2022/05/13Inom vetenskaplig avbildning bestäms den ljusaste signalen en kamera kan registrera korrekt inte enbart av exponeringstid eller ljusstyrka, utan av hur mycket signal varje pixel kan hantera innan den registreras.pixelmättnadinträffar.
En pixels fulla brunnskapacitet definierar denna övre gräns. När en pixel blir mättad återspeglar dess uppmätta intensitet inte längre den verkliga signalnivån, vilket leder till mätfel och förlust av kvantitativ information.
Som ett resultat,full brunnskapacitet (FWC)spelar en avgörande roll i applikationer som kräver stort dynamiskt omfång, där starka och svaga signaler måste fångas samtidigt inom samma bild.
Vad är full brunnskapacitet (FWC)?
Brunnens fulla kapacitet (FWC) av en pixel hänvisar tillmaximalt antal fotoelektronersom kan mätas. I de flesta fall definieras denna gräns av pixelns fysiska design: detekterade fotoelektroner lagras i en ändlig potentialbrunn under exponering, vilken endast kan hålla en begränsad laddning.
Figur 1visualiserar förhållandet mellan full brunnskapacitet och dynamiskt omfång
(A)Låg full brunnskapacitet gör att bilden förlorar information om ljus signal.
(B)Hög fullbrunnskapacitet bevarar signalinformation över hela intensitetsområdet.
Som illustreras i figur 1 utökar högre fullbrunnskapacitet (FWC) det användbara signalområdet och det effektiva dynamiska området.
Vid höga signalnivåer, när pixelbrunnen fylls, minskar den ackumulerade laddningen det elektriska fältet i potentialbrunnen. Detta begränsar pixelns förmåga att samla in ytterligare fotoelektroner och introducerar icke-linjäritet i sensorns svar vid höga signalnivåer, ofta åtföljt av en minskning av effektiv kvantverkningsgrad.
Termenlinjär full brunnskapacitet (linjär FWC)används för att beskriva den högsta signalnivån där ingen observerbar icke-linjäritet uppstår. Detta värde representerar den maximala signalen som kan mätas samtidigt som ett linjärt svar på ljus bibehålls, och det är den specifikation som oftast rapporteras i datablad för vetenskapliga kameror.
I praktiken används termen FWC även för att hänvisa till mättnadskapaciteten eller mättnadssignalen,vilket begränsas av bitdjup och ADC-upplösning, definierad av den maximala möjliga grånivån som bestäms av kamerans bitdjup.
Även om dessa värden kan överensstämma i vissa system,vetenskapliga kamerorerbjuder ofta flera avläsningslägen med olika dynamiska ADC-områden. I sådana fall kan lägen med lägre bitdjup endast komma åt en del av den tillgängliga fysiska FWC:n.
Hur fungerar FWC på pixelnivå?
Under bildexponering genererar infallande fotoner elektroner i kiselsensorn. Dessa elektroner samlas in och lagras i pixelbrunnen tills avläsningsprocessen sker.
Varje pixel har ett maximalt antal elektroner den kan hålla. Mättnad kan uppstå antingen när pixelns fysiska lagringskapacitet överskrids eller när det digitala gråskalevärdet når sin maximala gräns. När mättnaden har uppnåtts går ytterligare signalinformation förlorad och kan inte längre kvantifieras korrekt.
Full brunnskapacitet i blandade signalscener
Idealiskt sett konfigureras exponeringstid och ljusnivåer för att undvika pixelmättnad helt och hållet. Detta blir dock en utmaning i scener där ljusa och svaga signaler samexisterar inom samma synfält.
Att minska exponeringstiden eller belysningen för att förhindra mättnad av ljusa områden gör ofta att svaga signaler hamnar nära brusgolvet, vilket gör meningsfull detektion eller kvantitativa mätningar svåra. I sådana fall kan brus dominera de svaga signalområdena.
En högre FWC ökar det användbara exponerings- och belysningsområdet, vilket gör att svaga signaler kan detekteras mer tillförlitligt utan att mätta ljusare strukturer. Detta förbättrar direkt mätningsrobustheten i bildscenarier med högt dynamiskt omfång.
(För en mer detaljerad diskussion av detta förhållande, se ordlistan för dynamiskt omfång.)
När full brunnskapacitet spelar mindre roll?
I applikationer som uteslutande arbetar under svagt ljus, eller där dynamiskt omfång inte är ett primärt problem, spelar FWC en mindre kritisk roll i kameraval och parameteroptimering. I dessa fall kan andra faktorer som läsbrus eller känslighet dominera prestandaöverväganden.
Avvägningar mellan full brunnskapacitet och bildfrekvens
Vissa vetenskapliga kameror erbjuder flera avläsningslägen, vilket ger olika kombinationer av bildhastighet, brusprestanda och tillgänglig fullbrunnskapacitet (FWC). I många fall kan högre bildhastigheter uppnås genom att minska den effektiva FWC.
Denna avvägning kan vara fördelaktig vid höghastighetsavbildning och avbildning i svagt ljus där mättnadsrisken är minimal. Det kräver dock noggrant övervägande av signalnivåer och exponeringsmarginaler för att säkerställa att datakvaliteten bibehålls.
Hur mycket full brunnskapacitet behöver du?
Vid bildbehandling kan högre bildkvalitet ofta vara fördelaktig och kan förbättras både genom ökat signal-brusförhållande och dynamiskt omfång. Både det maximala möjliga signal-brusförhållandet och det dynamiska omfånget som en kamera kan leverera begränsas av FWC.
I praktiken är det dock bara vissa bildapplikationer som når FWC för sina kameror eller kameralägen. Typiska vetenskapliga kameror kan ha full brunnskapacitet på minst över 10 000 e, ofta runt 30–80 000 e. Även om vissa applikationer kräver mycket hög FWC, är det i många applikationer som kräverkameror med hög känslighet, signalerna kommer att vara många gånger (eller till och med storleksordningar) lägre än dessa maxvärden.
Exempel: Typiska maximala signaler i olika bildapplikationer
Olika bildtekniker har ofta mycket olika typiska maximala signalnivåer. En given FWC uppnås ofta genom en avvägning med andra kameraspecifikationer, vilket gör det klokt att anpassa kamera eller kameraläge till den förväntade signalen. Nedan följer några exempel på maximala signaler som vanligtvis ses i olika bildtillämpningar.
●Avbildning av enskilda molekyler: 5-500e-
●Levande cellavbildning: 50-1000e-
● Konfokal roterande disk: 20–1000e-
●Kalciumavbildning: 100–5 000 e-
● Dokumentationsavbildning med fast provfluorescens: 2 000–20 000 e-
● Ljusfälts-/genomlysningsavbildning: 1 000–100 000 e-
● Avbildning av högintensivt omgivande ljus: 1 000–100 000+ e-
Slutsats
FWC ses ofta som en sensorspecifikation, men dess betydelse sträcker sig till bildprestanda på systemnivå. Utöver att definiera den maximala mätbara signalen på pixelnivå, bestämmer FWC hur mycket exponerings- och belysningsflexibilitet ett bildarbetsflöde kan tolerera innan mättnad eller icke-linjäritet uppstår.
Vanliga frågor
Varför mättas bilder lättare vid höga bildhastigheter?
Vid höga exponeringshastigheter blir exponeringstid och ljusmarginaler mer begränsade. Om FWC är otillräcklig når ljusa områden mättnad snabbt, vilket tvingar fram kortare exponeringar som minskar det totala dynamiska omfånget.
Varför minskar ökad bildfrekvens det användbara dynamiska omfånget?
Högre bildfrekvenser kräver ofta kortare exponeringstider eller olika avläsningslägen som begränsar tillgänglig FWC. Detta begränsar det användbara signalområdet och ökar risken för mättnad eller brusdominerade mätningar.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Med ensamrätt. Vänligen ange källan vid citering:www.tucsen.com
