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奥林巴斯显微镜成像,什么是动态范围?

2013-11-17  发布者:admin 

 电荷耦合器件CCD或互补金属氧化物半导体CMOS图像传感器的动态范围,通常指定为可达到的最大信号除以由照相机噪声,其中信号强度是由全井容量,并噪声是黑暗和读噪声的总和。 作为一个设备的动态范围的增加,能够定量测量的图像中最暗的强度(性能intrascene)得到改善。 interscene的动态范围表示的频谱的强度时,可以容纳不同的视场的检测器增益,积分时间,镜头的光圈,和其他变量作相应调整。

光电二极管的大小决定,枯竭井的大小 - 较大的二极管相比具有更大的全阱容量相机噪声。 在显微摄影的范围内使用的典型的二极管在现代的CCD的大小,以及与相应的2万至60万个电子的能力,从4.5到24微米。 阅读噪声是一个组合,所有设备读出过程中产生的噪声。 这包括从输入时钟和固定模式的噪音,随着复位晶体管噪声和放大器的输出噪声。 读噪声通常伴随CCD传感器,具有典型值的范围从10到20的电子/像素在高品质的芯片在室温下操作的性能数据表中指定的,下降到2-5个电子/像素,可在珀耳帖冷却的CCD科学成像应用。 表示以分贝为单位的动态范围根据下面的公式

动态范围= 20 × Log(Nsat/Nnoise)

其中N(sat)是线性全阱容量指出电子和N(noise)的数量是的读和暗噪声的总价值,也可以表达为。 在一个高性能的冷却CCD摄像机,井产能的单个光电二极管的大小成比例,使得存储的电子的最大数目是每个光电二极管的横截面面积的约1000倍。 因此,应该有一个最大6.7×6.7微米的光电二极管的CCD的电荷存储容量(全井容量)约44900的电子(或空穴)。 在一个典型的读出速率为1 MHz,此CCD读出噪声是约10个电子/像素,这将产生一个动态范围为44900/10,4490。 为了利用全方位的灰度等级,可用此动态范围内,相机应该有一个12位模拟到数字(A / D)转换器,能够解决4096个灰度级。 控制读出和暗噪声的大小是在这些装置中保持一种高动态范围的一个关键因素。

性能更高的冷却CCD传感器设计具有低噪声输出放大器和适合使用的慢扫描显微照片成像往往有较低的读出噪声和扩展动态范围。 作为一个例子,马可尼应用技术CCD39-01传感器是背照式,帧转移CCD具有方形像素大小为24微米,分割输出寄存器允许利用四输出放大器。 此设备的全井产能达到的水平300,000电子。 再加上读出的噪声的均方根(rms)的三个电子水平在20千赫兹(冷却时),CCD39-01是能够得到的动态范围大约为100,000:1。 要充分利用潜在的CCD,一个17位的A / D转换器具有131,072灰度等级应采用(虽然一个16位A / D转换器,有65,536灰阶也就够了)。

一个特定的CCD的动态范围是取决于几个变量。 暗电流强烈地受到温度(图1),每8到10摄氏度加倍。 在较高的温度下,暗电流是显性的,而在较低的温度下,动态范围是由放大器的输出噪声。 收集在每个像素中的暗电荷的量不仅取决于设备的温度,而且还对积分时间和读出之前的存储时间。 的噪声电平也正比于读出放大器的带宽,这是由像素传输速率的影响,并因此由时钟频率的影响。 由于时钟频率的增加,暗电流和散粒噪声的电子的数目也相应减少,由输出放大器和视频处理电子设备需要较少的带宽。 积分时间也影响的CCD的动态范围,如在图1中示出。 的总积分时间增加,产生增加暗电流和随后的减少的动态范围,但这种影响只进场时,积分时间超过5分钟。

位深度是指二进制范围的可能的灰度值,利用由A / D转换器转换的模拟图像信息转换成离散的数字值,能够由计算机读取和分析。 例如,最流行的8位A / D转换器有一个二进制的2·(E8)或256个可能的值(图2)的范围内,而一个12位的转换器具有2·(E12)或4096的值的范围内和一个16位的转换器具有2·(E16),或65,536个可能的值。 的A / D转换器的位深度决定的灰度增量的大小,具有更高的比特深度对应于更大范围的有用的图像信息可从相机。 在一定的水平,以及下面的建议的上限由读出噪声信号进行采样时,得到更好的结果。 举例来说,如果马可尼CCD39-01用于信号平均,18位(262,144灰度等级)的A / D转换器可能会被用来样本数据262,144 1。 然而,此设备的噪声电平的统计信息显示的图象数据不能被正确地测定为大于1的一部分在100000无信号平均。 显然,一个16位或18位A / D转换器将产生更好的结果时,马可尼CCD39-01芯片。 与此相反,FUJICHROME Velvia的,细粒度的彩色透明薄膜,已被证明产生小于10级的动态范围(1024灰度级)。

表1列出了用于存储数字信息的比特数之间的关系,数值相当于在灰度级,用分贝(dB)对应的值(1位等于约6 dB)。 如表中所示,如果由一个A / D转换器数字化的1位的精度为0.72伏的视频信号,该信号将被表示由两个值,二进制0或1与0伏和0.72伏的电压值。 显微摄影中使用的数码相机中发现的大多数数字化仪采用8位A / D转换器,其中有256个离散的灰度等级(0到255之间),来代表电压幅度。 0.72伏的最大信号,然后将细分为256步,每步2.9毫伏值。

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

的数量,以达到可接受的视觉质量,必须生成灰度级应该是足够的个人之间的灰度值的步骤是对人的眼睛无法辨别。 “明显的差异”平均人眼的灰度级图像的强度是理想的观看条件下的两成左右。 在大多数的情况下,眼睛能分辨约50个离散的灰度色调的强度范围内的视频监视器,建议的最小动态范围的图像应介于6和第7位(64和128灰度级,图2)。

数字图像应该至少有8位分辨率时增加对比度在图像处理过程中避免产生视觉上明显增强后的图像灰度级的步骤。 的数量减少的效果灰度水平上的外观的显微照片,可以看出,在图3中,其示出了黑色和白色(原来8位)的图像的彩色薄边的马铃薯 (马铃薯),显示在不同的分辨率取值范围为6位(图3(a)),下降到5位(图3(b)),4位(图3(c)),和3-bit(图第3(d))。

改进的数码相机具有12位分辨率的CCD,能够让研究者来显示图像具有更大的纬度可能比8位图像。 这是可能的,因为相应的软件可以提供必要的灰色色调,从一个更大的调色板(4096灰度等级)的计算机显示器上显示,这通常出现在256级灰度的图像。 与此相反,一个8位的数字图像的受限制的调色板256级灰度,最初是由数码相机所捕获。 由于倍率提高图像处理过程中,该软件可以选择最准确的灰度,重现部分放大后的图像,而不改变原来的数据。 检查阴影区域中的12-bit数字图像的深度允许调查员的可视化,将不存在在一个8 - 比特图像的细微的细节时,这一点尤其重要。

数字转换为模拟视频信号所需的精确度取决于在相机中输出的数字灰度级的步骤和均方根噪声之间的差异。具有内部A / D转换产生一个数字数据流,这并不需要在计算机中进行重采样和数字化的CCD摄像机。 这些摄像机是能够生产数字数据高达18位分辨率(262,144灰度)的高端机型,并没有限制到0.72伏的信号RS-170视频系统的限制,并利用更广泛的模拟电压范围其A / D转换器。 所表现出的大的数字范围CCD摄像机的主要优点在于在所显示的8位图像的改进的信号与噪声的和宽线性动态范围的信号可以被数字化。