[vc_row][vc_column][vc_separator color=”white” style=”dashed” border_width=”3″ el_width=”5″][vc_row_inner][vc_column_inner][vc_column_text]
امروزه دوربینهای تحقیقاتی دیجیتال به طور گسترده برای کاربردهای مختلفی از جمله تشخیص پزشکی، زیست شناسی، بایومکانیک، مکانیک سیالات، بررسی احتراق مواد شیمیایی، تست مواد، میکروفویدیک، صنایع ماشین‌سازی، دفاعی و فضایی استفاده می‌شود. نوع کاربری و کیفیت عملکرد دوربینهای تحقیقاتی (Scientific-Grade Cameras) که توسط کمپانی‌های مختلف و در بازه قیمتی متنوعی در بازار ارائه می‌شوند، توسط معیارهای مختلف تعیین می‌شود. حساسیت، رزولوشن فضایی، رزولوشن زمانی و سیگنال به نویز تنها چند مورد از پارامترهای بسیاری است که باید در هنگام تصمیم‌گیری در مورد خرید و استفاده از دوربین مورد توجه قرار گیرند. ما در این مقاله و در سه بخش، به بررسی ویژگی‌های فنی دوربینهای تحقیقاتی دیجیتال که اغلب در کاتالوگ دستگاه ذکر می‌شوند، می‌پردازیم.
[/vc_column_text][vc_column_text]
سایز پیکسل
در یک دوربین دیجیتال، پیکسلها نور (فوتون) را دریافت کرده و آن را به داده تبدیل می‌کنند. به زبان ساده، این داده‌ها هم از اطلاعات مفید و هم از اطلاعات مزاحم تشکیل شده‌اند. اطلاعات مزاحم همان چیزی است که از آن به عنوان نویز یاد می‌کنیم، که منجر به کاهش کیفیت تصویر می‌شود. اولین معیار مهم در انتخاب سیستم تصویرنگاری بررسی سایز و تعداد پیکسل دوربین است. اندازه پیکسل، تعیین کننده پارامترهای مختلفی ست که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌کنیم.
-
یکی از پارامترهای مهم در تعیین کیفیت تصاویر، نسبت سیگنال به نویز است. در واقع این کمیت معیاری از میزان داده‌های مفید در مقابل داده‌های مزاحم است. در دوربینهای دیجیتال، هرچقدر سایز پیکسل بزرگتر باشد، فوتون‌های بیشتری در هر پیکسل جمع‌آوری خواهد شد و تعداد فوتون‌های بیشتر بر روی نسبت سیگنال به نویز تأثیر مطلوب می‌گذارد. از آنجاییکه همه پیکسلها مقدار تقریبا! یکسانی نویز دارند، پیکسل‌هایی با سایز بزرگتر در نهایت داده‌های مفید بیشتری نسبت به پیکسل‌های کوچکتر جمع‌آوری می‌کنند. برای جبران سیگنال به نویز کمتر در پیکسل‌های کوچک، می‌توان از شدت تابش بالاتر و یا زمان نوردهی طولانی‌تر استفاده کرد. اما مورد اول اغلب برای کاربردهای میکروسکوپی زیستی مناسب نمی‌باشد زیرا سبب سمیت نوری نمونه‌های زنده تحت تصویربرداری شده و یا باعث بلیچینگ تگ‌های فلورسنت در نمونه می‌شود؛ و مورد دوم برای کاربردهای تصویربرداری از اجسام متحرک مانند دنبال کردن رویدادهای پویای زیستی مناسب نمی‌باشد و یا اینکه دوربین ممکن است توان تحمل زمان نوردهی بالا را نداشته باشد و آسب ببیند. بنابراین، در اختیار داشتن دوربینی با پیکسل‌های بزرگتر می‌تواند به معنای ثبت تصاویری با کیفیت بهتر (سیگنال به نویز بالاتر) باشد.
-
رزولوشن فضایی یک تصویر دیجیتال، به اندازه و تراکم فضایی پیکسل دوربین وابسته است. با کاهش اندازه پیکسل، رزولوشن تصویر افزایش می‌یابد. این افزایش زمانی اتفاق می‌افتد که اجسام کوچکتر می‌توانند روی پیکسل‌های کوچکتر تصویر شوند و با توجه به کاهش سایز پیکسلها، فاصله بین اجسام در تصویر نیز قابل تشخیص باشد. تقسیم تعداد پیکسل‌های افقی یا عمودی یک سنسور به اندازه جسم مورد مشاهده، نشان می‌دهد که هر پیکسل چقدر از فضای مورد نظر از تصویر را پوشش می‌دهد و در نتیجه تراکم پیکسلی نیز برای تخمین رزولوشن می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، این یک مدل بسیار ساده از تعیین رزولوشن سنسور دوربین، بدون در نظر گرفتن نویز یا پارامترهای دیگر است و البته این روش به درستی مشخص نمی کند که آیا اطلاعات موجود در هر پیکسل از اطلاعات پیکسل‌های دیگر قابل تشخیص است یا خیر. می‌دانیم که کمترین واحد اطلاعات قابل تفکیک در سنسور دیجیتال، “یک پیکسل” است. اگر اطلاعات مربوط به جزییات جسمی بر روی یک پیکسل قرار گیرند، در تصویر حاصله این جزییات قابل تفکیک نخواهند بود. اما اگر اطلاعات بر روی پیکسل‌های مجزا قرار گیرند، هر کدام از پیکسلها به صورت مجزا بازخوانی خواهند شد. بنابراین به نظر میرسد که اندازه “یک پیکسل” تعیین کننده حد پایین رزولوشن فضایی سنسور باشد. اما برای یک دوربین دیجیتال حد نهایی رزولوشن توسط حد نایکوئیست (Nyquist Limit) تعیین می‌شود.
[/vc_column_text][/vc_column_inner][/vc_row_inner][vc_row_inner equal_height=”yes” gap=”10″][vc_column_inner width=”2/3″][vc_column_text]
برای درک آنچه معیار نایکویست بیان می‌کند، می‌توان همانند شکل روبرو یک جفت مربع سیاه روی زمینه سفید را در نظر گرفت. اگر هرکدام از مربع‌ها روی پیکسل‌های مجاور در روی سنسور دوربین، تصویر شوند (تصویرa)، به نظر میرسد که به جای دو مربع جداگانه، یک مستطیل بزرگ در تصویر وجود دارد. با وجود تفکیک تصویر بر روی دو پیکسل متمایز، باز هم در تصویر ایجاد شده اجسام قابل تمایز نیستند. برای تشخیص مربع‌ها، به فضای مشخصی به اندازه حداقل یک پیکسل، نیاز است تا دو مربع متمایز از هم دیده شوند (تصویرb). بنابراین به جای یک پیکسل، در واقع “یک جفت پیکسل” حد نهایی رزولوشن فضایی یک سنسور دوربین دیجیتال خواهد بود. امروزه در پیشرفته ترین سنسورهای دوربین، اندازه پیکسل از حدود 1.5 تا 15 میکرومتر متغیر است که طبق معیار نایکویست قدرت تفکیک (رزولوشن) تصویر حاصل از این دوربین‌ها بین 3 تا 30 میکرومتر خواهد بود.
[/vc_column_text][vc_column_text]
Nyquist Limit [lp/mm]=1/2 (1000 [um/mm] / Pixel Size [um])
معمولا معیار نایکوییست به صورت نظری بر مبنای مفهوم فرکانس فضایی بیان می‌شود. در شکل بالا، مربع‌های سیاه و سفید متناوب به عنوان یک جفت خط (Line pairs) توصیف شده و فرکانس فضایی جسم به صورت جفت خط در میلیمتر (lp/mm) تعریف شده و فرکانس فضایی دوربین نیز به صورت پیکسل بر واحد طول، تعریف می‌شود. طبق قضیه نمونه برداری Nyquist برای دیجیتال‌سازی صحیح تصویر، فرکانس فضایی دوربین باید بیش از دوبرابر فرکانس فضایی نمونه باشد، که با عنوان فرکانس نمونه‌برداری نایکویست (Nyquist sampling frequency) نامیده می‌شود. در نهایت حد نایکوئیست بر اساس رابطه بالا و با ضریب یک دوم از فرکانس نایکوئیست، تعریف می‌شود.
دوربین‌هایی با سایز پیکسل کوچکتر از حد نایکوئیست بالاتری برخوردار هستند. برای درک بهتر این مبحث، دوربین اُرکافلش هاماماتسو (ORCA-Flash4.0 LT) را در نظر بگیرید. این دوربین حرفه‌ای با فناوری sCMOS دارای پیکسل‌هایی با سایز 6.5µm x 6.5µm می‌باشد. حد نایکوئیست برای این دوربین 77 خط بر میلیمتر است؛ به بیان دیگر، در تصاویر ثبت شده توسط این دوربین دیجیتال، جزییاتی در ابعاد حدود 13 میکرومتر (رزولوشن فضایی) به خوبی قابل تشخیص خواهد بود. بنابراین اگر معیار ما برای رزولوشن، تنها تعداد و سایز پیکسلها باشد، هرچقدر تعداد پیکسلها بیشتر و سایز کوچکتر باشد تصویر وضوح بیشتری خواهد داشت. اما برای پیکسل‌های با سایز کوچکتر حد نایکوئیست تعیین کننده کمترین رزولوشن فضایی تصویر است. به همین دلیل، هنگام مقایسه دوربین‌ها و تعیین بهترین انتخاب، علاوه بر سایز و تعداد پیکسلها، محاسبه رزولوشن فضایی بر حسب lp/mm بسیار مفید است. در مجموع به نظر میرسد که مبادله‌ای (Trade-off) بین سایز پیکسل و ویژگی‌های تصویر مانند رزولوشن و سیگنال به نویز وجود دارد. بنابراین، آنچه که واقعاً باید درک کنیم این است که برای هر کاربرد خاص، به چه سایز پیکسلی برای یک تصویرنگاری بهینه نیاز داریم.
[/vc_column_text][/vc_column_inner][/vc_row_inner][vc_row_inner][vc_column_inner][vc_column_text]
تعداد پیکسل
در میان مشخصات سنسور تصویرنگاری، علاوه بر سایز پیکسل، تعداد پیکسل نیز از اهمیت زیادی برخوردار است. تعداد پیکسلها تعیین‌کننده سطح فعال (Effective area) سنسور دوربین است. بهینه‌سازی میدان مشاهده، به اندازه سطح فعال سنسور مرتبط است. در همگام تصویربردای باید هماهنگی بین این دو در نظر گرفته شود تا بتوان تصویر جسم را بدون از دست دادن اطلاعات بر روی سنسور دوربین قرار داد. برای مثال در مشخصات فنی دوربین اُرکافلش هاماماتسو (ORCA-Flash4.0 LT) تعداد پیکسل‌های افقی و عمودی سنسور به تعداد 2048×2048 ذکر شده است. با توجه به سایز 6.5µm هر پیکسل، در نهایت این دوربین ناحیه فعالی با ابعاد 13.31mm x 13.31mm در راستای افقی و عمودی خواهد داشت. بنابراین نهایتا سطح مقطعی به ابعاد حدود 13×13 میلی متر مربع از جسم مورد مشاهده توسط این دوربین تصویر خواهد شد. بدیهی است که حسگرهایی با سطح فعال بیشتر دارای پیکسل‌های بزرگتر و یا تعداد بیشتری پیکسل کوچکتر هستند. پیشتر به مزایا و معایب پیکسل‌هایی با سایز بزرگ و کوچک اشاره کردیم اما ذکر این نکته در اینجا مهم است که هنگام استفاده از پیکسل‌های کوچک در یک سطح فعال بزرگ، و در نتیجه افزایش فرکانس پیکسلها، کنتراست تصویر کاهش می‌یابد.
[/vc_column_text][vc_column_text]
عمق پیکسل
در یک دوربین دیجیتال، پیکسلها با تبدیل فوتون به الکترون کار می‌کنند. سنسور دوربین در حالی که در معرض نور قرار دارد، الکترون‌ها را در هر پیکسل ذخیره کرده و سپس در یک بازه زمانی مشخص، الکترون‌ها را به سیگنال تبدیل می‌کند. عمق (چاه) پیکسل (Pixel well-depth) که به آن ظرفیت چاه کامل (Full well capacity) نیز گفته می‌شود، تعیین می‌کند که هر پیکسل قبل از اشباع چه تعداد الکترون می‌تواند ذخیره کند. پیکسلها بعد از اشباع شدن شروع به “نشت” الکترون به پیکسل‌های همسایه می‌کنند، که این باعث تحریف تصویر می‌شود. بنابراین هرچه عمق پیکسل بیشتر باشد برای نوردهی بالاتر، مناسب‌تر است. امروزه دوربینهای دیجیتال با مقادیر مختلف عمق پیکسل، از مقادیر کمتر از 7000 تا بیش از 700000 که با واحد “تعداد الکترون” بیان می‌شود، در بازار ارائه می‌شوند. هرچه اندازه پیکسل بزرگتر باشد ظرفیت چاه کامل مقدار بیشتری خواهد بود. بنابراین در اینجا نیز مبادله‌ای بین عمق پیکسل و رزولوشن دوربین (سایز پیکسل بزرگ در مقابل کوچک) وجود خواهد داشت.
[/vc_column_text][/vc_column_inner][/vc_row_inner][vc_row_inner][vc_column_inner][vc_column_text]
برای ادامه مبحث “بررسی مشخصات فنی دوربینهای تحقیقاتی”، بخش دوم این مقاله را مطالعه نمایید.
[/vc_column_text][/vc_column_inner][/vc_row_inner][vc_row_inner][vc_column_inner][vc_separator color=”white” style=”dashed” border_width=”3″ el_width=”5″][vc_column_text]
شما می‌توانید محصولات لبینت را در راستای تامین انواع دوربینهای تحقیقاتی، در صفحه تصویرنگاری مشاهده نمایید.
[/vc_column_text][vc_column_text]
بسیار سپاسگزار خواهیم بود اگر زمان کوتاهی را به ما اختصاص دهید و نظرات و پیشنهادات خود را در مورد مبحث ارائه شده با ما درمیان بگذارید.
[/vc_column_text][/vc_column_inner][/vc_row_inner][/vc_column][/vc_row]
