa môže líšiť.
Zelené pixely sú uprednostňované jednak preto, že väčšina svetelných zdrojov (od slnka po biele LED diódy) vykazuje svoju maximálnu intenzitu v zelenej časti spektra, a jednak preto, že svetelné detektory (od kremíkových kamerových senzorov až po naše oči) zvyčajne dosahujú maximálnu citlivosť v zelenej časti.
Pokiaľ ide o analýzu a zobrazenie obrazu, obrázky sa používateľovi zvyčajne nezobrazujú s pixelmi, z ktorých každý zobrazuje iba svoju hodnotu R, G alebo B. Pre každý pixel kamery sa vytvorí 3-kanálová hodnota RGB interpoláciou hodnôt blízkych pixelov v procese nazývanom „debayering“.
Napríklad každý červený pixel vygeneruje zelenú hodnotu, buď z priemeru štyroch blízkych zelených pixelov, alebo pomocou iného algoritmu, a podobne aj pre štyri blízke modré pixely.
Výhody a nevýhody farby
Výhody
● Vidíte to farebne! Farba poskytuje cenné informácie, ktoré zlepšujú ľudskú interpretáciu, najmä pri analýze biologických alebo materiálnych vzoriek.
● Oveľa jednoduchšie je zachytiť farebné snímky RGB v porovnaní so sekvenčným snímaním R, G a B snímok pomocou monochromatického fotoaparátu
Nevýhody
● Citlivosť farebných kamier je v porovnaní s ich monochromatickými náprotivkami drasticky znížená v závislosti od vlnovej dĺžky. V červenej a modrej časti spektra, pretože iba jeden zo štyroch pixelových filtrov prechádza týmito vlnovými dĺžkami, je zachytávanie svetla maximálne 25 % v porovnaní s ekvivalentnou monochromatickou kamerou v týchto vlnových dĺžkach. V zelenej časti je tento faktor 50 %. Okrem toho žiadny filter nie je dokonalý: maximálna priepustnosť bude menšia ako 100 % a môže byť oveľa nižšia v závislosti od presnej vlnovej dĺžky.
● Rozlíšenie jemných detailov sa tiež zhoršuje, pretože vzorkovacie frekvencie sa znižujú o tie isté faktory (na 25 % pre R, B a na 50 % pre G). V prípade červených pixelov, keď iba 1 zo 4 pixelov zachytáva červené svetlo, je efektívna veľkosť pixelu pre výpočet rozlíšenia v každom rozmere 2-krát väčšia.
● Farebné kamery tiež vždy obsahujú infračervený (IR) filter. Je to vďaka schopnosti kremíkových kamier detegovať niektoré infračervené vlnové dĺžky neviditeľné pre ľudské oko, od 700 nm do približne 1100 nm. Ak by toto infračervené svetlo nebolo odfiltrované, ovplyvnilo by to vyváženie bielej, čo by viedlo k nepresnej reprodukcii farieb a výsledný obraz by nezodpovedal tomu, čo vidí ľudské oko. Preto musí byť toto infračervené svetlo odfiltrované, čo znamená, že farebné kamery nemožno použiť na zobrazovacie aplikácie, ktoré tieto vlnové dĺžky využívajú.
Ako fungujú farebné kamery?
Príklad typickej krivky kvantovej účinnosti farebnej kamery
POZNÁMKAZávislosť kvantovej účinnosti od vlnovej dĺžky zobrazená samostatne pre pixely s červeným, modrým a zeleným filtrom. Zobrazená je aj kvantová účinnosť toho istého senzora bez farebných filtrov. Pridanie farebných filtrov výrazne znižuje kvantovú účinnosť.
Jadrom vedeckej farebnej kamery je jej obrazový snímač, zvyčajneCMOS kamera or sCMOS kamera(vedecký CMOS) vybavený Bayerovým filtrom. Pracovný postup od zachytenia fotónov až po obrazový výstup zahŕňa niekoľko kľúčových krokov:
1. Detekcia fotónov: Svetlo vstupuje do objektívu a dopadá na snímač. Každý pixel je citlivý na špecifickú vlnovú dĺžku na základe farebného filtra, ktorý nesie.
2. Konverzia náboja: Fotóny generujú elektrický náboj vo fotodióde pod každým pixelom.
3. Odčítanie a zosilnenie: Náboje sa prevádzajú na napätia, odčítavajú sa riadok po riadku a digitalizujú sa analógovo-digitálnymi prevodníkmi.
4. Rekonštrukcia farieb: Vstavaný procesor fotoaparátu alebo externý softvér interpoluje plnofarebný obraz z filtrovaných údajov pomocou algoritmov demosaicingu.
5. Korekcia obrazu: Na zabezpečenie presného a spoľahlivého výstupu sa používajú kroky následného spracovania, ako je korekcia plochého poľa, vyváženie bielej a redukcia šumu.
Výkon farebnej kamery vo veľkej miere závisí od technológie jej snímača. Moderné snímače CMOS kamier ponúkajú rýchle snímkové frekvencie a nízky šum, zatiaľ čo snímače sCMOS sú optimalizované pre citlivosť pri slabom osvetlení a široký dynamický rozsah, čo je kľúčové pre vedeckú prácu. Tieto základné prvky vytvárajú základ pre porovnávanie farebných a monochromatických kamier.
Farebné fotoaparáty vs. monochromatické fotoaparáty: Kľúčové rozdiely
Porovnanie farebných a monochromatických snímok z kamery pre prácu pri slabom osvetlení
POZNÁMKA: Fluorescenčný obraz s emisiou červenej vlnovej dĺžky detekovaný farebnou kamerou (vľavo) a monochromatickou kamerou (vpravo), pričom ostatné špecifikácie kamery zostávajú rovnaké. Farebný obraz vykazuje podstatne nižší pomer signálu k šumu a rozlíšenie.
Hoci farebné aj monochromatické kamery majú veľa spoločných komponentov, ich rozdiely vo výkone a prípadoch použitia sú značné. Tu je rýchle porovnanie:
| Funkcia | Farebná kamera | Monochromatický fotoaparát |
| Typ senzora | Bayerovo filtrovaný CMOS/sCMOS | Nefiltrovaný CMOS/sCMOS |
| Citlivosť na svetlo | Nižšia (kvôli farebným filtrom blokujúcim svetlo) | Vyššia (žiadne straty svetla cez filtre) |
| Priestorové rozlíšenie | Nižšie efektívne rozlíšenie (demozaiking) | Plné natívne rozlíšenie |
| Ideálne aplikácie | Svetlopoľná mikroskopia, histológia, kontrola materiálov | Fluorescencia, zobrazovanie pri slabom osvetlení, vysoko presné merania |
| Farebné údaje | Zachytáva kompletné informácie RGB | Zachytáva iba odtiene sivej |
Stručne povedané, farebné kamery sú najlepšie, keď je farba dôležitá pre interpretáciu alebo analýzu, zatiaľ čo monochromatické kamery sú ideálne pre citlivosť a presnosť.
Kde farebné kamery vynikajú vo vedeckých aplikáciách
Napriek svojim obmedzeniam, farebné kamery dosahujú vynikajúce výsledky v mnohých špecializovaných oblastiach, kde je kľúčové rozlíšenie farieb. Nižšie uvádzame niekoľko príkladov, kde vynikajú:
Biologické vedy a mikroskopia
Farebné kamery sa bežne používajú v mikroskopii s jasným poľom, najmä v histologickej analýze. Farebné techniky, ako je H&E alebo Gramovo farbenie, vytvárajú farebný kontrast, ktorý je možné interpretovať iba pomocou RGB zobrazovania. Pedagogické laboratóriá a patologické oddelenia sa tiež spoliehajú na farebné kamery na zachytenie realistických snímok biologických vzoriek na výučbu alebo diagnostické účely.
Materiálová veda a analýza povrchov
Vo výskume materiálov je farebné zobrazovanie cenné na identifikáciu korózie, oxidácie, povlakov a hraníc materiálov. Farebné kamery pomáhajú odhaliť jemné odchýlky v povrchovej úprave alebo defekty, ktoré by monochromatické zobrazovanie mohlo prehliadnuť. Napríklad hodnotenie kompozitných materiálov alebo dosiek plošných spojov si často vyžaduje presné znázornenie farieb.
Strojové videnie a automatizácia
V automatizovaných kontrolných systémoch sa farebné kamery používajú na triedenie objektov, detekciu chýb a overovanie označovania. Umožňujú algoritmom strojového videnia klasifikovať súčiastky alebo produkty na základe farebných signálov, čím sa zvyšuje presnosť automatizácie vo výrobe.
Vzdelávanie, dokumentácia a osvetová činnosť
Vedecké inštitúcie často vyžadujú vysokokvalitné farebné obrázky pre publikácie, žiadosti o granty a osvetové aktivity. Farebný obrázok poskytuje intuitívnejšie a vizuálne pútavejšie znázornenie vedeckých údajov, najmä pre interdisciplinárnu komunikáciu alebo zapojenie verejnosti.
Záverečné myšlienky
Farebné vedecké kamery zohrávajú kľúčovú úlohu v moderných zobrazovacích pracovných postupoch, kde je dôležité rozlišovanie farieb. Hoci sa nemusia rovnať monochromatickým kamerám v citlivosti alebo rozlíšení v surovom stave, ich schopnosť poskytovať prirodzené a interpretovateľné snímky ich robí nevyhnutnými v oblastiach od biologických vied až po priemyselnú kontrolu.
Pri výbere medzi farebným a monochromatickým režimom zvážte svoje ciele v oblasti zobrazovania. Ak vaša aplikácia vyžaduje výkon pri slabom osvetlení, vysokú citlivosť alebo detekciu fluorescencie, monochromatická vedecká kamera môže byť tou najlepšou voľbou. Ale pre zobrazovanie v jasnom poli, analýzu materiálov alebo akúkoľvek úlohu zahŕňajúcu farebne kódované informácie môže byť ideálne farebné riešenie.
Ak chcete preskúmať pokročilé systémy farebného zobrazovania pre vedecký výskum, prehliadnite si našu kompletnú ponuku vysokovýkonných CMOS kamier a modelov sCMOS prispôsobených vašim potrebám.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Všetky práva vyhradené. Pri citovaní uveďte zdroj:www.tucsen.com
