Labākās kameras ātrdarbīgai daļiņu attēlveidošanai

🔬 Izpratne par ātrdarbīgu daļiņu attēlveidošanu

Liela ātruma daļiņu attēlveidošana tiek izmantota, lai analizētu daļiņu uzvedību dinamiskā vidē. Tas ietver šķidruma dinamikas, aerosola uzvedības, sadegšanas procesu un pat bioloģisko procesu izpēti mikroskopiskā līmenī. Mērķis ir uzņemt attēlus no šīm daļiņām, kad tās pārvietojas un mijiedarbojas, nodrošinot datus analīzei un modelēšanai.

Liela ātruma daļiņu attēlveidošanas izaicinājumi izriet no nepieciešamības tvert ārkārtīgi ātrus notikumus. Daļiņas var pārvietoties ar ievērojamu ātrumu, tāpēc kamerām ar ļoti lielu kadru ātrumu, lai izvairītos no kustības izplūšanas un precīzi izsekotu to trajektorijām. Turklāt pašas daļiņas var būt mazas, un tām ir nepieciešamas augstas izšķirtspējas attēlveidošanas sistēmas, lai noteiktu to formas un izmērus.

Efektīvai daļiņu attēlveidošanai ir nepieciešams atbilstošs apgaismojums, optika un augstas veiktspējas kamera. Kamerai jāspēj uzņemt attēlus ātri un ar pietiekamu jutību, lai noteiktu daļiņas, pat ja tās ir vāji apgaismotas.

📸 Galvenās kameru tehnoloģijas daļiņu attēlveidošanai

CMOS kameras

Papildu metāla oksīda pusvadītāju (CMOS) kameras ir kļuvušas arvien populārākas ātrgaitas attēlveidošanas lietojumprogrammās. Tie piedāvā vairākas priekšrocības, tostarp lielu kadru ātrumu, labu izšķirtspēju un salīdzinoši zemas izmaksas. Mūsdienu CMOS sensori var sasniegt tūkstošiem vai pat miljonu kadru sekundē, padarot tos piemērotus ārkārtīgi ātru notikumu tveršanai.

Globālās slēdža CMOS kameras ir īpaši piemērotas daļiņu attēlveidošanai. Atšķirībā no slēdža kamerām, kas dažādos laikos uzņem dažādas attēla daļas, globālās slēdža kameras vienlaikus tver visu attēlu. Tas novērš kustību artefaktus un nodrošina precīzu daļiņu pozīciju attēlojumu.

Aizmugurējā apgaismojuma CMOS (sCMOS) kameras piedāvā uzlabotu jutību salīdzinājumā ar tradicionālajiem priekšējā apgaismojuma CMOS sensoriem. Tas ir tāpēc, ka gaisma var tieši sasniegt sensora gaismas jutīgo zonu, neizejot cauri vadiem un citām konstrukcijām priekšpusē. Tas nodrošina augstāku kvantu efektivitāti un uzlabotu signāla un trokšņa attiecību, kas ir būtiska vāju daļiņu attēlveidošanai.

ICCD kameras

Intensified Charge-Coupled Device (ICCD) kameras apvieno CCD sensoru ar attēla pastiprinātāju. Attēla pastiprinātājs pastiprina ienākošo gaismu, pirms tā sasniedz CCD, ļaujot noteikt ļoti vājus signālus. ICCD kameras bieži izmanto lietojumos, kur gaismas līmenis ir ārkārtīgi zems vai kur ir nepieciešams ļoti īss ekspozīcijas laiks.

ICCD kameras pastiprinātāju var atslēgt, kas nozīmē, ka to var ļoti ātri ieslēgt un izslēgt. Tas ļauj izvēlēties ļoti īsus ekspozīcijas laikus līdz dažām nanosekundēm, kas var efektīvi apturēt ātri kustīgu daļiņu kustību. Vārtu funkcija arī palīdz samazināt fona troksni un uzlabot attēla kontrastu.

ICCD kameras ir īpaši noderīgas tādos lietojumos kā lāzera izraisīta fluorescence (LIF) un fosforescences attēlveidošana, kur daļiņu izstarotā gaisma ir ļoti vāja. Tomēr tās mēdz būt dārgākas un tām ir zemāka izšķirtspēja, salīdzinot ar CMOS kamerām.

EMCCD kameras

Elektronu reizināšanas CCD (EMCCD) kameras piedāvā kompromisu starp ICCD kameru augsto jutību un CCD kameru labo izšķirtspēju. EMCCD kameras izmanto procesu, ko sauc par elektronu pavairošanu, lai pastiprinātu signālu, pirms tas tiek nolasīts no sensora. Tas ļauj noteikt ļoti vājus signālus ar minimālu pievienoto troksni.

EMCCD kameras bieži izmanto tādās lietojumprogrammās kā vienas molekulas attēlveidošana un astronomija, kur gaismas līmenis ir ārkārtīgi zems. Tie piedāvā labu jutību un izšķirtspēju, padarot tos piemērotus vāju daļiņu attēlveidošanai ar augstu telpisko precizitāti.

Lai gan EMCCD kameras nodrošina izcilu veiktspēju vājā apgaismojumā, tās parasti ir dārgākas nekā CMOS kameras, un tām var būt zemāks kadru nomaiņas ātrums. Tiem arī nepieciešama rūpīga kalibrēšana, lai samazinātu pārmērīga trokšņa faktora ietekmi.

⚙️ Galvenās specifikācijas, kas jāņem vērā

Kadru ātrums

Kadru nomaiņas ātrums, ko mēra kadros sekundē (fps), ir attēlu skaits, ko kamera var uzņemt laika vienībā. Liela ātruma daļiņu attēlveidošanai ir nepieciešams liels kadru ātrums, lai izvairītos no kustības izplūšanas un precīzi izsekotu daļiņu trajektorijām. Nepieciešamais kadru ātrums ir atkarīgs no daļiņu ātruma un vēlamās telpiskās izšķirtspējas.

Lai noteiktu nepieciešamo kadru ātrumu, ņemiet vērā daļiņu maksimālo ātrumu un vēlamo pārvietojumu uz vienu kadru. Piemēram, ja daļiņas pārvietojas ar ātrumu 1 metrs sekundē un vēlaties ierobežot pārvietojumu līdz 10 mikrometriem uz kadru, jums ir nepieciešams vismaz 100 000 kadri sekundē.

Ir svarīgi atzīmēt, ka kadru ātruma palielināšana bieži notiek uz izšķirtspējas rēķina. Daudzas ātrgaitas kameras samazina sensora laukumu vai bin pikseļus, lai sasniegtu lielāku kadru ātrumu. Tāpēc ir ļoti svarīgi līdzsvarot kadru ātrumu un izšķirtspēju, lai atbilstu jūsu lietojumprogrammas īpašajām prasībām.

Izšķirtspēja

Izšķirtspēja attiecas uz pikseļu skaitu attēla sensorā. Augstāka izšķirtspēja ļauj tvert smalkākas detaļas un precīzāk izmērīt daļiņu izmērus un formas. Nepieciešamā izšķirtspēja ir atkarīga no daļiņu izmēra un vēlamā detalizācijas līmeņa.

Lai noteiktu nepieciešamo izšķirtspēju, apsveriet mazāko daļiņu izmēru, kas jums jāizšķir, un vēlamo pikseļu skaitu uz daļiņu. Piemēram, ja jums ir nepieciešams izšķirt daļiņas, kuru diametrs ir 1 mikrometrs, un vēlaties, lai katrai daļiņai būtu vismaz 3 pikseļi, izšķirtspējai ir jābūt vismaz 3 pikseļiem uz mikrometru.

Ir svarīgi arī ņemt vērā attēlveidošanas sistēmas palielinājumu. Lielāks palielinājums ļauj tvert smalkākas detaļas, taču tas arī samazina redzes lauku. Tāpēc ir ļoti svarīgi līdzsvarot palielinājumu un izšķirtspēju, lai atbilstu jūsu lietojumprogrammas īpašajām prasībām.

Jutīgums

Jutība attiecas uz kameras spēju noteikt vājus gaismas signālus. Augsta jutība ir būtiska, lai attēlotu vājas daļiņas, jo īpaši gadījumos, kad gaismas līmenis ir zems vai kur ir nepieciešams ļoti īss ekspozīcijas laiks. Jutību parasti mēra kvantu efektivitātes (QE) izteiksmē, kas ir to fotonu procentuālā daļa, ko sensors pārvērš elektronos.

No aizmugures apgaismotām CMOS (sCMOS) un EMCCD kamerām ir visaugstākā jutība, tāpēc tās ir piemērotas ļoti vāju daļiņu attēlveidošanai. ICCD kameras piedāvā arī augstu jutību, taču tām var būt zemāka izšķirtspēja un augstāks trokšņu līmenis.

Papildus QE ir svarīgi ņemt vērā arī kameras lasīšanas troksni un tumšo strāvu. Lasīšanas troksnis ir nolasīšanas procesā radītais troksnis, savukārt tumšā strāva ir strāva, kas plūst caur sensoru pat tad, ja nav gaismas. Zemāks nolasīšanas troksnis un tumšā strāva uzlabo signāla un trokšņa attiecību un ļauj noteikt vājākus signālus.

Slēdža veids

Aizvara veids nosaka, kā attēls tiek uzņemts. Globālās slēdža kameras vienlaikus tver visu attēlu, savukārt slēdža kameras tver dažādas attēla daļas dažādos laikos. Liela ātruma daļiņu attēlveidošanai parasti priekšroka tiek dota globālajām slēdža kamerām, jo ​​tās novērš kustību artefaktus un nodrošina precīzu daļiņu pozīciju attēlojumu.

Ritošā slēdža kameras var radīt traucējumus, fotografējot ātri kustīgus objektus. Tas ir tāpēc, ka dažādās attēla daļas tiek uzņemtas dažādos laikos, tādējādi radot “izsmērēšanas” efektu. Globālās slēdža kameras novērš šo problēmu, vienlaikus uzņemot visu attēlu.

Tomēr globālās slēdža kameras bieži ir dārgākas, un tām var būt zemāka jutība salīdzinājumā ar slēdža kamerām. Tāpēc ir svarīgi izsvērt katra slēģu veida priekšrocības un trūkumus, lai noteiktu, kurš ir vispiemērotākais jūsu lietojumam.

💡 Apgaismojuma tehnikas

Pareizam apgaismojumam ir izšķiroša nozīme veiksmīgai liela ātruma daļiņu attēlveidošanai. Apgaismojuma tehnikas izvēle ir atkarīga no daļiņu izmēra un īpašībām, kā arī no vēlamā detalizācijas līmeņa.

Nepārtraukto viļņu (CW) lāzerus var izmantot, lai nodrošinātu pastāvīgu apgaismojumu liela ātruma attēlveidošanai. CW lāzeri ir salīdzinoši lēti un viegli lietojami, taču tie var nenodrošināt pietiekamu intensitāti ļoti mazu vai vāji izkliedējošu daļiņu attēlveidošanai. Impulsu lāzeri var nodrošināt ļoti īsus, augstas intensitātes gaismas impulsus, kas var efektīvi iesaldēt ātri kustīgu daļiņu kustību. Impulsu lāzerus bieži izmanto kopā ar ICCD kamerām, lai uzņemtu attēlus ar ļoti īsu ekspozīcijas laiku.

Gaismas diodes ir vēl viena apgaismojuma iespēja. Tie ir energoefektīvi, ilgstoši un viegli kontrolējami. Lieljaudas gaismas diodes var nodrošināt pietiekamu intensitāti daudziem daļiņu attēlveidošanas lietojumiem. Izkliedētu fona apgaismojumu var izmantot, lai izveidotu vienotu fonu, uz kura var attēlot daļiņas. Šo metodi bieži izmanto daļiņu izmēru un formu mērīšanai.

📊 Programmatūra un analīze

Programmatūra, ko izmanto, lai vadītu kameru un analizētu attēlus, ir svarīga ātrgaitas daļiņu attēlveidošanas sistēmas sastāvdaļa. Programmatūrai ir jānodrošina iespēja viegli kontrolēt kameras iestatījumus, piemēram, kadru ātrumu, ekspozīcijas laiku un pastiprinājumu. Tam vajadzētu nodrošināt arī attēlu apstrādes un analīzes rīkus, piemēram, fona atņemšanu, daļiņu noteikšanu un izsekošanu.

Liela ātruma attēlveidošanai ir pieejamas daudzas komerciālas programmatūras pakotnes. Šīs pakotnes bieži ietver uzlabotas funkcijas, piemēram, reāllaika attēlu apstrādi, automatizētu daļiņu izsekošanu un datu vizualizāciju.

Attēlu apstrādei un analīzei var izmantot arī atvērtā pirmkoda programmatūras pakotnes, piemēram, ImageJ un OpenCV. Šīs pakotnes piedāvā plašu rīku klāstu un ir ļoti pielāgojamas, taču tām var būt nepieciešamas lielākas programmēšanas zināšanas.