Kamery cyfrowe i fotografia

Leksykon.

Pojęcia z zakresu: cyfrowych kamer stosowanych w mikroskopii optycznej, znaczenia ich najważniejszych parametrów oraz fotografii cyfrowej.

Kamera cyfrowa.
Kamery cyfrowe oparte są na matrycach CCD (z ang. Charge-Coupled Device – układ ze sprzężeniem ładunkowym), bądź CMOS ( Complementary Metal Oxide Semiconductor ).

Zasadnicza różnica przetwornika CMOS do CCD, to posiadanie przez każdy element światłoczuły w matrycy CMOS własnego przetwornika ładunku.

Sensor optyczny w obydwu typach złożony jest z elementów kryształu krzemu. Rejestruje on natężenie światła, a właściwie ilość padających na niego fotonów.

Specjalny układ odczytuje wartości natężenia prądu wyzwalanego w poszczególnych elementach CCD, czy CMOS i dokonuje ich wzmocnienia. W tej postaci, ciągle analogowej są poddane konwersji do postaci cyfrowej. W ten sposób uzyskiwana jest informacja o jasności danego obrazu. Barwa każdego z punktów obrazu ustalana jest na podstawie analizy podstawowych kolorów składowych: czerwonego, zielonego i niebieskiego ( RGB ). Każdemu z nich przypisany zostaje jeden z kolorów składowych, a rezultat końcowy uzyskuje się dzięki interpolacji odczytu sąsiadujących ze sobą detektorów.

Istotne różnice pomiędzy matrycami CCD oraz CMOS to najogólniej ujmując:
CMOS oferuje zazwyczaj większą szybkość ( odświeżanie ) i niski pobór mocy.
CCD oferuje zazwyczaj większą czułość, większa dynamikę, mniejsze zakłócenia.

Rozdzielczość kamery.
Rozdzielczość kamery wyrażana jest sumaryczną liczbą wszystkich elementów światłoczułych zastosowanego przetwornika np. 1,3 MPix, 3,2 MPix, 5 MPix, bądź liczbą linii poziomych i pionowych elementów światłoczułych ułożonych w przetworniku np.  1280x1024, 2048x1532, 2592x1944 i wyrażana jest w pikselach, najczęściej z przedrostkiem „mega”.

Rozdzielczość kamery jest najczęściej podawanym parametrem, aczkolwiek z punktu widzenia zastosowań w mikroskopii optycznej nie zawsze najważniejszym.

Rozdzielczość przetwornika.
Rozdzielczość przetwornika określają dyskretnych wartości jakie może on wytworzyć i wyraża się ją w bitach. Przetwornik A/C, który przetwarza próbkę sygnału na jedną z 256 wartości liczbowych reprezentuje rozdzielczość 8 bitów ( 2⁸ = 256 ). Rozdzielczość przetwornika równa 14 bitów, to 2¹⁴ = 16384 poziomów kwantyzacji. W przypadku przetworników RGB mówimy o 3 składowych, czyli np. 3x8, 3x10, 3x12, 3x14 bitów.

Wielkość przetwornika.
W kamerach spotykamy różne wielkości przetworników np. 1/3", 1/2", 2/3" i inne.
To od wielkości przetwornika i jego rozdzielczości zależy wielkość pojedynczego piksela, a ta wartość w dużej mierze determinuje czułość urzadzenia i stosunek jakości sygnału do szumu.  

Czas ekspozycji.
Zakres czasu ekspozycji to przedział, w którym kamera potrafi zbierać obraz, inaczej to czas otwarcia migawki, w którym detektor rejestruje padające na nie światło. Zamiennie możemy określić  jako czas naświetlania. Czas ekspozycji zależy od natężenia oświetlenia, czułości detektora, wartości tonalnej i barwy fotografowanego preparatu.

Odświeżanie
Odświeżanie obrazu to parametr mówiący o ilości wyświetlanych obrazów ( klatek ) na sekundę ( fps. frames per second ). Zależy od czułości przetwornika i ilości padającego na nie światła. W mikroskopii optycznej przyjmuje się optymalną wartość odświeżania od kilku do ok. 50 fps.

Binning
Binning to w najprostszym ujęciu łączenie obrazów ( informacji ) z sąsiadujących elementów przetwornika kamery w jeden piksel. Binning może  przybierać różne wartości: 1x2, 2x2, 3x3, 4x4 itd. Mechanizm ten stosuje się w celu zwielokrotnienia szybkości odświeżania i czułości, gdy nie zawsze jest możliwe ich uzyskanie na wystarczającym poziomie, bądź ważniejsze jest uzyskanie informacji o występowaniu nawet słabego sygnału, niż sama rozdzielczość obrazu.

C-mount.
Rodzaj mocowania, znormalizowane parametry gwintu dla kamery i adapterów do mikroskopu. Jest to standard powszechny i uniwersalny, chociaż sptkać mnożna także inne. Oprócz parametru C-monunt przy doborze i mechanicznym połączeniu kamery do mikroskopu należy pamiętać o specyficznym złączu samego adaptera do mikroskopu i odległości fokalnej.

  Autor: K.J