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奧林巴斯顯微鏡成像,什麽是動態範圍?

2013-11-17  發布者:admin 

 電荷耦合器件CCD或互補金屬氧化物半導體CMOS圖像傳感器的動態範圍,通常指定為可達到的最大信號除以由照相機噪聲,其中信號強度是由全井容量,並噪聲是黑暗和讀噪聲的總和。 作為一個設備的動態範圍的增加,能夠定量測量的圖像中最暗的強度(性能intrascene)得到改善。 interscene的動態範圍表示的頻譜的強度時,可以容納不同的視場的檢測器增益,積分時間,鏡頭的光圈,和其他變量作相應調整。

光電二極管的大小決定,枯竭井的大小 - 較大的二極管相比具有更大的全阱容量相機噪聲。 在顯微攝影的範圍內使用的典型的二極管在現代的CCD的大小,以及與相應的2萬至60萬個電子的能力,從4.5到24微米。 閱讀噪聲是一個組合,所有設備讀出過程中產生的噪聲。 這包括從輸入時鍾和固定模式的噪音,隨著複位晶體管噪聲和放大器的輸出噪聲。 讀噪聲通常伴隨CCD傳感器,具有典型值的範圍從10到20的電子/像素在高品質的芯片在室溫下操作的性能數據表中指定的,下降到2-5個電子/像素,可在珀耳帖冷卻的CCD科學成像應用。 表示以分貝為單位的動態範圍根據下麵的公式

動態範圍= 20 × Log(Nsat/Nnoise)

其中N(sat)是線性全阱容量指出電子和N(noise)的數量是的讀和暗噪聲的總價值,也可以表達為。 在一個高性能的冷卻CCD攝像機,井產能的單個光電二極管的大小成比例,使得存儲的電子的最大數目是每個光電二極管的橫截麵麵積的約1000倍。 因此,應該有一個最大6.7×6.7微米的光電二極管的CCD的電荷存儲容量(全井容量)約44900的電子(或空穴)。 在一個典型的讀出速率為1 MHz,此CCD讀出噪聲是約10個電子/像素,這將產生一個動態範圍為44900/10,4490。 為了利用全方位的灰度等級,可用此動態範圍內,相機應該有一個12位模擬到數字(A / D)轉換器,能夠解決4096個灰度級。 控製讀出和暗噪聲的大小是在這些裝置中保持一種高動態範圍的一個關鍵因素。

性能更高的冷卻CCD傳感器設計具有低噪聲輸出放大器和適合使用的慢掃描顯微照片成像往往有較低的讀出噪聲和擴展動態範圍。 作為一個例子,馬可尼應用技術CCD39-01傳感器是背照式,幀轉移CCD具有方形像素大小為24微米,分割輸出寄存器允許利用四輸出放大器。 此設備的全井產能達到的水平300,000電子。 再加上讀出的噪聲的均方根(rms)的三個電子水平在20千赫茲(冷卻時),CCD39-01是能夠得到的動態範圍大約為100,000:1。 要充分利用潛在的CCD,一個17位的A / D轉換器具有131,072灰度等級應采用(雖然一個16位A / D轉換器,有65,536灰階也就夠了)。

一個特定的CCD的動態範圍是取決於幾個變量。 暗電流強烈地受到溫度(圖1),每8到10攝氏度加倍。 在較高的溫度下,暗電流是顯性的,而在較低的溫度下,動態範圍是由放大器的輸出噪聲。 收集在每個像素中的暗電荷的量不僅取決於設備的溫度,而且還對積分時間和讀出之前的存儲時間。 的噪聲電平也正比於讀出放大器的帶寬,這是由像素傳輸速率的影響,並因此由時鍾頻率的影響。 由於時鍾頻率的增加,暗電流和散粒噪聲的電子的數目也相應減少,由輸出放大器和視頻處理電子設備需要較少的帶寬。 積分時間也影響的CCD的動態範圍,如在圖1中示出。 的總積分時間增加,產生增加暗電流和隨後的減少的動態範圍,但這種影響隻進場時,積分時間超過5分鍾。

位深度是指二進製範圍的可能的灰度值,利用由A / D轉換器轉換的模擬圖像信息轉換成離散的數字值,能夠由計算機讀取和分析。 例如,最流行的8位A / D轉換器有一個二進製的2·(E8)或256個可能的值(圖2)的範圍內,而一個12位的轉換器具有2·(E12)或4096的值的範圍內和一個16位的轉換器具有2·(E16),或65,536個可能的值。 的A / D轉換器的位深度決定的灰度增量的大小,具有更高的比特深度對應於更大範圍的有用的圖像信息可從相機。 在一定的水平,以及下麵的建議的上限由讀出噪聲信號進行采樣時,得到更好的結果。 舉例來說,如果馬可尼CCD39-01用於信號平均,18位(262,144灰度等級)的A / D轉換器可能會被用來樣本數據262,144 1。 然而,此設備的噪聲電平的統計信息顯示的圖象數據不能被正確地測定為大於1的一部分在100000無信號平均。 顯然,一個16位或18位A / D轉換器將產生更好的結果時,馬可尼CCD39-01芯片。 與此相反,FUJICHROME Velvia的,細粒度的彩色透明薄膜,已被證明產生小於10級的動態範圍(1024灰度級)。

表1列出了用於存儲數字信息的比特數之間的關係,數值相當於在灰度級,用分貝(dB)對應的值(1位等於約6 dB)。 如表中所示,如果由一個A / D轉換器數字化的1位的精度為0.72伏的視頻信號,該信號將被表示由兩個值,二進製0或1與0伏和0.72伏的電壓值。 顯微攝影中使用的數碼相機中發現的大多數數字化儀采用8位A / D轉換器,其中有256個離散的灰度等級(0到255之間),來代表電壓幅度。 0.72伏的最大信號,然後將細分為256步,每步2.9毫伏值。

位深度和動態範圍 
電荷耦合器件
位深度 灰度 
水平
動態範圍 
(分貝)
1 2 6分貝
2 4 12分貝
3 8 18分貝
4 16 24分貝
5 32 30分貝
6 64 36分貝
7 128 42分貝
8 256 48分貝
9 512 54分貝
10 1,024 60分貝
11 2,048 66分貝
12 4,096 72分貝
13 8,192 78分貝
14 16,384 84分貝
16 65,536 96分貝
18 262,144 108分貝
20 1,048,576 120分貝
表1

的數量,以達到可接受的視覺質量,必須生成灰度級應該是足夠的個人之間的灰度值的步驟是對人的眼睛無法辨別。 “明顯的差異”平均人眼的灰度級圖像的強度是理想的觀看條件下的兩成左右。 在大多數的情況下,眼睛能分辨約50個離散的灰度色調的強度範圍內的視頻監視器,建議的最小動態範圍的圖像應介於6和第7位(64和128灰度級,圖2)。

數字圖像應該至少有8位分辨率時增加對比度在圖像處理過程中避免產生視覺上明顯增強後的圖像灰度級的步驟。 的數量減少的效果灰度水平上的外觀的顯微照片,可以看出,在圖3中,其示出了黑色和白色(原來8位)的圖像的彩色薄邊的馬鈴薯 (馬鈴薯),顯示在不同的分辨率取值範圍為6位(圖3(a)),下降到5位(圖3(b)),4位(圖3(c)),和3-bit(圖第3(d))。

改進的數碼相機具有12位分辨率的CCD,能夠讓研究者來顯示圖像具有更大的緯度可能比8位圖像。 這是可能的,因為相應的軟件可以提供必要的灰色色調,從一個更大的調色板(4096灰度等級)的計算機顯示器上顯示,這通常出現在256級灰度的圖像。 與此相反,一個8位的數字圖像的受限製的調色板256級灰度,最初是由數碼相機所捕獲。 由於倍率提高圖像處理過程中,該軟件可以選擇最準確的灰度,重現部分放大後的圖像,而不改變原來的數據。 檢查陰影區域中的12-bit數字圖像的深度允許調查員的可視化,將不存在在一個8 - 比特圖像的細微的細節時,這一點尤其重要。

數字轉換為模擬視頻信號所需的精確度取決於在相機中輸出的數字灰度級的步驟和均方根噪聲之間的差異。具有內部A / D轉換產生一個數字數據流,這並不需要在計算機中進行重采樣和數字化的CCD攝像機。 這些攝像機是能夠生產數字數據高達18位分辨率(262,144灰度)的高端機型,並沒有限製到0.72伏的信號RS-170視頻係統的限製,並利用更廣泛的模擬電壓範圍其A / D轉換器。 所表現出的大的數字範圍CCD攝像機的主要優點在於在所顯示的8位圖像的改進的信號與噪聲的和寬線性動態範圍的信號可以被數字化。



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