Parhaat kamerat nopeaan hiukkaskuvaukseen

🔬 Nopean hiukkaskuvauksen ymmärtäminen

Nopeaa hiukkaskuvausta käytetään analysoimaan hiukkasten käyttäytymistä dynaamisissa ympäristöissä. Tämä sisältää nestedynamiikan, aerosolin käyttäytymisen, palamisprosessien ja jopa biologisten prosessien tutkimisen mikroskooppisella tasolla. Tavoitteena on ottaa kuvia näistä hiukkasista niiden liikkuessa ja vuorovaikutuksessa, jolloin saadaan dataa analysointia ja mallintamista varten.

Nopean hiukkaskuvauksen haasteet johtuvat tarpeesta tallentaa erittäin nopeita tapahtumia. Hiukkaset voivat liikkua suurilla nopeuksilla, joten kamerat, joilla on erittäin korkea kuvanopeus, välttävät liikkeen epäterävyyttä ja seuraavat tarkasti niiden liikeradat. Lisäksi itse hiukkaset voivat olla pieniä ja vaatia korkearesoluutioisia kuvantamisjärjestelmiä muotojensa ja kokonsa selvittämiseksi.

Tehokas hiukkaskuvaus vaatii sopivan valaistuksen, optiikan ja tehokkaan kameran yhdistelmän. Kameran tulee pystyä ottamaan kuvia nopeasti ja riittävällä herkkyydellä havaitsemaan hiukkaset, vaikka ne olisivat heikosti valaistuja.

📸 Tärkeimmät kameratekniikat hiukkaskuvaukseen

CMOS-kamerat

Täydentävistä metallioksidipuolijohdekameroista (CMOS) on tullut yhä suositumpia nopeissa kuvantamissovelluksissa. Ne tarjoavat useita etuja, kuten korkean kuvanopeuden, hyvän resoluution ja suhteellisen alhaiset kustannukset. Nykyaikaiset CMOS-anturit voivat saavuttaa tuhansien tai jopa miljoonien ruutujen kuvanopeudet sekunnissa, mikä tekee niistä sopivia erittäin nopeiden tapahtumien tallentamiseen.

Global shutter CMOS -kamerat soveltuvat erityisen hyvin hiukkaskuvaukseen. Toisin kuin rullasuljinkamerat, jotka tallentavat kuvan eri osia eri aikoina, globaalit suljinkamerat tallentavat koko kuvan samanaikaisesti. Tämä eliminoi liikeartefaktit ja varmistaa hiukkasten sijainnin tarkan esityksen.

Taustavalaistut CMOS-kamerat (sCMOS) tarjoavat paremman herkkyyden verrattuna perinteisiin etuvalaistuksiin. Tämä johtuu siitä, että valo pääsee suoraan anturin valoherkälle alueelle kulkematta johtojen ja muiden etupuolen rakenteiden läpi. Tämä johtaa korkeampaan kvanttitehokkuuteen ja parempaan signaali-kohinasuhteeseen, mikä on välttämätöntä himmeiden hiukkasten kuvaamisessa.

ICCD kamerat

Intensified Charge-Coupled Device (ICCD) -kamerat yhdistävät CCD-sensorin kuvanvahvistimeen. Kuvanvahvistin vahvistaa tulevaa valoa ennen kuin se saavuttaa CCD:n, mikä mahdollistaa erittäin heikkojen signaalien havaitsemisen. ICCD-kameroita käytetään usein sovelluksissa, joissa valotasot ovat erittäin alhaiset tai joissa vaaditaan erittäin lyhyitä valotusaikoja.

ICCD-kameran vahvistin voidaan avata, mikä tarkoittaa, että se voidaan kytkeä päälle ja pois erittäin nopeasti. Tämä mahdollistaa erittäin lyhyiden valotusaikojen valinnan muutamaan nanosekuntiin asti, mikä voi tehokkaasti pysäyttää nopeasti liikkuvien hiukkasten liikkeen. Avainnustoiminto auttaa myös vähentämään taustamelua ja parantamaan kuvan kontrastia.

ICCD-kamerat ovat erityisen hyödyllisiä sovelluksissa, kuten laser-indusoidussa fluoresenssissa (LIF) ja fosforesenssikuvauksessa, joissa hiukkasten lähettämä valo on erittäin heikkoa. Ne ovat kuitenkin yleensä kalliimpia ja niiden resoluutio on pienempi kuin CMOS-kameroissa.

EMCCD-kamerat

Electron Multiplying CCD (EMCCD) -kamerat tarjoavat kompromissin ICCD-kameroiden korkean herkkyyden ja CCD-kameroiden hyvän resoluution välillä. EMCCD-kamerat käyttävät prosessia, jota kutsutaan elektronien kertolaskuksi, signaalin vahvistamiseksi ennen kuin se luetaan anturista. Tämä mahdollistaa erittäin heikkojen signaalien havaitsemisen minimaalisella lisäkohinalla.

EMCCD-kameroita käytetään usein sovelluksissa, kuten yhden molekyylin kuvantamisessa ja tähtitiedossa, joissa valotasot ovat erittäin alhaiset. Ne tarjoavat hyvän herkkyyden ja resoluution, joten ne soveltuvat heikkojen hiukkasten kuvaamiseen suurella tilatarkkuudella.

Vaikka EMCCD-kamerat tarjoavat erinomaisen suorituskyvyn heikossa valaistuksessa, ne ovat yleensä kalliimpia kuin CMOS-kamerat ja niiden kuvataajuus voi olla pienempi. Ne vaativat myös huolellisen kalibroinnin ylimääräisen kohinatekijän vaikutusten minimoimiseksi.

⚙️ Huomioon otettavat tärkeimmät tekniset tiedot

Kuvataajuus

Kuvataajuus, mitattuna ruutuina sekunnissa (fps), on kuvien määrä, jonka kamera voi ottaa aikayksikköä kohden. Nopeassa hiukkaskuvauksessa korkea kuvanopeus on välttämätön liikkeen epäterävyyden välttämiseksi ja hiukkasten liikeradan tarkkaan seuraamiseksi. Tarvittava kuvanopeus riippuu hiukkasten nopeudesta ja halutusta tilaresoluutiosta.

Tarvittavan kuvanopeuden määrittämiseksi harkitse hiukkasten maksiminopeutta ja haluttua siirtymää kehystä kohti. Jos hiukkaset liikkuvat esimerkiksi nopeudella 1 metri sekunnissa ja haluat rajoittaa siirtymän 10 mikrometriin kehystä kohti, tarvitset vähintään 100 000 fps:n kuvanopeuden.

On tärkeää huomata, että kuvanopeuden lisääminen tapahtuu usein resoluution kustannuksella. Monet nopeat kamerat pienentävät anturialuetta tai bin pikseleitä korkeamman kuvanopeuden saavuttamiseksi. Siksi on erittäin tärkeää tasapainottaa kuvanopeus ja resoluutio sovelluksesi erityisvaatimusten täyttämiseksi.

Resoluutio

Resoluutio viittaa kuvakennon pikselien määrään. Suurempi resoluutio mahdollistaa hienompien yksityiskohtien tallentamisen ja hiukkasten koon ja muodon tarkemman mittauksen. Tarvittava tarkkuus riippuu hiukkasten koosta ja halutusta tarkkuudesta.

Tarvittavan resoluution määrittämiseksi harkitse pienintä erotettavaa hiukkaskokoa ja haluttua pikselien määrää hiukkasta kohden. Jos esimerkiksi haluat erottaa hiukkasia, joiden halkaisija on 1 mikrometri ja haluat vähintään 3 pikseliä jokaiselle hiukkaselle, tarvitset vähintään 3 pikseliä mikrometriä kohti.

On myös tärkeää ottaa huomioon kuvantamisjärjestelmän suurennus. Suurempi suurennus mahdollistaa hienompien yksityiskohtien tallentamisen, mutta se myös pienentää näkökenttää. Siksi on erittäin tärkeää tasapainottaa suurennus ja resoluutio sovelluksesi erityisvaatimusten täyttämiseksi.

Herkkyys

Herkkyys viittaa kameran kykyyn havaita heikkoja valosignaaleja. Korkea herkkyys on välttämätöntä himmeiden hiukkasten kuvaamisessa, erityisesti sovelluksissa, joissa valotaso on alhainen tai joissa vaaditaan erittäin lyhyitä valotusaikoja. Herkkyys mitataan tyypillisesti kvanttitehokkuudella (QE), joka on sensorin elektroneiksi muuntamien fotonien prosenttiosuus.

Taustavalaistut CMOS- (sCMOS)- ja EMCCD-kamerat tarjoavat korkeimman herkkyyden, joten ne soveltuvat hyvin haaleiden hiukkasten kuvaamiseen. ICCD-kamerat tarjoavat myös korkean herkkyyden, mutta niissä voi olla pienempi tarkkuus ja korkeampi melutaso.

QE:n lisäksi on tärkeää ottaa huomioon myös kameran lukukohina ja pimeävirta. Lukukohina on lukuprosessin aikana esiintyvää kohinaa, kun taas pimeä virta on virta, joka kulkee anturin läpi, vaikka valoa ei olisikaan. Alhaisempi lukukohina ja tumma virta parantavat signaali-kohinasuhdetta ja mahdollistavat heikompien signaalien havaitsemisen.

Suljintyyppi

Suljintyyppi määrittää, kuinka kuva otetaan. Globaalit suljinkamerat tallentavat koko kuvan samanaikaisesti, kun taas rullasuljinkamerat tallentavat kuvan eri osia eri aikoina. Nopeassa hiukkaskuvauksessa globaaleja suljinkameroita suositaan yleensä, koska ne eliminoivat liikeartefaktit ja varmistavat hiukkasten sijainnin tarkan esityksen.

Rullasulkimen kamerat voivat aiheuttaa vääristymiä kuvattaessa nopeasti liikkuvia kohteita. Tämä johtuu siitä, että kuvan eri osat on otettu eri aikoina, mikä johtaa ”smearing”-efektiin. Globaalit suljinkamerat välttävät tämän ongelman ottamalla koko kuvan samanaikaisesti.

Globaalit suljinkamerat ovat kuitenkin usein kalliimpia ja niillä voi olla pienempi herkkyys verrattuna rullasulkimien kameroihin. Siksi on tärkeää punnita kunkin suljintyypin edut ja haitat määrittääksesi, mikä sopii parhaiten sovellukseesi.

💡 Valaistustekniikat

Oikea valaistus on ratkaisevan tärkeää nopean hiukkaskuvauksen onnistumiselle. Valaistustekniikan valinta riippuu hiukkasten koosta ja ominaisuuksista sekä halutusta tarkkuudesta.

Jatkuvan aallon (CW) lasereita voidaan käyttää jatkuvaan valaistukseen nopeaa kuvantamista varten. CW-laserit ovat suhteellisen edullisia ja helppokäyttöisiä, mutta ne eivät välttämättä tarjoa riittävää intensiteettiä hyvin pienten tai heikosti siroilevien hiukkasten kuvaamiseen. Pulssilaserit voivat tuottaa erittäin lyhyitä, korkean intensiteetin valopulsseja, jotka voivat tehokkaasti jäädyttää nopeasti liikkuvien hiukkasten liikkeet. Pulssilasereita käytetään usein yhdessä ICCD-kameroiden kanssa kuvien ottamiseksi erittäin lyhyillä valotusajoilla.

LEDit ovat toinen vaihtoehto valaistukseen. Ne ovat energiatehokkaita, pitkäikäisiä ja helposti hallittavissa. Tehokkaat LEDit voivat tarjota riittävän voimakkuuden moniin hiukkaskuvaussovelluksiin. Hajataustavalolla voidaan luoda yhtenäinen tausta, jota vasten hiukkaset voidaan kuvata. Tätä tekniikkaa käytetään usein hiukkasten koon ja muodon mittaamiseen.

📊 Ohjelmisto ja analyysi

Kameran ohjaamiseen ja kuvien analysointiin käytettävä ohjelmisto on tärkeä osa nopeaa hiukkaskuvausjärjestelmää. Ohjelmiston tulee mahdollistaa kameran asetusten, kuten kuvanopeuden, valotusajan ja vahvistuksen, helppo hallinta. Sen pitäisi myös tarjota työkaluja kuvankäsittelyyn ja -analyysiin, kuten taustan vähentämiseen, hiukkasten havaitsemiseen ja seurantaan.

Nopeaa kuvantamista varten on saatavilla monia kaupallisia ohjelmistopaketteja. Nämä paketit sisältävät usein kehittyneitä ominaisuuksia, kuten reaaliaikaisen kuvankäsittelyn, automatisoidun hiukkasten seurannan ja tietojen visualisoinnin.

Avoimen lähdekoodin ohjelmistopaketteja, kuten ImageJ ja OpenCV, voidaan käyttää myös kuvien käsittelyyn ja analysointiin. Nämä paketit tarjoavat laajan valikoiman työkaluja ja ovat erittäin muokattavissa, mutta ne saattavat vaatia enemmän ohjelmointiosaamista.