بسیاری از کاربردهای دوربینهای تحقیقاتی در زمینه تصویرنگاری از فرآیندهای پویا هستند و ثبت این حرکت و پولایی هدف بررسی‌های تخصصی می‌باشد. فرایندها و رخدادها در زمینه‌های مختلف تصویرنگاری، در بازه گسترده‌ای از مقیاس‌های زمانی اتفاق می‌افتند. برای پاسخ به این سوال که آیا دوربین مورد استفاده برای آزمایشات شما می‌تواند رزولوشن زمانی مناسب را داشته باشد، کمیتهای مهمی از جمله زمان نوردهی، نرخ فریم، نرخ خوانش پیکسل و سرعت بازخوانی پیکسل، باید در نظر گرفته شوند. در ادامه‌ی مبحث “بررسی مشخصات فنی دوربینهای تحقیقاتی” و در بخش سوم این مقاله، به بررسی رزولوشن زمانی دوربینهای دیجیتال می‌پردازیم.
زمان نوردهی
زمان نوردهی منظور از زمان نوردهی (Exposure time) مدت زمانی است که فیلم دوربین سنتی یا حسگر یک دوربین دیجیتال مدرن، در معرض نور قرار می‌گیرد تا بتواند یک تصویر را ضبط کند. میزان نور در سیستم تصویربرداری را کمیت زمان نوردهی تعیین می‌کند، اگر زمان نوردهی خیلی کوتاه باشد، تصاویری کم نور و تیره به دست می‌آید، اگر زمان نوردهی خیلی طولانی باشد، تصاویری بیش از حد روشن ایجاد می‌شوند. زمان لازم برای نوردهی در کاربردهای مختلف متفاوت است. عواملی مانند نوع و سطح جسم مورد بررسی و میزان حرکت و جابجایی جسم در تعیین زمان نوردهی سیستم تصویربرداری مهم هستند. برای مثال زمان بهینه نوردهی بسته به درجه انعکاس سطح نمونه می‌تواند متفاوت باشد. در شرایطی‌که نور زیاد سبب خطر آسیب دیدن نمونه می‌شود (مانند تصویرنگاری میکروسکوپی سلول زنده)، نیاز است که زمان نوردهی پایین آورده شود. در مورد ثبت اشیاء در حال حرکت، مدت زمان زیاد نوردهی می تواند منجر به تاری و ایجاد تصاویر مبهم شود. با این حال، در کاربردهایی که سطح نور در سیستم مورد بررسی پایین است، مانند بعضی کاربردهای میکروسکوپی، زمان‌های نوردهی طولانی‌تر ضروری است.
نرخ فریم
از دیگر مشخصات مهم یک دوربین دیجیتال، که به طور ویژه برای کاربردهای فیلم‌برداری باید مورد توجه قرار گیرد، نرخ فریم (Frame rate, Frame per second (fps)) یا تعداد فریم بر ثانیه است. نرخ فریم در واقع به فرکانس ثبت تصاویر توسط یک دوربین یا تعداد فریم‌ها در ثانیه گفته شده و با واحد هرتز نشان داده می‌شود. برای درک این کمیت، در شکل مقابل تعداد تصاویر ثبت شده در هر ثانیه با نرخ فریم 24 و 60 نشان داده شده‌است.به نمایش در آوردن این تصاویر در کنارهم، در نهایت تصویرمتحرک یا فیلم را ایجاد می‌کند. تعداد فریم‌های ثبت شده به نوبه خود تعیین می‌کند که تا چه اندازه فیلم بدست آمده واقعی به نظر می‌آید. به عنوان مثال، فیلم‌های به سبک هالیوود معمولاً با سرعت 24 فریم بر ثانیه به نمایش در می‌آیند، زیرا این نرخ فریم شبیه نحوه مشاهدات و درک ما از جهان است. نرخ فریم‌های مختلف تجربه‌های متفاوتی از ثبت مشاهدات زنده را به همراه دارند و در مورد انتخاب مناسب ترین نرخ فریم، اختلاف نظر زیادی وجود دارد.
نرخ فرم پایین، برای ثبت حرکات آهسته، تایم لپس و اسلوموشن کاربرد دارد و استفاده از نرخ فریم بالاتر برای پدیده‌هایی با تغییرات سریع مناسب است. یکی از پارامترهای مهم برای انتخاب نرخ فریم دوربین، میزان حرکت در پدیده مورد مشاهده است. اگر حرکت زیادی وجود داشته باشد، احتمالاً باید نرخ فریم بالاتر انتخاب شود زیرا ضبط تصاویر با نرخ فریم بالاتر، جزئیات بیشتری از میزان حرکت، ثبت می‌کند و حرکت را روان و جزئیات را واضح نگه می‌دارد.
بنابراین برای دوربینهای تحقیقاتی، در حالت کلی، چیزی به عنوان “بهترین” نرخ فریم وجود ندارد، ضمن اینکه بین نرخ فریم و دیگر پارامترهای دوربین می‌تواند مبادله‌ای وجود داشته باشد که باید مورد توجه قرار گیرد. از جمله اینکه بین نرخ فریم دوربین و زمان نوردهی ارتباط معکوس وجود دارد: حداکثر نرخ فریم قابل دستیابی (در واحد فریم بر ثانیه)، نمی‌تواند از معکوس زمان نوردهی بگذرد. به عنوان مثال، اگر حداکثر نرخ فریم دوربین 30 فریم در ثانیه باشد، اما زمان نوردهی روی 100 میلی‌ثانیه تنظیم شود تا یک تصویر کاملاً روشن بدست آید، تصویربرداری با چنین دوربینی غیرممکن خواهد بود. بنابراین هنگام تصویربرداری در نرخ فریم بالاتر لزوما باید زمان نوردهی کمتری مورد استفاده قرار گیرد. افزایش سطح تابش نور روی نمونه یکی از راه‌های کاهش زمان نوردهی در نرخ فریم بالاست. این راه حل به نظر ساده می‌رسد، اما همیشه و در کاربردهایی مختلف امکان‌پذیر نیست. بنابراین هنگام انتخاب دوربین سرعت بالا (نرخ فریم بالا)، حساسیت باید از ویژگی‌هایی باشد که در درجه اول اهمیت قرار گیرد. هرچه حساسیت دوربین بیشتر باشد، نور کمتری برای ثبت تصویر لازم است. این بدان معناست که یک دوربین بسیار حساس قادر خواهد بود در سرعت فریم بالا کار کند.
این نکته در اینجا لازم به ذکر است که در یک بررسی تخصصی‌تر، عوامل مختلفی در نرخ فریم دوربین تعیین کننده هستند و بسته به شرایط کاری استفاده از دوربین، تاثیر برخی عوامل در نرخ فریم می‌تواند متفاوت باشد. دو کمیت به نام زمان دستیابی فریم (frame acquisition time (FAT)) و زمان خوانش فریم (frame read time (FRT)) معرفی می‌شوند که براساس آنها نرخ فریم به صورت معکوس حاصل جمع زمان دستیابی فریم و زمان خوانش فریم، تعریف می‌شود. زمان دستیابی فریم به صورت مجموع زمان پاک کردن فریم به علاوه زمان باز شدن و سپس بسته شدن شاتر و زمان نوردهی تعریف می‌شود؛ زمان خوانش فریم نیز به همین صورت، به عوامل مختلفی وابسته است که اهمیت این عوامل بستگی زیادی به شرایط خاصی دارد که از دوربین استفاده می‌شود. می‌توان، نرخ فریم را که با در نظر گرفتن همه فاکتورها محاسبه می‌شود (نرخ FAT ، FRT و …) با نرخ فریمی که معمولا در کاتالوگ دوربین ذکر می‌شود، مقایسه کرد. در این مقایسه، گاهی اوقات، به خصوص هنگام خوانش سنسور با سرعت بسیار بالا و یا استفاده از روش‌های خاص خوانش پیکسل‌ها، تفاوت زیادی در نتایج وجود دارد.
زمان بازخوانی
زمان بازخوانی (Readout time)، بیانگر زمان مورد نیاز برای دیجیتال کردن یک پیکسل است، یا به عبارتی زمان مورد نیاز برای اینکه دیتای ثبت شده در پیکسل خوانده شده و به دیتای خروجی دیجیتالی تبدیل شود. کمیتهای سرعت بازخوانی (Readout speed) و یا نرخ بازخوانی پیکسل (Pixel scan rate) نیز به طور معادل برای بیان مفهوم زمان بازخوانی به کار می‌روند که در واحد پیکسل بر ثانیه یا هرتز بیان می‌شوند. اهمیت این کمیت در رزولوشن زمانی دوربین در این است که زمان بازخوانی، محدودیت مطلق مربوط به سرعت هر فریم را تعیین می‌کند. در هر فریم، خوانش (دریافت فوتون‌ها توسط پیکسل) و بازخوانش اطلاعات (تبدیل فوتون‌ها به الکترون و سیگنال خروجی) تقریبا همزمان انجام می‌شود. به این معنی‌که زمانی که تصویر فریم nام در حال بازخوانش است، اطلاعات تصویر فریم n+1 نیز تقریبا همزمان در پیکسل‌ها ذخیره می‌شود. بنابراین نمی‌توان برای زمان ثبت تصویر یک فریم، به زمان هایی کمتر از زمان مورد نیاز برای بازخوانی پیکسل‌ها رسید. اینجاست که سرعت بازخوانی، نقش محدود کننده و اصلی را در بهبود رزولوشن زمانی دوربین بر عهده دارد.
زمان ثبت هر فریم، به صورت مجموع زمان نوردهی و زمان تاخیر بیان می‌شود. زمان تاخیر (Delay time) زمانی است که سنسور دوربین در آن مدت ثبت فوتون‌های ورودی را انجام نمی‌دهد، به عبارتی فقط در مدت زمان نوردهی، پیکسل‌ها به صورت فعال ثبت فوتون را انجام می‌دهند. در دوربینهای تحقیقاتی، زمان نوردهی و زمان تاخیر توسط نرم افزار کنترل کننده دوربین، قابل تنظیم است. مثلا برای دوربینی با 100 فریم در ثانیه، هر فریم در 1/100 ثانیه یا 10 میلی ثانیه ثبت می‌شود. اما در تمام این بازه 10 میلی‌ثانیه امکان ثبت سیگنال برای پیکسل‌های دوربین وجود ندارد و مجموع زمان تاخیر و زمان نوردهی باید برابر با 10 میلی ثانیه باشد.
دروازه‌گذاری یا گیتینگ
گاهی نیاز است که شروع یا پایان نوردهی با یک عامل خارجی همزمان شود و یا به عبارتی با دروازه گذاری (Gating) توسط یک ماشه یا تریگر (Trigger) تعیین شود، که در این صورت عملیات گیتینگ بر روی دوربین، به صورت اپتیکی و یا الکتریکی، باید انجام شود. در مواردی که پدیده‌ای بسیار سریع در تصویرنگاری مورد بررسی قرار می‌گیرد، معمولا تصویربرداری در تنها یک فریم انجام می‌شود و نیاز است که تریگر خارجی، زمان ثبت داده در پیکسل‌ها را با زمان شروع و پایان رخداد پدیده، همزمان کند. اگر نیاز باشد که تصویربرداری در فریم‌های پشت سرهم تکرار شود، همانطور که در شکل زیر مشخص است، در اینجا نیز عامل محدود کننده “زمان بازخوانی” یا نرخ بازخوانی وارد می‌شود. نرخ بازخوانی، فاصله زمانی بین فریم‌ها را کنترل می‌کند و در صورتی که نرخ بازخوانی پایین باشد، اجازه ثبت فریم‌هایی در مرتبه‌ی سرعت رخداد پدیده، را نمی‌دهد.
