Wielu badaczy ma kłopot z problemami eksploatacyjnymi kamer CCD podczas ich zastosowania w praktyce laboratoryjnej. Nie ma się czemu dziwić.
Asortyment oferowanych urządzeń do rejestracji obrazu jest niezwykle szeroki. Obejmuje on urządzenia profesjonalne i urządzenia powszechnego użytku, jak również, opisywane w literaturze, jednostkowe realizacje przeznaczone do funkcjonowania w bardzo specyficznych i wyspecjalizowanych zastosowaniach badawczych.
Kamery, przeznaczone do zastosowań badawczo - pomiarowych (ScientificGrade) stały się obecnie bardziej wyrafinowane niż kilka lat temu - i są instalowane praktycznie wszędzie - od mikroskopów, fotometrów i spektrofotometrów, poprzez teleskopy astronomiczne - do układów badania żelu i wykrywania efektów chemoluminescencji. Kamery CCD ?zapuściły korzenie" w każdym laboratorium nauk przyrodniczych. Warto zatem wyjaśnić najczęściej spotykane pojęcia, wątpliwości i problemy.
Zasadniczą zaletą zastosowania tradycyjnych odbiorników fotoelektrycznych
całkujących, tak cenioną w laboratoriach pomiarowych, jest stabilność parametrów
detektora. Wykorzystywanie tego samego obszaru światłoczułego detektora przy pomiarze wszystkich punktów (obszarów elementarnych) badanej sceny, umożliwia łatwą kompensację ustabilizowanych błędów własnych detektora. Wadą tej techniki pomiarowej jest jednak konieczność zastosowania mechanicznego lub optyczno-mechanicznego układu skanującego badany obszar w dwuwymiarowym układzie współrzędnych. Jest to znacząca komplikacja konstrukcyjna, wprowadzająca własne błędy odwzorowania konfiguracji geometrycznej analizowanego obszaru oraz wydłużająca czas pomiaru. Wymaga ponadto, zwłaszcza w konstrukcji układów skanowania optyczno-mechanicznego, odrębnych układów sterowania i stabilizacji układu napędowego.
Eliminowanie takich błędów zapewnia zastosowanie fotoelektrycznych detektorów analizujących (matryc obrazowych). Zapewniają one szybką akwizycję analizowanego obrazu, stałą geometrię obszaru detekcyjnego, jak również relatywnie wysoką dynamikę detekcji sygnału optycznego. Prawie jednoczesne pobieranie informacji o rozkładzie luminancji na podstawie pomiaru natężenia oświetlenia całej powierzchni detektora analizującego wymaga jednak współpracy z układami optycznymi tworzącymi obraz obszaru badanego na powierzchni matrycy. Wymagania dla jakości odwzorowania obrazu, tworzonego przez taki układ, są znacząco wyższe niż wymagania dla układu, współpracującego z tradycyjnym detektorem całkującym. Niezwykle istotnym czynnikiem, wpływającym na jakość i przydatność uzyskiwanych danych pomiarowych, są problemy obniżania poziomu szumów i innych czynników wprowadzających zaburzenia do analizowanego sygnału.
Szczególną uwagę poświęcono tu przedstawieniu problemów układu optycznego oraz doboru rodzaju detektora powierzchniowego, przeznaczonych do odwzorowania badanych obiektów (lub scen) na powierzchni światłoczułej detektora. Zdaniem autora ten problem realizacji układu pomiarowego nie jest na ogół dostatecznie kompleksowo analizowany w literaturze, szczególnie w aspektach możliwości i ograniczeń wprowadzanych przez własności odwzorowania optycznego (tak obiektywu, tworzącego obraz sceny na powierzchni detektora, jak i dodatkowych elementów jak: mikrosoczewki, lub też układy filtrujące i rozjaśniające oraz np. układy elektrod). Jest on jednak bardzo istotny z punktu widzenia oceny wynikowej pomiarów, zarówno w sensie analizy geometrii sceny jak również w sensie zależności fotometrycznych i spektrofotometrycznych.
Na zakończenie autor pragnie podkreślić, że założone w tytule pracy ograniczenie do pomiarów techniki świetlnej wyłączyło z prezentowanych rozważań cały obszar analiz obrazu w bardziej odległych zakresach widma elektromagnetycznego (np. podczerwieni, nadfioletu, itp.). Jest to temat niezwykle interesujący i spektakularny, często prezentowany w doniesieniach prasowych i publikacjach szczegółowych, jednak prezentacja tych zagadnień nie mieści się w zakresie objętościowym tej publikacji. Podobnie nie omówiono technik kojarzenia powierzchniowych detektorów analizujących z burzliwie rozwijającymi się urządzeniami do wzmacniania obrazu. Są one niezwykle frapujące w zastosowaniach wizualnych, jednak w analizach ilościowych będą niewątpliwie nowym źródłem szumów i niedokładności, które dopiero czekają na szczegółową analizę, a więc dziś trudno ocenić ich perspektywiczną przydatność jako urządzenia pomiarowego. Ze względu na obfitość anglojęzycznej literatury tematu - dla ułatwienia dalszych studiów tematu - w bibliografii autor zdecydował się na częste podawanie terminów angielskich.

Spis treści:

Wybrane oznaczenia użyte w tekście
Streszczenie
Przedmowa

1. Wstęp. Dzisiejszy poziom rozwoju technicznego i możliwości aplikacyjne
1.1. Uwagi wstępne i historyczne
1.2. Porady pozornie banalne - użytkowanie kamer CCD
1.3. Układy optyczne do kamer CCD
1.4. Parametry elektryczne kamer ze scalonymi analizatorami obrazu

2. Zasada działania scalonych analizatorów obrazu. Podstawowe właściwości, wady i zalety w zastosowaniach fotometrycznych oraz w pomiarach geometrii
2.1. Budowa i zasada działania
2.2. Podstawowe parametry użytkowe kamer CCD
2.2.1. Czułość detektorów a zakres spektralny promieniowania
2.2.1.1. Czułość detektorów fotoelektrycznych a czułość filmu fotograficznego
2.2.1.2. Oznaczanie czułości profesjonalnych kamer cyfrowych TV
2.2.2. Struktura nie przetworzonego obrazu z matrycy CCD
2.2.2.1. Składniki sygnału obrazu
2.2.2.2. Źródła szumu i ich zwalczanie
2.2.2.3. Obraz wynikowy po przetworzeniu
2.2.3. Rozdzielczość scalonych analizatorów obrazu
2.2.3.1. Rozdzielczość optyczna i interpolowana
2.2.3.2. Proporcje obrazu (wymiarów)
2.2.4. Migawka i prędkość zapisu
2.2.5. Zabezpieczenie przed prześwietleniem (Anti-blooming)
2.2.5.1. Pionowe dreny nadmiarowe (VOD)
2.2.5.2. Poziome (poprzeczne) dreny nadmiarowe (LOD)
2.2.6. Pocienianie podłoża krzemowego matrycy
2.2.7. Matryce mikrosoczewek
2.2.8. Powłoki konwersyjne dla zakresu UV
2.2.9. Szybkie matryce CCDF
2.2.10. Kamery o bardzo wysokiej wierności odtwarzania

3. Podstawowe zasady i metody przetwarzania sygnałów ze scalonych analizatorów obrazu
3.1. Wprowadzenie
3.2. Konfiguracje detektorów CCD ze względu na rodzaj procesu analizy obrazu
3.2.1. Skanowanie punktowe
3.2.2. Analiza (skanowanie) liniowa
3.2.3. Skanowanie powierzchniowe
3.3. Architektura CCD
3.3.1. Układy z odczytem ramki (bezpośrednim) (Full-Frame - FF)
3.3.2. Układy z przesuwem (całej) ramki (Frame-Transfer - FT)
3.3.3. Układy z odczytem międzyliniowym (Interline Transfer - IL)
3.4. Podstawowe procesy w matrycach CCD
3.4.1. Konwersja światła (fotonów) na ładunek elektryczny
3.4.2. Bariery i studnie potencjału
3.4.3. Techniki transferu ładunku
3.4.3.1. Czterofazowy rejestr przesiewający CCD
3.4.3.2. Trójfazowy rejestr przesuwający CCD
3.4.3.3. Pseudodwufazowy rejestr przesuwający CCD
3.4.3.4. Rzeczywisty dwufazowy rejestr przesuwający CCD
3.4.3.5. Układ rejestru przesuwającego CCD z fazą wirtualną
3.4.4. Techniki odczytu
3.5. Źródła niedokładności przetwarzania sygnału fotometrycznego na elektryczny
3.5.1. Wprowadzenie
3.5.2. Przegląd problemów, dotyczących wzmocnienia sygnału w układach CCD
3.5.3. Podstawy matematyczne
3.5.4. Zgrubne oszacowanie wzmocnienia
3.5.5. Przyczyny szumu dodatkowego w zależności pomiędzy sygnałem i wariancją
3.5.6. Korekcja nierównomierności powierzchniowej czułości analizatora obrazu
3.5.7. Przegląd wyników badań charakterystyk powierzchniowych matryc CCD
3.5.8. Dokładna metoda wyznaczania wzmocnienia
3.6. Metoda rozszerzania zakresu dynamicznego urządzeń CCD
3.6.1. Wprowadzenie
3.6.2. Zakres dynamiczny przyrządów CCD
3.6.2.1. Szum odczytu i szum Poissona
3.6.2.2. Górna granica: głębokość studni potencjału
3.6.3. Rozszerzanie efektywnego zakresu dynamicznego poprzez zwielokrotnienie konwerterów analogowo-cyfrowych
3.6.3.1. Konh-etny przykład
3.6.3.2. Ocena wymagań systemowych
3.6.4. Ograniczenia dokładności pomiarów całkowitego strumienia świetlnego oraz położenia na podstawie danych z tablicy CCD
3.6.4.1. Graniczne minimum wariancji Cramer-Rao
3.6.4.2. Obszary zastosowania
3.6.5. Przykład: astrometria za pomocą WFPC2 na pokładzie FIST
3.7. Porównanie kamer CCD TILL Imago z ?idealną" kamerą ze wzmacniaczem obrazu
3.8. Stosunek sygnału do szumu (SNR) w funkcji liczby fotonów na piksel

4. Wpływ rozwiązania technologicznego detektora na jego parametry fotometryczne (Detektory CCD a detektory CMOS)
4.1. Wprowadzenie: CCD a CMOS
4.2. Jakość obrazu w detektorach CCD i CMOS
4.2.1. Wytwarzanie ładunku
4.2.2. Zbieranie ładunku
4.2.3. Transfer ładunku
4.2.4. Pomiar ładunku
4.3. Szumy w detektorach CMOS
4.4. Cechy charakterystyczne układów CMOS
4.4.1. Usprawnienia architektury detektorów CMOS
4.4.1.1. Detektory zpikselamipasywnymi i aktywnymi
4.4.1.2. Struktura CMOS z pikselami cyfrowymi (DPS)
4.4.2. Technologia
4.4.3. Optymalizacja czułości
4.4.4. Usprawnianie charakterystyki szumów
4.4.5. Stosunek sygnału do szumu (SNR) oraz podwyższanie zakresu dynamicznego
4.5. Skalowanie
4.6. Operacja konwersji analogowo-cyfrowej A/C
4.7. Podsumowanie przeglądu metod redukcji szumów scalonych analizatorów obrazu

5. Powierzchniowe detektory analizujące w pomiarach luminancji
5.1. Uwagi wstępne
5.2. Koncepcja pomiaru luminancji za pomocą układów z analizatorami obrazu
5.3. Rejestracja i ocena olśniewających źródeł promieniowania optycznego w obszarze obserwacji wizualnej
5.4. Przetwarzanie informacji w torze odwzorowania optycznego układu detekcyjnego
5.4.1. Zjawiska optyczne w obszarze analizowanej sceny
5.4.1.1. Oświetlenie analizowanego obszaru źródłem promieniowania (reflektorem)
5.4.1.2. Charakterystyka elementów sceny rozpraszających światło
5.4.2. Charakterystyki odwzorowania optycznego obiektywu kamery pomiarowej
5.4.2.1. Transmisja energii świetlnej w układach pomiaru luminancji z odbiornikiem całkującym
5.4.2.2. Zależności energetyczne w układzie pomiarowym z detektorem analizującym (matryca CCD)
o dużym polu widzenia
5.5. Oszacowanie dopuszczalnych wartości błędów odwzorowania układu optycznego obiektywu kamery
z punktu widzenia pomiarów luminancji
5.6. Ocena wymagań dotyczących dokładności zogniskowania układu obiektywu kamery i głębi ostrości odwzorowania
5.7. Winietowanie naturalne i geometryczne
5.8. Charakterystyki aberracyjne obiektywów współpracujących z powierzchniowymi detektorami analizującymi
5.8.1. Wymagania jakościowe obiektywu kamery CCD
5.8.2. Wpływ aberracji dodatkowych elementów optycznych w układzie obiektyw- matryca CCD
5.8.3. Charakterystyki odwzorowania przez obiektyw kamery przedmiotów złożonych
5.9. Źródła i skutki światła pasożytniczego w układzie optycznym kamery
5.10. Właściwości optyczne detektora analizującego obraz (matrycy CCD)
5.10.1. Czułość i zakres pracy scalonych analizatorów obrazu
5.10.2. Szumy i zakłócenia generowane optycznie w trakcie procesu przetwarzania sygnału optycznego oraz transferu w obszarze matrycy
5.10.3. Czułość widmowa scalonych analizatorów obrazu
5.11. Podsumowanie

6. Pomiary wielkości geometrycznych
6.1. Wstęp
6.2. Metody oceny geometrii konturów w obrazach z nieostrymi krawędziami
6.2.1. Matematyczne określanie położenia krawędzi
6.2.2. Ostrość krawędzi
6.2.3. Przykład weryfikacji praktycznej metody analitycznej
6.3. Metody pomiaru kształtu przestrzennego powierzchni
6.3.1. Metody odtwarzania kształtów trójwymiarowych
6.3.1.1. Metody bazujące na pomiarach obiektów
6.3.1.2. Metody niebazujące na pomiarach
6.3.1.3. Rekonstrukcja fotogrametryczna i modelowanie
6.3.2. Metody wizualizacji powierzchni na podstawie chmury punktów
6.3.2.1. Rekonstrukcja kształtu powierzchni i modelowanie
6.3.2.2. Klasyfikacja algorytmów rekonstrukcyjnych
6.3.2.3. Konwersja danych pomiarowych
6.3.3. Rekonstrukcja obiektów na podstawie identyfikacji obszarów
6.4. Problemy zastosowania detektora jednowymiarowego (fotolinijki CCD) do rekonstrukcji obiektów trójwymiarowych
6.4.1. Wprowadzenie
6.4.2. Analiza obrazu za pomocą fotolinijki CCD
6.4.2.1. Fotolinijki - przeglądwłaściwości technicznych
6.4.2.2. Kamery z detektorami liniowymi
6.4.2.2.1. Model kamery
6.4.2.2.2. Sprzęganie pikseli w układach fotolinijek
6.4.2.2.3. Szum o stałym obrazie i niejednorodność czułości
6.4.2.2.4. Korekcja niejednorodności powierzchniowej fotolinijki
6.4.2.2.5. Dystorsja obiektywu
6.4.2.3. Układy kamer TDI
6.4.3. Problemy kalibracji układów pomiarowych
6.4.3.1. Projektowanie dwuwymiarowego wzorca kalibracyjnego
6.4.3.2. Obliczenie wzorca kalibracyjnego
6.4.4. Odwzorowanie za pomocą ruchomej kamery z fotolinijką CCD
6.4.5. Regulacja wiązki promieni względem fotolinijki
6.4.6. Samokalibracja układu odwzorowania
6.4.7. Wynikowa dokładność odtworzenia trójwymiarowego

7. Metody kompensacji ruchu obiektów względem układu rejestracji obrazu
7.1. Wprowadzenie
7.2. Model detektora obrazu CMOS
7.3. Estymacja wartości fotoprądu
7.4. Metody skanowania z wykorzystaniem matryc CCD z przesuwem ramki
7.4.1. Kilka metod skanowania z wykorzystaniem CCD z przesuwem ramki
7.4.2. Wyniki doświadczalne
7.4.3. Wykrywanie i pomiar obiektów

8. Problemy detekcji barwy i analizy spektralnej z wykorzystaniem scalonych analizatorów obrazu
8.1. Uwagi wstępne
8.2. Pojęcia podstawowe
8.2.1. Pojęcie barwy
8.2.2. Barwa światła a barwa ciała
8.2.3. Temperatura barwowa
8.2.4. Rozpoznawanie barwy w układach ze scalonymi analizatorami obrazu
8.3. Specyficzne charakterystyki spektralne pryzmatycznych układów separacji barwy
8.3.1. Zaburzenia odtwarzania bieli
8.3.2. Zaburzenia odtwarzania barwy w obrazach rozogniskowanych
8.3.3. Zaburzenia odtwarzania barwy związane z efektami polaryzacyjnymi
8.3.4. Zaświetlenia i ich usuwanie

9. Uwagi końcowe

Skorowidz rzeczowy
Bibliografia