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.
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.
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.
Nyquist Limit [lp/mm]=1/2 (1000 [um/mm] / Pixel Size [um])
