A hosszú expozíciós idejű képalkotás elengedhetetlen a finom hibák (például kijelzőkön lévő hibás pixelek vagy halvány jelek a félvezetők vizsgálatakor) alacsony fényviszonyok melletti észleléséhez. Ugyanakkor a hosszú expozíciós idő olyan kihívásokat is hoz magával, mint a hibás pixelek (hot pixels).
Hosszú expozíciós képalkotás összehasonlítása: expozíciós idő: 10s | erősítés: 27 dB | rekesz: f/4 | tesztkörnyezet: sötét doboz
Részletek megörökítése hosszú expozíciós idővel
Mind a kijelzők, mind a félvezetők vizsgálatakor a pontosság kiemelten fontos, hiszen minden apró részlet számít. A kijelzők vizsgálatánál hosszú expozíciós időt alkalmaznak az alacsony megvilágítású hibák és a színegységesség eltéréseinek észlelésére. Félvezetők esetében bár a rövid expozíciós idő előnyös a nagy áteresztőképesség miatt, a hosszú expozíció elengedhetetlen, amikor a fényerő nem elegendő ahhoz, hogy elkülöníthető jelet adjon a zajtól.
A hosszú expozíciós idejű képalkotás főbb kihívásai a félvezető- és kijelzővizsgálatban:
- Hő okozta zaj (thermal noise) és hibás pixelek (hot pixels): A hosszabb expozíció miatt a szenzor felmelegszik, ezáltal termikus zajt és hibás pixeleket generál, amelyek megtévesztően hibának tűnnek, így téves hibajelzésekhez és költséges utómunkálatokhoz vezethetnek.
- Részletvesztés a képen: Mechanikai elmozdulások, környezeti rezgések vagy hőtágulás miatt mozgási hibák jelenhetnek meg, amelyek elmosódáshoz vezetnek, különösen nagy nagyítású félvezetőképeknél vagy nagy felbontású kijelzőelemzéseknél.
- Jel–zaj arány (Signal-to-Noise Ratio, SNR) kompromisszum: A hosszabb expozíció ugyan javítja a jel–zaj arányt több foton rögzítése révén, ugyanakkor felerősíti a hibás pixelek és a sötétáram (dark current – az érzékelő saját, hő által generált háttérzaja, ami fény hiányában is mérhető jelet eredményez az érzékelőben) zaját, amely elfedheti a kritikus hibákat a nagyfelbontású érzékelők esetében.
- Költség kontra képminőség: A csúcskategóriás szenzorok optimalizált hűtéssel ugyan csökkentik a zajt, de növelik a költségeket és a rendszer bonyolultságát, ami nem minden esetben fér bele a költségérzékeny alkalmazásokba.
Egy 8,5 µm-es struktúrákat tartalmazó fluoreszcens hordozót mikroszkóppal rögzítettek.
Bal/közép: 1 másodperces expozíció, 24 dB erősítés, 2×2 binning, 40× nagyítás. Jobb: AI-alapú feldolgozás csökkenti az időbeli zajt.
Különböző módszerek a hő okozta zaj és hibás pixelek kezelésére
A kihívások leküzdéséhez a szenzor optimalizálása, hűtési megoldások, illetve fejlett képfeldolgozási technikák kombinációja szükséges a pontosság fenntartása érdekében, anélkül, hogy az a hatékonyság rovására menne.
| Módszer | Működési elve | Előnyök | Hátrányok |
| Hibás pixel korrekció (Hot Pixel Correction) | Több képkocka alapján azonosítja és javítja a hibás pixeleket. | Közvetlenül a hibás pixelekre koncentrál, megőrzi a jelinformációt. | Nagy számítási igény valós idejű alkalmazásokhoz. |
| Hagyományos sötét kép kivonás (Dark Frame Subtraction) | Rögzít egy sötét referencia képet, majd kivonja a termikus zajt. | Hatékony statikus zajmintázatok esetén. | Két képkockát igényel, nem kezeli az időben változó zajt. |
| Pixel leképezés és maszkolás (Pixel Mapping & Masking) | Hibás pixeleket a szomszédos pixelekkel helyettesít. | Tartós hibás pixelek ellen hatékony. | Eltorzíthatja a valódi hibamintázatokat. |
| Időbeli zajcsökkentés (Temporal Noise Reduction, Frame Stacking) | Több képkocka átlagolásával csökkenti a véletlen zajt. | Javítja az SNR-t, statikus zajok esetén hatékony. | Nem alkalmas mozgó objektumok vagy dinamikus jelenetek esetén. |
| Optimalizált kameraház kialakítás (Optimized Camera Housing Design) | Csökkenti a szenzor hőmérsékletét a termikus zaj és hibás pixelek megelőzésére. | Megelőzi a zajképződést, javítja a képminőséget. | Nem szünteti meg teljesen a zajt, különösen extrém hosszú expozícióknál. |
A legjobb megközelítés: hibrid megoldás
Összetett környezetekben, mint a félvezető- és kijelzővizsgálat, nincs egyetlen univerzális megoldás. Ehelyett érdemes hibrid megközelítést alkalmazni, amely hardveres és szoftveres módszereket ötvöz.
- Hardveres optimalizálás: Egy jól megtervezett kameraház, amely stabil és alacsony hőmérsékleten tartja a szenzort, jelentősen csökkentheti a termikus zaj és a hibás pixelek keletkezését. A 45°C alatti maghőmérséklet különösen hatékony a hibás pixelek minimalizálásában.
- Szoftveres utófeldolgozás: Felvétel után alkalmazott algoritmusok – mint a hibás pixel korreláció, sötétkép kivonás vagy pixelmaszkolás – finomítják a képet, javítva az expozíció által okozott hibákat.
- Valós idejű, FPGA-alapú zajcsökkentés: Fejlett, FPGA (Field-Programmable Gate Array) alapú megoldások valós időben képesek módosítani az expozíciós beállításokat, és közvetlenül a szenzor szintjén korrigálják a zajt, minimalizálva a hibás pixeleket késleltetés nélkül.
„Nincs univerzális megoldás – az alkalmazáshoz kell igazítani. A feladatunk, hogy teljes mértékben megértsük az adott alkalmazást, és gyorsan megtaláljuk az optimális egyensúlyt a költség és teljesítmény között. Laboratóriumunkban a megoldásokat a végletekig teszteljük, és amikor egy 15 perces expozícióval készült mintaképet adunk át, az ügyfelek lenyűgözve reagálnak.”
Vision Engineer
Basler K+F csapat
A hosszú expozíciós képalkotás teljesítményének maximalizálása
Használja ki fejlett megoldásainkat a félvezető- és kijelzővizsgálatokhoz, amelyek hatékonyan kezelik a hosszú expozíciós képalkotás kihívásait:
- Kevesebb hibás pixel: Dinamikus hibás pixel korrekciós algoritmusunk 8 másodperces expozíciós idő és 27 dB erősítés mellett 2 ppm (pixel per million) alá csökkenti a hibás pixelek számát, így tisztább hibadetektálást biztosít.
- Valós idejű működés CPU terhelés nélkül: Több képfeldolgozó algoritmust is a kamera FPGA-jában futtatunk – nem a PC-n –, így kiváló minőséget érünk el nulla CPU-terheléssel, ami növeli a hatékonyságot.
- Optimalizált expozíciós beállítások: Legyen szó dinamikus kijelzővizsgálatról vagy nagy pontosságú félvezető-analízisről, mindig az adott feladathoz legjobban illeszkedő expozíciós beállításokat biztosítjuk.
- Kompakt és hatékony hűtési megoldások: Már az elején megelőzzük a hibás pixelek kialakulását opcionális hűtési megoldással, amely az utófeldolgozással együtt még jobb eredményeket hoz.
A Basler hibrid megközelítésével és dinamikus megoldásaival kiváló képalkotási teljesítményt, pontosabb vizsgálatot, kompromisszummentes feldolgozási sebességet és költséghatékonyságot érhet el – lehetővé téve, hogy a legjobb eredményeket hozza ki a rendszeréből.
