Taille de capteur vs adaptateur de caméra vs champ de vision (FOV)
Utilisez un adaptateur à monture C pour installer la caméra sur votre microscope. En fonction du facteur de grossissement de l'adaptateur, le capteur de la caméra peut couvrir plus (grossissement inférieur) ou moins (grossissement supérieur) l'image provenant du microscope (image intermédiaire). La
taille conventionnelle des images intermédiaires est de 25 mm pour l'Axio Imager et de 23 mm pour l'Axio Observer et l'Axio Zoom.V16.
Le diamètre d'un capteur d'images est généralement de 7,9 mm (format 1/2"), 11 mm (format 2/3") ou 16 mm (format 1").
Les différents grossissements de l'adaptateur à monture C sont 1×, 0,63× et 0,5×. L'utilisation d'un grossissement inférieur sur l'adaptateur de par exemple 0,63× entraîne :
• un rapetissement de l'image intermédiaire qui se traduit par un plus grand champ de vision pour l'image finale
• un agrandissement de la taille des pixels qui augmente l'intensité lumineuse détectée par le capteur
• un agrandissement de la taille des pixels qui réduit la résolution réelle de la caméra
Résolution
La résolution spatiale d'une caméra numérique est liée à la densité de pixels, laquelle est définie par le nombre de pixels par zone de capteur. Plus l'ouverture de pixel est petite, meilleur sera l'échantillonnage de la structure présentée. La reproduction de fines structures (lignes) nécessite au moins deux pixels par séquence de structure (paire de lignes).
En fonction de la composition spectrale du signal, la réso-lution optique des caméras couleur peut être légèrement inférieure à celle de caméras monochromes en raison de la matrice de filtres colorés. Néanmoins, des algorithmes d'inter-polation élaborés permettent aux caméras couleur de fournir une qualité d'image optimale.
Taille des pixels 1280 × 720 pixels (66 % de 1080p)
1080p 1920 × 1080 pixels
(66 % de 1080p) 10 × 10 20 × 20 50 × 50 100 × 100
La taille de pixel définit la résolution.
Un pixel est la plus petite surface utile sur le capteur qui
Adaptateur 0,63×
FOV > 5× plus large Axiocam 705 avec une résolution plus élevée
Différentes tailles de capteur selon le champ de vision.
Adaptateur 1,0×
La taille de cellule unitaire peut être estimée en considérant la longueur géométrique (hauteur) d'une ligne de capteur (colonne), puis en la divisant par le nombre de pixels dans une ligne (colonne).
Effets de la taille des pixels Les pixels plus petits sont :
• bons pour une résolution supérieure
• plus bas dans la gamme dynamique
• moins sensibles à la lumière
• plus sensibles au bruit
Les pixels plus grands sont :
• bons pour une meilleure sensibilité à la lumière
• moins sensibles au bruit
• plus haut dans la gamme dynamique
• un facteur de réduction de la résolution spatiale
La taille de pixel idéale est un équilibre entre la sensibilité (pixel plus grand) et la résolution (pixel plus petit), afin d'obtenir le meilleur compromis possible pour répondre aux contraintes de l'imagerie dans une configuration optique donnée.
Filtre de
Capteurs monochrome et couleur – comparaison.
Même nombre de pixels
1 pixel 1 pixel
Même à nombres de pixels identiques, l'image obtenue avec les pixels plus grands présente moins de bruit car le capteur CCD est plus grand.
Désignation de l'effet Contrainte associée Contre-mesure
Courant d'obscurité
Signal parasite produit par des électrons générés par la chaleur dans le silicone du capteur.
Ce signal varie d'un pixel à l'autre et entraîne un décalage de signal en fonction du temps d'exposition pour chacun des pixels.
Il contribue également au bruit du signal.
Temps d'exposition maximal.
Sensibilité en basse lumière, gamme dynamique, défauts de pixels isolés (pixels chauds).
Pour une technologie de capteur spécifique, refroidissement thermoélectrique actif.
Bruit de sortie
Bruit ajouté au signal durant la lecture.
Sensibilité en basse lumière, limitant directement le seuil potentiel de détection en basse lumière, gamme dynamique.
Suivant le type de capteur et la gestion du signal analogique, amplification du signal par l'architecture EMCCD.
Bruit de grenaille des photons
Propriété physique de la lumière ; proportionnel à la racine carrée des électrons produits.
Précision de détection à des niveaux d'intensité élevés ; bruit, images en basse lumière.
La limite théorique et pratique de détection est absolue, par conséquent, il n'y a pas de contre-mesure.
Effets CAN
Effets de linéarité différentielle et intégrale, erreurs de quantification de convertisseurs analogiques-numériques.
Précision de détection, erreurs d'intensité. Utiliser des CAN adaptés, plus de bits que nécessaire, les algorithmes d'étalonnage du logiciel.
Artefacts de capteur statique
Pixels défectueux, effets de non-uniformité de la photo-réponse, courant d'obscurité, décalage de courant d'obscurité, électroluminescence, pixels
Défauts d'apparence visibles, structures fixes dans l'image, recouvrement des informations de l'image.
Traitement en temps réel des données d'image avec des algorithmes de correction, référence de noir, plans de courant d'obscurité par pixel, utilisation de capteurs sélectionnés.
Bruit
Dans une caméra numérique, le bruit est une fluctuation aléa-toire du signal d'image provoquant une erreur de détection.
Le bruit peut provenir de différentes sources physiques et limite la capacité de détection d'une caméra. Des algorithmes de post-traitement permettent de minimiser le bruit, mais au détriment d'autres caractéristiques de l'image, notamment la résolution.
Refroidissement du capteur
Le refroidissement minimise la production thermique d'élec-trons (courant d'obscurité) dans le matériau en silicone du capteur et le bruit du courant d'obscurité qui en résulte. Le courant d'obscurité peut être réduit d'un facteur de deux environ en abaissant la température du capteur de 7 °C. Un refroidissement thermoélectrique actif évite la surchauffe du capteur due à la dissipation de puissance dans l'électronique de la caméra.
Description Explication Avantage Inconvénient
Gain analogique Amplification du signal de tension analogique à la sortie d'un capteur d'images avant le convertisseur analogique-numérique (CAN).
• Accroît l'impression de luminosité du signal.
• Nécessaire pour adapter de manière optimale la sortie de signal analogique du capteur de la caméra à la plage d'entrée du convertisseur analogique-numérique (CAN) dans l'électronique de la caméra.
Cas particulier : en cas de goulet au niveau de la plage d'entrée du CAN le gain analogique peut être utilisé pour améliorer la sensibilité.
• Cas standard : lorsque le CAN peut prendre en charge l'amplitude totale du signal du capteur, un gain analogique ne permettra pas d'améliorer la sensibilité.
• Bruit très important sur les images.
• Réduction de la gamme dynamique intrascène disponible.
Gain EM Gain en multiplication d'électrons.
Phase d'accélération haute tension sur puce dédiée.
• Compense la limitation du bruit de lecture réelle amélioration de détection des signaux d'image en basse lumière.
• En combinaison avec une technologie d'illumination arrière et de grands pixels fournit la meilleure sensibilité possible en basse lumière.
• Image altérée par une nouvelle source de bruit
événements aléatoires de pixels lumineux minimisation requise du gain EM.
• Efficacité du gain affectée par le vieillissement
durée limitée du gain EM.
• Réduction de la gamme dynamique intrascène disponible.
Gain numérique Multiplication de la valeur numérique du pixel par un facteur numérique.
• Méthode mathématique pour améliorer la luminosité.
• Généralement utilisée pour adapter différentes intensités pour l'affichage canaux de fluorescence variés dans une image à multiples canaux.
• Aucune amélioration de la sensibilité de détection.
• Représentation en histogramme altérée lacunes dans les données d'histogramme.
• Réduction de la gamme dynamique intrascène disponible.
Méthodes d'amplification des signaux dans les caméras.
position [pixel]
Taux de bruit : 100
00
100 200 300 400 intensité [nombre] 1000200030004000
position [pixel]
sans bruit
00
100 200 300 400 intensité [nombre] 1000200030004000
Bruit d'obscurité (bruit thermique) : généré par des électrons thermiques dans le CCD ; un refroidissement d'environ 8 à 10° réduit le bruit d'obscurité d'un facteur deux.
Le refroidissement nécessite un radiateur pour dissiper la puissance émise par le refroidisseur thermoélectrique. Des mesures complémentaires sont indispensables pour prévenir la formation de la condensation générée par l'humidité sur la surface froide du capteur. Comparés aux anciens appareils, les capteurs modernes présentent un courant d'obscurité beaucoup moins élevé. Des températures extrêmement basses, -20 °C par exemple, ne sont pas toujours nécessaires.
Le refroidissement reste indispensable pour les caméras EMCCD en raison de leur fonctionnement particulier. Toutes les autres technologies de caméra utilisent un procédé de refroidissement uniquement pour des temps d'exposition prolongés (après 30 s environ et plus), lorsque le courant d'obscurité augmente et perturbe de nouveau le système.
Binning/Regroupement des pixels
La sensibilité de la caméra peut être améliorée en combinant des charges de signaux photogénérées à partir de pixels adjacents durant la phase de lecture. Ce procédé augmente également la cadence d'images de la caméra. Un effet indési-rable est la perte de résolution d'image. Les facteurs de binning s'étendent de 1 × 1 (aucun binning) à des pixels multiples comme 5 × 5. Le binning à charge multiple est essentiellement disponible sur les capteurs CCD. Le binning dans des capteurs de caméras CMOS a généralement lieu dans le domaine numé-rique en ajoutant des valeurs de pixels adjacents, ce qui ne procure aucune sensibilité supplémentaire.
Cadence de prise de vue
La fréquence d'images d'une caméra numérique indique le nombre d'images qui peuvent être produites par seconde (fps = frames per seconds). Contrairement aux caméras de télévision, les caméras scientifiques ne sont pas limitées aux fréquences d'images vidéo standard. Les fréquences d'images des caméras numériques dépendent de nombreux paramètres :
Le refroidissement thermoélectrique permet de minimiser les effets de courant d'obscurité des capteurs d'images CCD et CMOS.
Refroidisseur Peltier (plaque blanche), monté sur radiateur.
Socle de capteur Radiateur pour refroidisseur,
raccordé avec un boîtier pour dissipation thermique.
Temps d'exposition Plus court = plus rapide
Le temps d'exposition limite la fréquence d'acquisition des images absolue indépendamment des autres facteurs techniques. Si le temps de collecte des photons est de 100 ms, la fréquence d'images maximale qu'il est possible d'atteindre est 1/100 ms = 10 fps.
Vitesse de lecture du
capteur / fréquence d'horloge Plus élevée = plus rapide
Temps total de lecture : signaux cumulés de photons + conversion en signal numérique + transmission à un PC.
L'exposition et la lecture correspondent à un cycle complet d'acquisition d'une image.
Nombre de pixels Moins = plus rapide
Plus il y a de pixels, plus le cycle de lecture est long, plus la fréquence d'images est lente.
La bande passante de l'interface peut se transformer en goulet si le nombre de pixels ne peut pas être transféré durant le temps de lecture du capteur.
Sous-trame du capteur/zone d'intérêt
Plus petite = plus rapide
La définition des sous-zones du capteur (ROI, zone d'intérêt) aide à réduire le nombre de données images transmises.
Les fréquences d'images peuvent être augmentées.
Prérequis : temps d'exposition plus court que temps de lecture de la ROI.
Bande passante de l'interface
numérique Plus élevée = plus rapide
Capacité de transfert de données de l'interface. Une bande passante efficace USB 3.0 est d'environ 320 Mo/ s.
Pixels chauds
Les défauts d'apparence du capteur sont provoqués par une émission locale d'électrons dans le matériau du capteur. Les pixels chauds sont visibles sous forme de pixels lumineux isolés et statiques sur fond noir. Leur intensité présente de grandes variations et varie en fonction du temps d'exposition et de la température du capteur. Le signal ne peut pas être différencié des électrons générés par photon. Si le capteur est stabilisé en température, le courant d'obscurité peut être compensé en soustrayant le signal parasite en fonction du temps d'exposi-tion. Les pixels saturés doivent être interpolés dans la mesure où les informations de l'image contenues dans ces pixels sont perdues et ne peuvent pas être reconstituées. Avec le temps, le rayonnement cosmique peut provoquer de nouveaux pixels chauds défectueux.
Sensibilité spectrale / Rendement quantique (QE) Tous les types de détecteurs de lumière présentent une sensibilité à la lumière dépendant de la longueur d'onde. Le ren-dement de conversion est le taux de photons entrants par rapport aux électrons du signal généré, exprimé en pourcentage. La portée de détection des capteurs à base de silicone, comme les capteurs CCD ou CMOS, peut s'étendre d'environ 350 nm à 1000 nm, avec portée maximale entre 500 nm et 600 nm. Pour la détection de rayonnements en dehors de ce domaine spectral, d'autres maté-riaux doivent être utilisés.
Les appareils modernes éclairés par l'avant offrent un QE type de l'ordre de 70 %. Le QE monochrome peut être amélioré jusqu'à 95 % en pointe à l'aide de la technologie amincie (back thinned).
ZEISS Axiocam 702 mono offre une flexibilité étendue pour les temps d'exposition longs jusqu'à 60 s.
Capteur CMOS avec courant d'obscurité élevé, 10s, 4 °C ZEISS Axiocam 702 mono, 10s, 15 °C
Capteur CMOS avec temps d'exposition long ZEISS Axiocam 702 mono
La sensibilité spectrale des caméras couleur est inférieure à celle des caméras monochromes. Les colorants pour filtre coloré sur les pixels réduisent le QE spectral d'environ 15 %. Les caméras couleur nécessitent également un filtre IR puisque la couleur est définie seulement dans le spectre visible.
Température de couleur
La température de couleur est une valeur de température (en kelvins) d'une source de lumière. Elle est utilisée pour décrire la caractéristique spectrale de l'émission spectrale correspon-dante. Elle indique l'impression de couleur d'une source de lumière : les températures inférieures sont plus rouges, les températures supérieures sont plus bleues.
La température de couleur de la lumière influence la
percep-Balance des blancs
La couleur de la source d'éclairage agit sur la couleur d'un objet. L'intensité relative des canaux de couleur d'une caméra couleur doit être ajustée pour garantir une reproduction neutre de la couleur. Pour ce faire, vous devez sélectionner manuellement ou automatiquement un point neutre (gris) dans l'image. Réglez avec précision la reproduction de la couleur en attribuant des valeurs cibles légèrement décalées pour le point neutre. Ajustez la température de couleur du moniteur (par ex.
3 200 K) pour atteindre la reproduction des couleurs souhaitée.
Courbe d'affichage
La courbe d'affichage de l'image est un outil performant de ZEN Imaging Software, utilisé pour définir l'affichage des données d'image sur un écran d'ordinateur sans modifier les données image brutes. Grâce à cet outil, ajustez visuellement les zones sombres de votre image en modifiant de manière ciblée la courbure ou la pente de la courbe. Déplacez les points minimum ou maximum pour limiter la gamme d'intensité visua-lisée. La restitution des couleurs peut être influencée par une courbe gamma. Des caractéristiques d'image sont appliquées aux données d'image si celle-ci est exportée dans des formats d'image autres que .CZI.
Réglage du gamma – affichage linéaire
400 450 500 550 600 650 700
0,0
Sensibilité spectrale relative de ZEISS Axiocam 506 color.
Longueur d'onde (nm)
Sensibilité spectrale relative
Avantages des caméras monochromes pour l'imagerie en fluorescence
Pour de multiples raisons, les caméras monochromes conviennent mieux à l'imagerie de fluorescence que les caméras couleur :
Caractéristique Explication Plage de
sensibilité spectrale
Domaine spectral complet du silicone, gamme effective de 350 nm à 1000 nm en raison d'un filtre de blocage des IR manquant.
QE absolue Rendement quantique supérieur de +8 % à +30 % en fonction de la longueur d'onde, en raison de l'absence de filtre couleur sur les pixels.
Résolution spatiale
Résolution spatiale / optique supérieure, puisqu'il n'y a pas de configuration de filtre couleur sur les pixels.
Avec une caméra couleur, les pixels sont 25 % rouges, 25 % bleus et 50 % verts. Avec le signal monochromatique de fluorescence, seule une fraction de ces pixels est stimulée par la suite, le procédé est donc moins efficace.
Une courbe gamma quasi linéaire sur toute la gamme dynamique fournit un affichage plutôt sombre de cette image par lumière transmise.
Comme on le voit ici, une courbe gamma non linéaire de l'ordre de 0,45 sur toute la gamme dynamique fournit souvent un bon résultat pour les images
La même image affichée avec une forte courbe d'affichage – supprimant quelques informations sur les caractéristiques sombres et lumineuses – indique trop de contraste.
Avantages des caméras monochromes pour l'imagerie en fluorescence
Gamme dynamique
La gamme ou plage disponible des intensités mesurables dans une image isolée peut être calculée comme le ratio entre le point le plus lumineux et le point le plus sombre dans une image.
L'amplitude maximale est la différence entre la saturation du capteur (pleine capacité en sortie) et le bruit de fond (bruit de lecture).
Par exemple, pleine capacité 15 000 e⁻/ bruit de lecture 6 e⁻ = 2 500 valeurs d'intensité résolubles dans une image.
Dans ce cas, un convertisseur analogique-numérique (CAN) 12 bits est nécessaire pour afficher correctement ces valeurs.
Technologie de
capteur Explication Avantage Inconvénient
CCD « Dispositif à couplage de charge » Technologie fiable et éprouvée possédant un historique d'optimisation.
Technologie et qualité stables
Haute sensibilité, bonne gamme dynamique, qualité d'image très homogène, nombre peu élevé d'artefacts d'image, utilisable pour des temps d'exposition longs avec refroidissement.
Post-traitement minimum requis.
Architecture à obturateur global pour acquisition simultanée.
Solutions d'illumination par l'avant ou par l'arrière.
Sélection étendue de la taille et du nombre de pixels, architectures variées (obturateur global interligne, à transfert de trame).
Électronique de pilotage et CAN externes requis, chaleur relativement élevée produite par les circuits externes.
Vitesse de lecture limitée en raison du mécanisme de transport de charge.
Limitation de la vitesse du fait de l'architecture.
CMOS « Complementary Metal Oxide
Semiconductor »
Successeur de la technologie CCD, évolution récente pour la fabrication en série de produits de qualité, taux d'innovation actuellement élevé.
Produits ayant un large éventail de qualités et niveaux de performance.
Vitesse de lecture d'image la plus élevée à l'heure actuelle grâce à l'architecture de lecture parallèle, plus grande gamme dynamique existante, haute sensibilité à la lumière, technologie d'obturateur déroulant et global disponible, technologie de production en série de grande qualité, commande de capteur et traitement du signal incluant un CAN sur puce, sélection étendue du nombre de pixels et de leur taille.
Éclairage par l'avant standard, production en série croissante de dispositifs amincis à obturateur.
Plage limitée de temps d'exposition utilisable, post-traitement important des données d'image en raison de nombreuses non-uniformités et défauts d'apparence.
Une architecture d'obturateur déroulant très utilisée peut provoquer des distorsions géométriques provenant des objets en mouvement.
La fonction de regroupement des charges n'est pas fréquemment disponible.
sCMOS « Scientific Complementary Metal Oxide Semiconductor » CMOS haut de gamme
Un bruit de lecture moyen très faible permet une très bonne détection des signaux faiblement lumineux, grande gamme dynamique, fréquences d'images élevées possibles, commande de capteur et traitement du signal incluant un CAN sur puce, large champ de vision.
Uniquement à obturateur déroulant, post-traitement obligatoire des données d'image en raison des non-uniformités et défauts d'apparence, plage d'exposition limitée, refroidissement nécessaire dû au courant d'obscurité élevé, bruit de pixels clignotants, la bande passante extrême requiert une technologie d'interface spéciale, à savoir une liaison caméra ; fonction de regroupement des charges actuellement indisponible.
sCMOS Back Thinning
Technologie CMOS haut de gamme avec amincissement pour un QE élevé.
Sensibilité encore améliorée à un QE supérieur jusqu'à 95 %.
Coûteux, fabrication en faibles volumes.
Architecture à obturateur déroulant uniquement, post-traitement obligatoire des données d'image en raison des non-uniformités et défauts d'apparence, limité en temps d'exposition maximum utilisable, refroidissement requis pour restreindre le