แม้ว่ากล้องสีจะครองตลาดกล้องสำหรับผู้บริโภค แต่กล้องขาวดำกลับเป็นที่นิยมมากกว่าในการถ่ายภาพทางวิทยาศาสตร์
โดยเนื้อแท้แล้ว เซ็นเซอร์ของกล้องไม่สามารถตรวจจับสีหรือความยาวคลื่นของแสงที่เก็บรวบรวมได้ การจะได้ภาพสีจำเป็นต้องอาศัยความไวแสงและการสุ่มตัวอย่างเชิงพื้นที่ อย่างไรก็ตาม ในงานด้านการถ่ายภาพหลายประเภท เช่น พยาธิวิทยา จุลกายวิภาคศาสตร์ หรือการตรวจสอบทางอุตสาหกรรม ข้อมูลสีมีความสำคัญอย่างยิ่ง ดังนั้น กล้องถ่ายภาพสีสำหรับงานวิทยาศาสตร์จึงยังคงเป็นที่นิยมใช้กันทั่วไป
บทความนี้จะเจาะลึกว่ากล้องถ่ายภาพสีสำหรับงานวิทยาศาสตร์คืออะไร ทำงานอย่างไร มีจุดแข็งและข้อจำกัดอย่างไร และกล้องเหล่านี้มีประสิทธิภาพเหนือกว่ากล้องขาวดำในด้านใดในการใช้งานทางวิทยาศาสตร์
กล้องถ่ายภาพสีทางวิทยาศาสตร์คืออะไร?
กล้องถ่ายภาพสีวิทยาศาสตร์เป็นอุปกรณ์ถ่ายภาพเฉพาะทางที่บันทึกข้อมูลสี RGB ได้อย่างแม่นยำ แม่นยำ และสม่ำเสมอ ต่างจากกล้องถ่ายภาพสีระดับผู้บริโภคทั่วไปที่ให้ความสำคัญกับความสวยงาม กล้องถ่ายภาพสีวิทยาศาสตร์ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการถ่ายภาพเชิงปริมาณ ซึ่งความแม่นยำของสี ความเป็นเส้นตรงของเซ็นเซอร์ และช่วงไดนามิกเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง
กล้องเหล่านี้ถูกใช้งานอย่างกว้างขวางในงานต่างๆ เช่น กล้องจุลทรรศน์แบบไบรท์ฟิลด์ จุลกายวิภาคศาสตร์ การวิเคราะห์วัสดุ และงานวิชันซิสเต็มส์ที่การตีความภาพหรือการจำแนกประเภทด้วยสีเป็นสิ่งจำเป็น กล้องสีวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ใช้เซ็นเซอร์ CMOS หรือ sCMOS ซึ่งออกแบบมาเพื่อตอบสนองความต้องการอันเข้มงวดของงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรม
หากต้องการดูระบบถ่ายภาพต่างๆ แบบเจาะลึก โปรดสำรวจตัวเลือกประสิทธิภาพสูงของเรากล้องวิทยาศาสตร์โมเดลที่สร้างขึ้นสำหรับการใช้งานระดับมืออาชีพ
การบรรลุสี: ตัวกรอง Bayer
โดยทั่วไป การตรวจจับสีในกล้องจะทำได้ด้วยวิธีเดียวกับการสร้างสีบนจอภาพและจอภาพ คือผ่านการผสมพิกเซลสีแดง เขียว และน้ำเงินที่อยู่ใกล้เคียงกันให้เป็น "ซูเปอร์พิกเซล" ที่มีสีสันสมบูรณ์ เมื่อช่องสัญญาณ R, G และ B มีค่าสูงสุด จะมองเห็นพิกเซลสีขาว
เนื่องจากกล้องซิลิกอนไม่สามารถตรวจจับความยาวคลื่นของโฟตอนที่เข้ามาได้ การแยกช่องความยาวคลื่น R, G หรือ B แต่ละช่องจะต้องทำได้โดยการกรอง
ในพิกเซลสีแดง จะมีการวางฟิลเตอร์เดี่ยวไว้เหนือพิกเซลเพื่อบล็อกความยาวคลื่นทั้งหมด ยกเว้นช่วงสีแดงของสเปกตรัม และสำหรับสีน้ำเงินและสีเขียวเช่นกัน อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ได้ภาพแบบสี่เหลี่ยมจัตุรัสในสองมิติ แม้จะมีช่องสีสามช่อง ซูเปอร์พิกเซลจึงถูกสร้างขึ้นจากพิกเซลสีแดงหนึ่งพิกเซล สีน้ำเงินหนึ่งพิกเซล และสีเขียวสองพิกเซล ดังแสดงในรูป

เค้าโครงฟิลเตอร์ Bayer สำหรับกล้องสี
บันทึก: การจัดวางฟิลเตอร์สีที่เพิ่มให้กับพิกเซลแต่ละพิกเซลสำหรับกล้องสีโดยใช้การจัดวางฟิลเตอร์ของ Bayer โดยใช้หน่วยพิกเซลสี่เหลี่ยมจัตุรัส 4 พิกเซลที่ซ้ำกัน ได้แก่ พิกเซลสีเขียว แดง น้ำเงิน และเขียว ลำดับภายในหน่วยพิกเซล 4 พิกเซลอาจแตกต่างกัน
พิกเซลสีเขียวได้รับการให้ความสำคัญเนื่องจากแหล่งกำเนิดแสงส่วนใหญ่ (ตั้งแต่ดวงอาทิตย์ไปจนถึง LED สีขาว) แสดงความเข้มข้นสูงสุดในส่วนสีเขียวของสเปกตรัม และเนื่องจากเครื่องตรวจจับแสง (ตั้งแต่เซ็นเซอร์กล้องที่ใช้ซิลิกอนไปจนถึงดวงตาของเรา) โดยทั่วไปจะมีความไวสูงสุดในส่วนสีเขียว
อย่างไรก็ตาม เมื่อพูดถึงการวิเคราะห์และแสดงภาพ ภาพมักจะไม่ถูกส่งถึงผู้ใช้โดยแต่ละพิกเซลจะแสดงเฉพาะค่า R, G หรือ B ค่า RGB แบบ 3 ช่องสัญญาณจะถูกสร้างขึ้นสำหรับทุกพิกเซลของกล้อง โดยการแทรกค่าของพิกเซลใกล้เคียงในกระบวนการที่เรียกว่า 'ดีเบอริง'
ตัวอย่างเช่น พิกเซลสีแดงแต่ละพิกเซลจะสร้างค่าสีเขียว โดยมาจากค่าเฉลี่ยของพิกเซลสีเขียวสี่พิกเซลที่อยู่ใกล้เคียง หรือจากอัลกอริทึมอื่น และเช่นเดียวกันกับพิกเซลสีน้ำเงินสี่พิกเซลที่อยู่ใกล้เคียง
ข้อดีและข้อเสียของสี
ข้อดี
● มองเห็นเป็นสีได้! สีสามารถถ่ายทอดข้อมูลอันมีค่าที่ช่วยเสริมการตีความของมนุษย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อวิเคราะห์ตัวอย่างทางชีวภาพหรือวัสดุ
● การถ่ายภาพสี RGB ง่ายกว่ามากเมื่อเทียบกับการถ่ายภาพ R, G และ B ตามลำดับโดยใช้กล้องขาวดำ
ข้อเสีย
● ความไวของกล้องถ่ายภาพสีลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับกล้องถ่ายภาพขาวดำ ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น ในส่วนของสเปกตรัมสีแดงและสีน้ำเงิน เนื่องจากมีเพียงหนึ่งในสี่ของฟิลเตอร์พิกเซลที่ผ่านความยาวคลื่นเหล่านี้ การรวบรวมแสงจึงมีค่าไม่เกิน 25% ของกล้องถ่ายภาพขาวดำที่เทียบเท่ากันที่ความยาวคลื่นเหล่านี้ ในส่วนของสีเขียว ปัจจัยอยู่ที่ 50% นอกจากนี้ ไม่มีฟิลเตอร์ใดที่สมบูรณ์แบบ: การส่งผ่านสูงสุดจะน้อยกว่า 100% และอาจต่ำกว่ามาก ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นที่แน่นอน
● ความละเอียดของรายละเอียดปลีกย่อยก็ลดลงเช่นกัน เนื่องจากอัตราการสุ่มตัวอย่างลดลงจากปัจจัยเดียวกันนี้ (เหลือ 25% สำหรับ R, B และ 50% สำหรับ G) ในกรณีของพิกเซลสีแดง ซึ่งมีเพียง 1 ใน 4 พิกเซลเท่านั้นที่รับแสงสีแดง ขนาดพิกเซลที่มีประสิทธิภาพในการคำนวณความละเอียดจะใหญ่ขึ้น 2 เท่าในแต่ละมิติ
● กล้องถ่ายภาพสีมักจะมีฟิลเตอร์อินฟราเรด (IR) อยู่เสมอ เนื่องจากกล้องซิลิคอนสามารถตรวจจับความยาวคลื่นอินฟราเรดบางส่วนที่สายตามนุษย์มองไม่เห็น ตั้งแต่ 700 นาโนเมตร ถึงประมาณ 1100 นาโนเมตร หากไม่กรองแสงอินฟราเรดนี้ออกไป จะส่งผลต่อสมดุลแสงขาว ส่งผลให้สีที่ได้ไม่แม่นยำ และภาพที่ได้จะไม่ตรงกับที่ตามองเห็น ดังนั้นจึงต้องกรองแสงอินฟราเรดนี้ออกไป ซึ่งหมายความว่ากล้องถ่ายภาพสีไม่สามารถใช้กับงานถ่ายภาพที่ต้องใช้ความยาวคลื่นเหล่านี้ได้
กล้องสีทำงานอย่างไร?

ตัวอย่างเส้นโค้งประสิทธิภาพควอนตัมของกล้องสีทั่วไป
บันทึก: ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นกับประสิทธิภาพควอนตัมแสดงแยกกันสำหรับพิกเซลที่มีฟิลเตอร์สีแดง สีน้ำเงิน และสีเขียว นอกจากนี้ยังแสดงประสิทธิภาพควอนตัมของเซ็นเซอร์เดียวกันที่ไม่มีฟิลเตอร์สี การเพิ่มฟิลเตอร์สีจะลดประสิทธิภาพควอนตัมลงอย่างมาก
แกนหลักของกล้องถ่ายภาพสีทางวิทยาศาสตร์คือเซนเซอร์รับภาพ ซึ่งโดยทั่วไปคือกล้อง CMOS or กล้อง sCMOS(CMOS เชิงวิทยาศาสตร์) ซึ่งติดตั้งฟิลเตอร์ Bayer ขั้นตอนการทำงานตั้งแต่การจับโฟตอนไปจนถึงเอาต์พุตภาพประกอบด้วยขั้นตอนสำคัญหลายขั้นตอน ดังนี้
1. การตรวจจับโฟตอน: แสงเข้าสู่เลนส์และกระทบกับเซ็นเซอร์ แต่ละพิกเซลมีความไวต่อความยาวคลื่นเฉพาะตามฟิลเตอร์สีที่มันใช้
2. การแปลงประจุ: โฟตอนสร้างประจุไฟฟ้าในโฟโตไดโอดใต้พิกเซลแต่ละพิกเซล
3. การอ่านค่าและการขยาย: ประจุไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้า อ่านค่าแถวต่อแถว และแปลงเป็นดิจิทัลโดยตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล
4. การสร้างสีใหม่: โปรเซสเซอร์ในตัวของกล้องหรือซอฟต์แวร์ภายนอกจะแทรกภาพสีเต็มรูปแบบจากข้อมูลที่กรองโดยใช้อัลกอริธึมการดีโมเสก
5. การแก้ไขภาพ: ขั้นตอนหลังการประมวลผล เช่น การแก้ไขภาพแบบแบน สมดุลแสงขาว และการลดสัญญาณรบกวน จะถูกนำไปใช้เพื่อให้แน่ใจว่าผลลัพธ์ออกมาถูกต้องและเชื่อถือได้
ประสิทธิภาพของกล้องถ่ายภาพสีขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีเซ็นเซอร์เป็นอย่างมาก เซ็นเซอร์ CMOS สมัยใหม่ให้อัตราเฟรมที่รวดเร็วและสัญญาณรบกวนต่ำ ในขณะที่เซ็นเซอร์ sCMOS ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับความไวแสงต่ำและช่วงไดนามิกที่กว้าง ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับงานวิทยาศาสตร์ พื้นฐานเหล่านี้ช่วยปูทางไปสู่การเปรียบเทียบกล้องถ่ายภาพสีและกล้องถ่ายภาพขาวดำ
กล้องสีเทียบกับกล้องขาวดำ: ความแตกต่างที่สำคัญ

การเปรียบเทียบระหว่างภาพสีและขาวดำจากกล้องสำหรับงานที่มีแสงน้อย
บันทึก:ภาพเรืองแสงที่ตรวจพบการแผ่คลื่นสีแดงโดยกล้องถ่ายภาพสี (ซ้าย) และกล้องถ่ายภาพขาวดำ (ขวา) โดยที่รายละเอียดอื่นๆ ของกล้องยังคงเหมือนเดิม ภาพสีแสดงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนและความละเอียดที่ต่ำกว่ามาก
แม้ว่ากล้องทั้งแบบสีและแบบขาวดำจะมีองค์ประกอบหลายอย่างเหมือนกัน แต่ความแตกต่างในด้านประสิทธิภาพและการใช้งานก็มีความสำคัญ ต่อไปนี้คือการเปรียบเทียบแบบสั้นๆ:
คุณสมบัติ | กล้องสี | กล้องขาวดำ |
ประเภทเซ็นเซอร์ | CMOS/sCMOS ที่กรองด้วยไบเออร์ | CMOS/sCMOS ที่ไม่ผ่านการกรอง |
ความไวแสง | ล่าง (เนื่องจากฟิลเตอร์สีปิดกั้นแสง) | สูงกว่า (ไม่มีแสงสูญเสียไปยังฟิลเตอร์) |
ความละเอียดเชิงพื้นที่ | ความละเอียดที่มีประสิทธิภาพต่ำกว่า (การดีโมเสก) | ความละเอียดดั้งเดิมเต็มรูปแบบ |
การประยุกต์ใช้งานที่เหมาะสม | กล้องจุลทรรศน์ไบรท์ฟิลด์ การตรวจเนื้อเยื่อ การตรวจสอบวัสดุ | การเรืองแสง การถ่ายภาพในที่แสงน้อย การวัดความแม่นยำสูง |
ข้อมูลสี | จับข้อมูล RGB เต็มรูปแบบ | จับภาพเฉพาะโทนสีเทาเท่านั้น |
โดยสรุปแล้ว กล้องสีจะดีที่สุดเมื่อสีมีความสำคัญต่อการตีความหรือการวิเคราะห์ ในขณะที่กล้องขาวดำจะเหมาะอย่างยิ่งสำหรับความไวและความแม่นยำ
กล้องสีโดดเด่นในการประยุกต์ใช้ทางวิทยาศาสตร์อย่างไร
แม้จะมีข้อจำกัด แต่กล้องถ่ายภาพสีก็มีประสิทธิภาพเหนือกว่าในหลายด้านที่ต้องใช้การแยกแยะสีเป็นหลัก ด้านล่างนี้คือตัวอย่างบางส่วนของกล้องที่แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่โดดเด่น:
วิทยาศาสตร์ชีวภาพและกล้องจุลทรรศน์
กล้องถ่ายภาพสีมักใช้ในกล้องจุลทรรศน์แบบไบรท์ฟิลด์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการวิเคราะห์ทางจุลพยาธิวิทยา เทคนิคการย้อมสี เช่น การย้อมสี H&E หรือการย้อมสีแกรม จะให้คอนทราสต์สีที่สามารถตีความได้ด้วยการถ่ายภาพแบบ RGB เท่านั้น ห้องปฏิบัติการทางการศึกษาและภาควิชาพยาธิวิทยาก็ใช้กล้องถ่ายภาพสีเพื่อบันทึกภาพตัวอย่างทางชีววิทยาที่สมจริงสำหรับการเรียนการสอนหรือการวินิจฉัยโรคเช่นกัน
วิทยาศาสตร์วัสดุและการวิเคราะห์พื้นผิว
ในการวิจัยวัสดุ การถ่ายภาพสีมีประโยชน์ในการระบุการกัดกร่อน การเกิดออกซิเดชัน การเคลือบ และขอบเขตของวัสดุ กล้องถ่ายภาพสีช่วยตรวจจับความแตกต่างเล็กน้อยของผิวสำเร็จหรือข้อบกพร่องที่การถ่ายภาพขาวดำอาจมองข้ามไป ตัวอย่างเช่น การประเมินวัสดุคอมโพสิตหรือแผงวงจรพิมพ์มักต้องการการแสดงสีที่แม่นยำ
ระบบการมองเห็นของเครื่องจักรและระบบอัตโนมัติ
ในระบบตรวจสอบอัตโนมัติ กล้องสีถูกนำมาใช้เพื่อคัดแยกวัตถุ ตรวจจับข้อบกพร่อง และยืนยันการติดฉลาก กล้องเหล่านี้ช่วยให้อัลกอริทึมวิชันซิสเต็มสามารถจำแนกชิ้นส่วนหรือผลิตภัณฑ์ตามสัญญาณสี ซึ่งช่วยเพิ่มความแม่นยำของระบบอัตโนมัติในการผลิต
การศึกษา เอกสาร และการเผยแพร่
สถาบันวิทยาศาสตร์มักต้องการภาพสีคุณภาพสูงสำหรับการเผยแพร่ การนำเสนอขอทุน และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ ภาพสีช่วยให้การนำเสนอข้อมูลทางวิทยาศาสตร์มีความชัดเจนและน่าสนใจยิ่งขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการสื่อสารแบบสหวิทยาการหรือการมีส่วนร่วมของสาธารณชน
ความคิดสุดท้าย
กล้องถ่ายภาพวิทยาศาสตร์สีมีบทบาทสำคัญในกระบวนการถ่ายภาพสมัยใหม่ที่การแยกความแตกต่างของสีเป็นสิ่งสำคัญ แม้ว่ากล้องเหล่านี้อาจไม่เทียบเท่ากล้องขาวดำในด้านความไวแสงหรือความละเอียดภาพดิบ แต่ความสามารถในการให้ภาพที่เป็นธรรมชาติและตีความได้ ทำให้กล้องเหล่านี้มีความจำเป็นอย่างยิ่งในสาขาต่างๆ ตั้งแต่วิทยาศาสตร์ชีวภาพไปจนถึงการตรวจสอบทางอุตสาหกรรม
เมื่อเลือกระหว่างการถ่ายภาพสีและขาวดำ ให้พิจารณาเป้าหมายการถ่ายภาพของคุณ หากการใช้งานของคุณต้องการประสิทธิภาพในการถ่ายภาพในที่แสงน้อย ความไวแสงสูง หรือการตรวจจับแสงฟลูออเรสเซนซ์ กล้องถ่ายภาพวิทยาศาสตร์ขาวดำอาจเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด แต่สำหรับการถ่ายภาพแบบไบรท์ฟิลด์ การวิเคราะห์วัสดุ หรืองานใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับข้อมูลสี โซลูชันสีอาจเหมาะสมที่สุด
หากต้องการสำรวจระบบถ่ายภาพสีขั้นสูงสำหรับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ โปรดดูกลุ่มผลิตภัณฑ์กล้อง CMOS ประสิทธิภาพสูงและรุ่น sCMOS ของเราที่ออกแบบมาเพื่อให้เหมาะกับความต้องการของคุณ
บริษัท ทูเซน โฟโตนิกส์ จำกัด สงวนลิขสิทธิ์ เมื่ออ้างอิง โปรดระบุแหล่งที่มา:www.tucsen.com