Светочувствительность. Цифровая фотография. Трюки и эффекты

Светочувствительность

Изучая характеристики цифровой камеры, вы можете увидеть что-нибудь вроде следующей фразы: «Светочувствительность эквивалентна ISO 80, 100, 200, 400, 800; устанавливается автоматически или вручную». Что это за параметр и что означают данные числа?

Еще в далекие «пленочные» времена фотографы различали пленки по способности эмульсии реагировать на лучи света, или светочувствительности. Точно так же стали оценивать чувствительность различных матриц к свету. Светочувствительность матрицы точно так же, как чувствительность пленки, оценивается в единицах ISO. Чем больше число вида ISO 200, ISO 400, ISO 800, тем выше чувствительность матрицы.

Фотограф может назначить нужную светочувствительность сенсора. Обычно цифровая камера настроена на оптимальную чувствительность, но многие модели позволяют изменять эти настройки, увеличивая или уменьшая светочувствительность матрицы в зависимости от условий съемки.

Чтобы изменить чувствительность матрицы, найдите в меню пункт Sensitivity (Чувствительность) или ISO (рис. 3.3) и выберите нужное значение.

Рис. 3.3. Современные камеры позволяют изменять чувствительность матрицы

Для чего нужно увеличивать чувствительность матрицы? Высокая чувствительность позволяет сокращать продолжительность выдержки, а также снимать в очень плохих условиях освещения без использования вспышки. Цифровые шумы изображения при этом устраняются системой шумоподавления. Кроме того, высокая чувствительность позволяет избежать смазывания изображения в результате дрожания камеры.

Немедленно изменю светочувствительность так, чтобы можно было снимать в сумерках! А вот с этим торопиться не следует. Прежде всего необходимо понять, что увеличение светочувствительности матрицы всего лишь усиливает электрический сигнал ее датчиков, а это приводит к шумам (подавить которые не всегда возможно) и появлению артефактов (цветных гало), то есть к искажениям изображения.

Как в обычной, так и в цифровой фотографии изображение наилучшего качества получается, если выбрать минимальную чувствительность. Высокая чувствительность увеличивает контраст изображения и приводит к появлению шумов в виде синих и красных черточек на темных участках изображения. Особенно этот эффект заметен на однородных по цвету поверхностях. Фотографы рекомендуют отключать автоматический выбор чувствительности в тех камерах, где это можно делать, и устанавливать минимальную чувствительность матрицы (ISO 50 или ISO 80).

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Светочувствительность. Цифровая фотография от А до Я [2-е издание]

Светочувствительность

Светочувствительность матрицы влияет на время экспонирования — чем выше светочувствительность, тем короче выдержка. Однако при этом есть вероятность появления шумов.

В условиях конкуренции производители камер стараются любой ценой обеспечить максимально высокую чувствительность, и сегодня цифра 3200 и даже 6400 у компактных камер не вызывает удивления.

Матрица современной фотокамеры — это цифровой аналог пленки: раньше использовались фотопленки с разной светочувствительностью, а сегодня изменить чувствительность можно в камере. Датчики сенсора — пиксели, преобразователи света в электрический сигнал — играют здесь ключевую роль. Чем больше физический размер пикселя, тем больше поглощающая свет площадь и ниже уровень шумов на снимке. К тому же нужно учитывать, что во время работы датчики нагреваются, что также чревато появлением шумов. Именно из-за этого при съемке на длинных выдержках появляются шумы.

Шумы проявляются на снимке в виде хаотически распределенных цветных пятен. В тенях шумы наблюдаются особенно сильно. Шум может проявляться в виде зернистости, почти как на высокочувствительной пленке. Искажения такого рода почти не влияют на цветность и контраст фотографии и раздражают меньше всего (если, конечно, эта зернистость не присуща всем без исключения снимкам).

Размеры пикселей и сенсора очень сильно влияют на шумы. Чем больше пикселей размещено на матрице, тем они меньше и тем плотнее расположены. Сильно «упакованные» датчики быстро нагреваются, и шумы могут появиться уже на минимальной чувствительности и при коротких выдержках. Поэтому старайтесь выбрать фотокамеру, у которой площадь матрицы больше, — реальная чувствительность будет выше.

Наиболее низкий уровень шумов наблюдается у полноформатных зеркальных камер с размером сенсора 36×24 мм (как у кадра 35-миллиметровой пленки). Они прекрасно справляются с ISO 800, и даже при чувствительности ISO 1600 сделанные ими снимки выглядят очень неплохо.

Матрица зеркальных любительских и полупрофессиональных камер меньше пленочного кадра, она имеет размеры 22,5×15 мм, что также позволяет снимать на достаточно высокой чувствительности. Этот формат сенсора получил название APS-C. Конечно, камеры с такими матрицами уступают камерам с полноформатной матрицей, но по сравнению с любыми компактными камерами их результат намного лучше.

У большинства компактных камер шумы дают о себе знать уже при чувствительности от 200 единиц ISO и выше. Несмотря на возможность установить ISO 800, 1600 или даже 3200, можете не использовать эти значения, так как картинка, скорее всего, будет просто непригодной для использования. Шумы даже при короткой выдержке становятся настолько сильными, что о детализации и верной цветопередаче можно забыть. Заявленная производителем высокая чувствительность на практике чаще всего оказывается просто нерабочей. Не доверяйте тому, что написано, доверяйте своим глазам! Посмотрите необработанные тестовые полноразмерные снимки, сделанные в разных условиях освещения и на разной чувствительности.

Однако не все компакты «не дружат» с высокой чувствительностью. У камер Fujifilm сенсоры изготовлены по собственной уникальной технологии. Благодаря конструктивным особенностям матрицы уровень шумов действительно заметно снижен по сравнению с остальными типами сенсоров при тех же физических размерах. Чем это объясняется?

Традиционная фотопленка содержит кристаллы галогенида серебра различных форм: от высокочувствительных зерен с большой площадью поверхности, чувствительных даже к очень слабому свету, до низкочувствительных зерен с маленькой площадью поверхности, реагирующих на яркий свет. Технология Super CCD SR предлагает аналогичное «разделение труда», объединяя информацию с низкочувствительных и высокочувствительных пикселей. Разработанная Fujifilm матрица сочетает большие высокочувствительные S-пиксели и маленькие, менее чувствительные, R-пиксели, что расширяет динамический диапазон. Благодаря этому камеры Fujifilm неплохо справляются с высокими значениями ISO — 400, 800 единиц.

У камер с оптической стабилизацией есть некоторое преимущество. Если в камере (или в съемном объективе «зеркалки») присутствует оптическая стабилизация, то при нехватке освещения можно увеличить выдержку и не повышать значение ISO. Однако оптический стабилизатор спасает только на две-три ступени. Если у камеры маленький сенсор, не очень поможет даже стабилизация.

Системы шумоподавления, встроенные в фотокамеру, не спасают от шумов. Они, конечно, сглаживают зернистость, но при этом «съедается» детализация и искажается цветопередача. Картинка выглядит неестественной, «подкрашенной». Реально качественного изображения на высокой чувствительности при таком подходе вы не получите. Лучше недодержать кадр на 1–1,5 ступени, а затем «вытянуть» его при обработке в графическом редакторе, чем получить шумную картинку (рис. 5.13).

^{Рис. 5.13. Высокие шумы «съедают» детализацию и портят кадр}

Определенные преимущества дает съемка в формате RAW, поскольку этот формат содержит больше информации. Снимок не проходит обработку внутри камеры, поэтому данный формат и называется сырым. Снимки, записанные в RAW, проще «вытянуть» в специальном конвертере.

Формат JPG предполагает сжатие с потерями и вносит искажения в изображение, при этом теряется часть деталей.

При сохранении в наивысшем качестве искажения почти незаметны для глаз, но при дальнейшем редактировании и сохранении файл сжимается еще раз, данные снова теряются. Если предполагается обработка JPG-файла (например, нужно убирать шумы), конвертируйте файл JPG в графический формат, не вносящий искажений в исходную картинку, например TIFF.

При съемке на длинных выдержках также дают о себе знать «горячие» пиксели. Это происходит по технологическим причинам. Матрицы у разных экземпляров одной и той же модели могут отличаться разной чувствительностью в разных участках, что становится заметным при длинной выдержке и хорошо видно при увеличении картинки. Причиной могут служить и крошечные пылинки, которые оседают на матрицу. Если поднять чувствительность матрицы, «горячие» пиксели бросаются в глаза еще сильнее. Убрать их можно и обработкой изображения на компьютере. В некоторых камерах встроена функция Pixel Mapping:

камера производит снимок, не открывая затвор, полученное изображение анализируется процессором на наличие светлых точек, а затем камера корректирует их встроенными программными средствами. В дальнейшем светлые участки уже не проявляются.

Чтобы избежать появления шумов на снимках, устанавливайте минимальную чувствительность ISO — значение, которое позволяет обеспечить приемлемый результат.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

чувствительность матрицы фотоаппарата

Добро пожаловать на урок, посвящённый одному из основополагающих фотографических понятий. С многими мы уже познакомились: экспозиция, выдержка, диафрагма, баланс белого и другие.

При обсуждении экспозиции мы узнали о треугольнике экспозиции: диафрагма — выдержка — чувствительность. Как влияет на характер снимка диафрагма и выдержка, мы поговорили подробно, а вот понятие «чувствительность» осталось за кадром. Сегодня мы восполним этот пробел.

Чувствительность — пожалуй, один из сложных и непонятных аспектов фотографии. В литературе, да даже и просто в инструкции Вы можете встретить также понятие «чувствительность ISO», или даже просто «ISO». На самом деле ISO это Международная организация по стандартам, и означает, что чувствительность измеряется по этому международному стандарту. Чувствительность — безразмерная величина, и разным её величинам, по правилам, оговорённым стандартом ISO, присваиваются определённые цифровые значения. Кроме ISO, существуют и другие стандарты — например, ГОСТ — по нему определяли чувствительность фотоматериалов в СССР, например DIN — по нему работали производители фотопродукции из ГДР. Все стандарты взаимосвязаны между собой. ГОСТ и ISO примерно совпадают, только стандартными в них считаются разные ряды величин, а вот DIN отличается — у этого стандарта шкала нелинейная. В настоящее время для указания чувствительности используется только стандарт ISO.

Ну вот, с определением разобрались, теперь немного физики.

Датчик внутри вашей цифровой камеры на самом деле работает по тому же принципу, что и солнечный элемент.  Когда свет через объектив попадает на чип, генерируется крошечный электрический ток: чем ярче свет, тем сильнее ток. Только в солнечных панелях миллионы микроскопических элементов объединены так, чтобы получать побольше тока, а в матрице фотоаппарата — так, чтобы можно было считать информацию с каждой ячейки отдельно.

Сгенерированный ячейкой ток, являющийся мерой интенсивности света, тщательно измеряется и сохраняется электронной системой аппарата. Назовём этот ток сигналом. Попутно — если физический размер ячейки больше, то и ток она сгенерирует также бОльший. Вот это важно. Ещё раз — чем больше ячейка, тем больше ток (помните, к чему это? — верно! К тому, что размер матрицы имеет значение). Дальше. Помимо полезного сигнала, полученного за счёт попадающего света, в ячейке всегда присутствует и небольшой паразитный сигнальчик, обусловленный тепловым движением молекул. Отношение величины полезного сигнала к величине паразитного сигнала (шума) называется отношением сигнал/шум. Это величина общефизическая и встречается сплошь и рядом — в акустике, в кино, да практически в любых измерениях. Понятно, что чем это отношение больше, тем прибор качественнее (читай — чем больше физический размер матрицы, тем больше её соотношение сигнал/шум, тем она лучше).

Теперь поместим нашу матрицу в тёмное место. Интенсивность падающего света упала, величина сгенерированного ячейкой тока — тоже, а вот величина паразитного сигнала осталась той же самой. Чтобы помочь аппарату зафиксировать слабый падающий свет, мы увеличиваем силу тока полезного сигнала (ту самую чувствительность), но вместе с ней неизбежно увеличивается и сила тока шума. Уровень шума матрицы — величина постоянная, поэтому при всяком усилении сигнала, шум проявляется всё сильнее. В наиболее тёмных местах снимка усиленный тепловой шум становится видимым — в виде некрасивых цветных пятен. Попутно снижается резкость изображения из-за погрешностей, вносимых усилением сигнала.

Для лучшего понимания давайте возьмём в руки фотоаппарат и ещё раз прокрутим ситуацию, так сказать, поближе к реальности. В условиях низкой освещённости для получения правильной экспозиции мы можем, во-первых, как можно шире открыть диафрагму, во-вторых, увеличить выдержку. Допустим, мы исчерпали эти возможности — открыли диафрагму полностью, а выдержку выставили такую, что уже с трудом удерживаем аппарат в руках. А на улице темнеет всё сильнее. Что же делать? Поднять чувствительность, тем самым увеличив коэффициент усиления уровня сигнала. По существу это как увеличить громкость звука. Значение тока (света или звука) увеличивается. Каждое удвоение величины чувствительности приводит к удвоению тока. Удвоение тока ведёт к удвоению яркости изображения, но при этом не забываем о цене: в это же время мы вдвое увеличиваем ток шума. Если мы снимаем сюжет при свете свечи и для этого поднимаем значение чувствительности до 1600 ISO, и получаем при этом верную экспозицию, то шум, который при 100 ISO был незаметным, усиленный в 16 раз, совершенно явственно проявится на снимке.

Съёмка при высоких значениях чувствительности практически всегда является компромиссом между получением фотографии вообще и фотографии без шумов. Последние поколения фотоаппаратов имеют невероятно высокое отношение сигнал/шум и фотограф получает лучшую, чем когда-либо прежде, возможность съёмки в сложных условиях. К сожалению, эта возможность относится только к зеркальным камерам. Компактные аппараты с их крохотными матрицами гораздо хуже справляются со съёмкой с повышенной чувствительностью в условиях низкого освещения.

С полученным шумом можно довольно эффективно бороться в программах пост-обработки, но это тема отдельного разговора. Однако, как и всегда, необходимо ещё во время съёмки добиваться лучших результатов, каких позволяет камера. Прибегнуть к обработке мы успеем всегда.

При съёмке в условиях низкой освещённости зачастую нет другой альтернативы, кроме повышения чувствительности. Но представьте себе ситуацию, когда это невозможно технически (как, например, в плёночные времена). Включите фантазию и попробуйте всё же выкрутиться. Вот примеры таких решений:

• Использование штатива. При съёмке неподвижного сюжета (к примеру, натюрморта) Вы сможете использовать более длинную выдержку, что позволит снизить чувствительность;
• Если Вы готовы смириться с уменьшением глубины резкости, можно открыть пошире диафрагму и благодаря этому снизить чувствительность;
• Если есть возможность, включите дополнительный источник света или используйте вспышку, что увеличит световой поток и позволит снизить чувствительность;
• Иногда фотография может даже выиграть от наличия шума. Зерно вносит особую атмосферу и притягательность в некоторые снимки. Посмотрите на свой шумный снимок в чёрно-белом варианте. Это поможет избавиться от неприглядного цвета в шуме. Для программы Лайтрум записаны даже специальные плагины, имитирующие зерно разных плёнок;
• Если Вы не собираетесь значительно увеличивать снимок — для печати или просмотра на экране — вполне допустимо снять его при высоком значении чувствительности. Ведь при небольшом размере изображения мелкие недочёты не так заметны. (Именно с этим эффектом связаны советы не оценивать качество отснятого материала по маленькому экранчику фотоаппарата — на нём невозможно разглядеть резкость и шум).

С другой стороны — нередки ситуации, когда использование высоких значений чувствительности оправдано:

• Фотосъёмка в художественной галерее, церкви. Там зачастую бывает низкое освещение, а также вполне вероятны ограничения использования штатива и вспышки;
• Спортивные события в закрытых помещениях. Такая съёмка нуждается в длиннофокусной светосильной оптике (обычно очень дорогой), чтобы появилась возможность применить короткую выдержку для фиксации быстротекущих событий при съёмке издалека. Поэтому спортивные репортажники первыми покупают камеры с высоким отношением сигнал/шум.
• Концерты — также низкая освещённость, а зачастую и вообще совершенно не освещённые зоны;
• Торт со свечами. Дополнительный свет только всё испортит, а вот увеличение чувствительности — выручит.

Домашнее задание. Обязательно выясните, пусть и субъективно, для себя, допустимую величину чувствительности именно для своего аппарата. Для этого установите  на камере один из приоритетных режимов (неавтоматический), выберите неконтрастный сюжет, включающий как светлые, так и тёмные тона. Установите вручную самую низкую чувствительность на Вашем аппарате, и произведите съёмку. Лучше, если аппарат будет закреплён неподвижно, для исключения любых факторов, могущих повлиять на экспозицию. Затем произведите серию снимков со всеми значениями чувствительности, которые позволяет камера, и сравните их между собой на большом мониторе при 100-процентном увеличении. Если вошли во вкус, проделайте то же самое для другого объектива. В комнате и на улице. Под солнцем и в пыли.

Только так Вы сможете узнать ту цену, которую Вам придётся заплатить за повышение чувствительности. ISO 1600 — это уже ужасно? Или ещё терпимо? Если ужасно — скорее всего Вы постараетесь найти другие способы спасения Ваших снимков. Также Вы узнаете, до какой величины можно поднимать чувствительность, чтобы снять сюжет, который просто нельзя пропускать.

Удачных снимков!

Температурная чувствительность болометрической матрицы или эквивалентная шуму разность температур NETD (Noise Equivalent Temperature Difference)

9 марта 2021

Одним из важных параметров, характеризующих качество тепловизионной болометрической матрицы и соответственно влияющий на детализацию и качество изображения наблюдаемых в прицел объектов, является эквивалентная шуму разность температур NETD (noise equivalent temperature difference), или так называемая ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ.  

Данный параметр измеряется в миликельвинах (мК) и характеризует такую температуру наблюдаемого объекта, сигнал от которой равен сигналу от шума. 

Во время работы тепловизионный детектор фиксирует не только полезный сигнал теплового излучения объекта, но и сторонний шум, который мешает формировать качественное изображение. 

Когда шум равен самой малой разнице температур поддающейся измерению — тепловизионный детектор больше не может различать полезный тепловой сигнал и формировать изображение наблюдаемых объектов. 
Чем выше уровень шума, тем выше NETD детектора и тем хуже детектор способен различать малые и незначительные температурные разницы.

При понижении температурной разницы объекта от шума его тепловое излучение может сливаться с шумом на столько, что тепловизор может перестать отличать сигнал объекта от шумов, при этом объект на изображении сливается с фоном или другими объектами и становится практически не различим. 
Чем ниже значение NETD указанное в миликельвинах, тем лучше сенсор может фиксировать малые разницы температур наблюдаемых объектов.  

<40 мК (отлично)
<50 мК (хорошо)
<60 мК (допустимо)
<80 мК (приемлемо)

  (для конкретного сенсора или тепловизора для которого проводится измерение значение указывается бе знака «<«. Для партии или множества однотипных устройств со знаком «<«)

В условиях, когда разницы в температуре наблюдаемых объектов минимальны (холодная погода, дождь, туман, выравнивание температур в ночное время), тепловизор с меньшим значением NETD покажет более качественное и информативное изображение с более высокой детализацией объектов и позволит различить те дели объектов, которые для приборов большим значением NETD будут практически неразличимы. 

Другими словами, в приборе с меньшим значением NETD более контрастными и более заметными будут детали объектов даже с малыми различиями в температуре.

Температурная чувствительность <40 мК

Температурная чувствительность <50 мК

Для измерения NETD используется так называемое черное тело (объект имитирующий однородную температуру заданного уровня).  

При измерении черное тело выставляется на определенную температуру.

В течение заданного промежутка времени делается определенное количество снимков поверхности черного тела. 
Далее из полученных снимков получается гистограмма всех значений пикселей за обозначенный промежуток времени. 
NETD выводится из стандартного отклонения данной гистограммы выраженного в миликельвинах.

___________________________________________________________
Для подготовки статьи использованы материалам компании PULSAR

Поделиться в соц. сетях:

Часто задаваемые вопросы

1. IP-видеокамера. Что это?

IP-видеокамера – это цифровая видеокамера, передача видеопотока от которой осуществляется по сети Ethernet и TokenRing. Используется протокол IP. Каждая камера имеет собственный IP адрес. Многие IP камеры обладают следующими функциями: детектор движения, передача SMS-уведомлений пользователю, подавление засветки, ИК-подсветка и прочими другими. IP камера дает возможность просматривать изображение с нее с помощью веб-браузера или дополнительного программного обеспечения конкретной камеры. Сетевой доступ может быть обеспечен всем, кому будут даны соответствующие права.

2. Чем отличается IP камера видеонаблюдения от аналоговой?

Ключевым принципиальным отличием IP видеокамеры от аналоговой является преобразование сигнала светочувствительной матрицы в цифровой поток. Это осуществляет встроенный кодер. В аналоговой камере сигнал с матрицы передается непосредственно на выход камеры. Основные методы видеосжатия в IP камерах – это покадровый MJPG и потоковые MPEG-4, H.264. Некоторые представители IP камер передают видео без предварительного сжатия.

3. Почему осуществляется переход от аналогового видеонаблюдения к IP видеонаблюдению?

Уже давно человечество переходит к цифровым решениям передачи данных во всех отраслях, будь то воспроизводящие устройства, телевидение, телефония, хранение информации. Видеонаблюдение не остается в стороне.

Дело в том, что цифровой сигнал легче и проще поддается обработке, цифровую информацию проще хранить и воспроизводить, «цифрА» не подвержена искажениям при передаче данных. Аналоговые системы остаются в прошлом.

4. Что такое объектив?

Объектив это линзы, образующие систему, которая, в свою очередь, передает изображение на матрицу. Объектив играет огромную роль в качестве изображения, поэтому важно внимательно подойти к вопросу выбора видеокамеры или объектива к ней именно для вашего объекта.

5. Как получить звук вместе с видео с камер видеонаблюдения?

Аналоговая камера не способна обеспечить передачу звука. Для этого необходимо отдельно проложить кабель к видеорегистратору. Цифровая (IP) камера может быть оснащена встроенным микрофоном. Звук синхронизируется с видеосигналом и передается по тому же кабелю. При этом звук может передаваться в обе стороны, что позволяет даже вести диалог через переговорные устройства людям находящимся по разные стороны системы.

6. Что такое ОЗУ?

ОЗУ расшифровывается, как Оперативно Запоминающее Устройство. Другими словами – оперативная память. Многие IP камеры имеют буфер для временного хранения информации. Информация в таком буфере обновляется циклично, т.е. новый кадр записывается на место самого первого.

7. Для чего нужен сетевой интерфейс в IP видеокамере?

Ethernet служит для подключения камеры к сети стандарта Ethernet.

8. Для чего нужен беспроводной интерфейс?

С помощью беспроводного интерфейса IP (сетевая) камера может быть подключена к сети посредством Wi-Fi. Это полезно там, где невозможно или затруднено проложить кабель.

9. Для чего нужны тревожные входы и выходы?

Тревожные входы и выходы необходимы для подключения к сетевой камере датчиков тревоги. Если датчик тревоги срабатывает, камера активизируется и компонует видео до и после срабатывания датчика. В результате конкретно этот поток видео может быть сохранен, отправлен по электронной почте пользователю или передан по FTP.

10. Что является залогом качества изображения видеокамеры?

Самая важная составляющая видеокамеры любого типа – это светочувствительная матрица. Она определяет качество изображения на 90%! Разумеется, камера с хорошей матрицей стоит дороже. Но купив камеру с такой матрицей, Вы получите максимум от возможностей видеозаписи устройства.

11. Что такое CMOS и CCD?

CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) матрица изготовлена по технологии металл-оксид-полупроводник. На основе CMOS можно изготавливать сенсоры с большим количеством пикселей. Матрицы CMOS дешевле, чем CCD, обеспечивающее более качественное изображение.

CCD (Charge-Coupled Device) изготавливается по технологии «приборов с зарядовой связью».

Отмечу, что на данный момент CMOS эволюционировали и способны отвечать всем требованиям к системе видеонаблюдения.

12. Что является основным для светочувствительной матрицы?

Размер, тип матрицы, чувствительность, тип развертки, разрешение – это основные показатели качества изображения, которое можно получить от матрицы.

13. Что такое разрешение?

Разрешение – это очень важный параметр любой видеокамеры. Он говорит о возможностях видеокамеры четко отображать мелкие детали. И чем больше значение разрешения, тем выше детализация изображения, полученного с видеокамеры. Разрешение в пикселях – это размер изображения по горизонтали и вертикали. Важно! Камеры с одним разрешениям могут выдавать разные по качеству картинки, т.к. разрешение не связано с физическим разрешением матрицы, цветопередачей и многими другими характеристиками. Поэтому для сравнения реальных параметров качества матрицы обращают внимание на разрешение в телевизионных линиях (ТВЛ). Этот параметр показывает, какое количество линий можно реально увидеть в изображении. Во многих случаях 380-400 ТВЛ может быть достаточно для системы видеонаблюдения. Камеры с разрешением от 520 ТВЛ позволяют четко видеть мелкие детали, например, лица людей, номера машин, и другие.

14. Что такое светочувствительность матрицы?

Показатель светочувствительности показывает степень реакции матрицы на освещение в помещении или на улице. Матрице с высокой светочувствительностью требуется меньше света для получения хорошего качества изображения.

Чем меньше показатель светочувствительности матрицы, тем более приспособлена камера к работе с плохим освещением.

Матрицы с функцией день/ночь в темноте переходят в режим черно-белой съемки. При этом возможно включение ИК-подсветки, чтобы полученное изображение было еще с более высоким качеством. Даже в полной темноте такие камеры остаются эффективными.

Стоит помнить, что чем лучше освещенность, тем выше качество изображения.

Для измерения освещенности используют величину Люкс.

Примеры значений освещенности:

-Дневное освещение на улице в солнечную погоду: 100000-5000 лк

-Дневное освещение на улице в облачную погоду: около 5000 лк

-Магазины и супермаркеты: 1500-750 лк

-Офисы: 50-500 лк

-Холлы гостиниц: 100-200 лк

-Товарные склады: 75-30 лк

-Сумерки и освещенная автодорога ночью: 10 лк

-Зрительный зал в театре: 3-5 лк

-Глубокие сумерки: 1 лк

-Ночью на улице при полнолунии: 0,3-0,1 лк

-Лунная ночь: (1/4 Луны): 0,05 лк

-Безлунная ночь: 0,01 лк

-Ночь при свете звезд: 0,003-0,1 лк

В описании камер производители указывают минимальный уровень освещенности, при котором камера способна что-то «увидеть». Это не означает, что качество изображением при минимальной освещенности будет высокого качества. Рекомендуем выбирать камеру, светочувствительность которой будет превышать в несколько раз освещенность на объекте, где будет эта камера установлена.

15. Что такое размер матрицы?

Размер матрицы для фото/видео техники определяется в виде дроби с размерностью в дюймах. Например: 1/4″, 1/2″, 1/3″ и т.д. Матрица 1/2″ крупнее, чем матрица 1/4″.

Чем больше размер матрицы, тем более высокое качество изображения. Но, как всегда, за качество приходится платить, ведь камера с крупной матрицей стоит дороже и требует более дорогого объектива.

16. Что такое день/ночь?

Сейчас большинство камер цветные. Их основной минус по отношению к черно-белым камерам – относительно низкая светочувствительность. Для того, чтобы увеличить чувствительность матрицы в темноте придумали функцию день/ночь. Это простой перевод цветной камеры в черно-белый режим при съемке в темноте. За счет этого цветные камеры смогли избавить от недуга низкой светочувствительности.

17. Для чего нужен блок компрессии (кодирования) сигнала?

Одной из составляющих IP камер является схема компрессии видеопотока и аудиопотока (при наличии микрофона). Схема преобразует сигнал от матрицы в цифровой вид для дальнейшей отправки по сети. Изображение сжимается и для его отправки не нужно тратить слишком много ресурсов. Если ваша локальная сеть имеет низкую пропускную способность, стоит снизить частоту кадров видео или разрешение изображения с помощью настроек.

Качество изображение и требование к пропускной способности сети могут меняться в зависимости от способа кодирования сигнала.

18. Какие форматы сжатия используют в IP камерах видеонаблюдения?

Кодек способен выполнять преобразование сигнала, данных с целью уменьшения размера файла или видеопотока, например. Существуют, как кодеры, так и декодеры, которые «разворачивают» кодированный сигнал. В IP видеонаблюдении самыми распространенными форматами сжатия являются M-JPEG, MPEG-4 и H.264.

19. Что такое H.264?

Формат H.264 — это эволюция стандарта MPEG-4. На сегодняшний день с помощью H.264 работает телевидение высокой четкости (HDTV), что свидетельствует о превосходстве именно этого кодека.

H.264 применяет более сложные схемы кодирования и отличается от своих предшественников более качественным сжатием потока. В динамических сценах этот формат сжатия обеспечивает более качественное изображение, более плавные переходы цвета. Мелкие детали лучше передаются именно в H.264. При всех перечисленных преимуществах объем архива H.264 приблизительно на 30% меньше MPEG-4. А это – дополнительное пространство на жестком диске видеорегистратора системы видеонаблюдения для фалов! H.264 распространился в наши дни благодаря появлению многоядерных процессоров, которые имеют высокую производительность.

20. Что такое Ethernet?

Ethernet- это сетевой интерфейс, с помощью которого IP видеокамеру можно подключить к любой компьютерной сети. Это позволяет иметь удаленный доступ к камерам видеонаблюдения через сеть Интернет, записывать информацию в облачные сервисы и дать доступ к системе видеонаблюдения всем сотрудникам компании или членам семьи, кому это необходимо.

21. Что такое последовательные порты?

Интерфейсы RS-232 и RS-485 называют последовательными портами. С их помощью можно управлять различными устройствами, которые подключены к IP камере. Например, исполнительными устройствами (механизмами) или поворотными кронштейнами камер.

22. Для чего нужен детектор движения в камере видеонаблюдения?

Основной задачей модуля детектора движения является распознавание движения в поле видимости камеры. В зависимости от целей и задач, которые стоят перед системой видеонаблюдения камеру с детектором можно интегрировать с другими охранными системами, настроить чувствительность детектора с целью минимизации количества ложных срабатываний, задать логику обработки тревог. При срабатывании детектора IP камера может записать моменты до, во время и после срабатывания.

23. Как осуществляется питание IP-камер?

Большинство IP камер обычно работают от 12 В. Для обеспечения их электроэнергией используют кабель Ethernet со стандартом PoE. Это позволяет размещать камеры там, где розетки или щитки питания не доступны. IP камеры можно расположить до 100 м от источника питания. Все камеры IP системы видеонаблюдения можно подключить к коммутатору PoE, таким образом создав централизованное обеспечение электроэнергией всей системы.

24. Верно ли, что IP-видеонаблюдение легко взломать и получить несанкционированный доступ к изображению с видеокамер?

Надежная защищенность и безопасность для видеонаблюдения – это крайне важная составляющая. Ведь сама система видеонаблюдения является охранной системой.

IP-видеокамеры защищены гораздо лучше, чем аналоговые. Вся информация в сети обеспечена несколькими линиями защиты:

-безопасность на этапе подключения доступа к сети,

-гарантия конфиденциальности, доступности сетевых ресурсов и их целостности,

-авторизация пользователей,

-аутентификация (полномочия пользователей)

-сбор сведений о том, кто и как использует ресурсы.

IP-камера способна шифровать сигнал перед отправкой его в сеть, добавлять «водяные знаки» в поток с информацией об изображении, пользователях, времени и расположении.

25. Что такое IP адрес?

IP-адрес – это уникальный код (идентификатор) устройства, подключаемого к сети Интернет. Каждая IP-камера имеет свой IP-адрес, который должен быть уникальным в одной локальной сети. Пример IP-адреса: 192.168.55.162

26. Как IP-видеокамеру подключить к компьютеру?

Для того, чтобы подключить IP-камеру к компьютеру необходимо иметь кабель Ethernet с разъемами RJ-45 подходящей длины. Его еще называют «патч-корд». Купить его можно в любом магазине компьютерной техники, он может быть в комплекте с оборудованием и его можно изготовить самостоятельно.

С помощью кабеля Ethernet нужно соединить сетевую карту компьютера и IP камеру. Далее нужно включить камеру и настроить свойства сетевого подключения сетевой карты компьютера в соответствии с инструкцией IP-камеры. После того, как все подключено нужно установить программное обеспечение из комплекта IP камеры или набрать IP-адрес камеры в строке браузера. Если все верно сделано, на экране появится изображение с камеры.

27. Как подключить IP-камеру к локальной сети.

При наличии построенной локальной сети на объекте достаточно подключить IP камеру к коммутатору, задействовав любое свободное гнездо. Или подключить к розетке.

Если сеть необходимо проложить, т.к. ее еще нет, то от камер видеонаблюдения нужно кинуть кабель к коммутатору Ethernet, равно, как и от компьютеров. Затем оборудование подключается к проложенным кабелям, включается коммутатор и осуществляется настройка сетевых свойств камер.

28. Что такое коммутатор Ethernet?

Коммутатор Ethernet (свитч (от англ. Switch – переключатель)) – это устройство, которое соединяет несколько узлов компьютерной сети.

Бывают управляемые и неуправляемые коммутаторы. С помощью управляемых коммутаторов можно настроить параметры качества (QoS), объединить порты с целью увеличения пропускной способности канала связи с серверами, организовать сети VLAN и использовать другие функции для оптимизации пропускной способности сети.

Неуправляемые коммутаторы являются более простыми устройствами.

29. Как подключиться к IP камере через Интернет?

Важное преимущество IP-видеокамер – это возможность просмотра изображений с них, находясь в любой точке мира. У Вас есть возможность контролировать свой офис, магазин, склад, дом, ресторан и прочие объекты пока вы находитесь в отъезде.

Настроив сетевые параметры оборудования IP видеонаблюдения, Вы получаете доступ к нему через Интернет.

Далее с помощью специальных приложений для мобильных устройств или ПО для компьютера настраивается доступ к изображениям с видеокамер.

30. Что такое AHD технология?

AHD видеонаблюдение — это современная технология систем видеонаблюдения, которая отличается меньшей стоимостью, чем IP видеонаблюдение, и обладает широкими возможностями и высоким качеством видеопотока, сравнимым с цифровыми технологиями. AHD видеокамеры и видеорегистраторы позволяют заменить уже установленную аналоговую систему видеонаблюдения, модернизировать ее и сделать более качественной, отвечающей всем современным требованиям. Все это возможно сделать благодаря тому, что кабель для передачи данных используется тот же, что и в обычной аналоговой системе видеонаблюдения. Технологически AHD – это аналоговые камеры и видеорегистраторы, которые способны осуществлять запись и трансляцию изображения в высоком разрешении.

31. Какими преимуществами обладает AHD технология?

Первое, на что обращаешь внимание – это:
— По обычному коаксиальному кабелю AHD оборудование способно передавать информацию от камеры к регистратору на расстояние в пять раз больше, чем аналоговые системы.
— AHD оборудование обеспечивает разрешение AHD-M — 1280х720 (720p) и AHD-H — 1920×1080 (FullHD).

Есть еще ряд преимуществ AHD системы видеонаблюдения:
— Относительная простота построения системы видеонаблюдения.
— Качество изображения и функциональные возможности схожи с IP системами видеоконтроля.
— Задержки при передаче сигналя отсутствуют.
— Поворотными камерами PTZ управление осуществляется без дополнительного оборудования.
— Требования к коаксиальному кабелю низкие.
— AHD оборудование формирует прогрессивную развертку, что дает стабильное изображение на мониторе или телевизоре.
— AHD видеорегистраторы совместимы с обычными аналоговыми видеокамерами.
— Интеграция гибридных решений. Т.е. одновременно можно подключить к AHD видеорегистратору и IP, и AHD видеокамеры. Такие регистраторы еще называю гибридными.
— Цены на AHD оборудование значительно ниже, чем на IP устройства.

32. Что такое мультиформатная видеокамера?

Мультиформатная камера видеонаблюдения отличается от любой другой аналоговой видеокамеры высокого разрешения (AHD, TVI, CVI) тем, что она совместима с перечисленными форматами или с некоторыми из них. Например, мультиформатная камера, которая поддерживает форматы AHD и TVI, может работать с соответствующими видеорегистраторами. Смоделируем ситуацию: на объекте уже установлено видеонаблюдение производителя HiWatch. Этот производитель работает с форматом TVI. Появилась потребность расширить систему видеонаблюдения. Чтобы не искать подходящие видеокамеры именно к регистратору HiWatch, можно установить любую мультиформатную камеру, в характеристиках которой прописана поддержка формата TVI.

Появление на рынке мультиформатных видеокамер значительно упростило процесс подбора оборудования для модернизации систем видеонаблюдения.

 

Технологии CMOS и чувствительность | Secuteck.Ru

В рубрику «Видеонаблюдение (CCTV)» | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Похоже, наконец это свершилось! Можно считать, что чувствительность CMOS-сенсоров сравнялась с чувствительностью CCD, а иногда уже и превышает ее. Особенно в новейших технологиях

Николай Чура
Технический консультант компании «Фирма «Видеоскан»

Матрицы CCD всегда характеризовались более высокой чувствительностью, чем CMOS. Для видеонаблюдения этот параметр является важнейшим, поскольку наблюдение, особенно наружное, как правило, должно обеспечиваться круглосуточно вне зависимости от освещенности объекта.

Создать хорошее искусственное освещение на больших и открытых площадях – задача непростая и затратная. Более того, зачастую видимое освещение не всегда допустимо из соображений «световой экологии» или скрытности наблюдения. В таких случаях применяют инфракрасные (ИК) осветители и камеры «день/ночь» или черно-белое изображение. Но в любом случае приходится довольствоваться именно черно-белой картинкой. С одной стороны, это обусловлено отсутствием понятия цвета для ИК-диапазона. С другой, спектральные характеристики цветных камер для разных цветовых составляющих в области ИК-полностью идентичны.

Чувствительность CCD

По мере развития технологий чувствительность CCD для видеонаблюдения непрерывно росла. И это несмотря на постепенный переход к меньшим форматам матриц (2/3, 1/2, 1/3 и 1/4″), а соответственно, и уменьшению площади единичного элемента изображения – пикселя.

Первоначально площадь самих чувствительных элементов составляла 10–15% от полной площади матрицы. Этот процент снижался по мере уменьшения размера матрицы. Остальная площадь использовалась под соединительные элементы, системы переноса и накопления заряда, антиблюминга и другие вспомогательные задачи. Кардинально улучшить чувствительность удалось после применения массива микролинз (Super HAD), существенно увеличившего площадь сбора световой энергии. Постепенно микролинзы менялись по площади, совершенствовались по геометрии, иногда даже превращались в систему линз.

Для цветных вариантов повышали пропускание пиксельных светофильтров. Только один из этапов этого процесса представлен на рис. 1 на примере Super HAD – Super HAD II.

Инфракрасный диапазон

Очень популярным методом, начиная с технологии EXview HAD CCD, является увеличение чувствительности в область ближнего ИК-диапазона (700–1000 нм).

Строго говоря, распространенная технология повышения чувствительности матрицы за счет увеличения чувствительности в области ИК-излучения не относится к чувствительности в люксах. Все фотометрические единицы имеют прямое отношение к взаимодействию света с глазом человека, а поэтому предполагают спектральную характеристику чувствительности, по крайней мере близкую так называемой кривой видности глаза. Но при оценке чувствительности матриц традиционно используются «тепловые» источники света (лампы накаливания) с цветовой температурой 3200K, интенсивно испускающие ИК-излучение с максимумом суммарного спектра излучения около 1000 нм. Именно потому так разнятся «измеренные» и расчетные значения чувствительности. Естественно, это характерно не только для черно-белых CCD, но и для современных камер «день/ночь» с ИК-чувствительностью. Причем это так вне зависимости от типа сенсора. На протяжении всей современной истории развития российского видеонаблюдения на это многократно указывали многие специалисты. Применяя для испытаний камер современные светодиодные осветители, полностью лишенные ИК-излучения, получают совершенно другие, значительно более скромные результаты чувствительности в люксах. Так же, как и используя современное ночное «эффективное» светодиодное освещение «белого света», можно получить не такие результаты, как с «малоэффективным» галогенным прожектором для камеры в ночном режиме. Либо надо создавать освещенность более 30–50 лк и переходить в цветной дневной режим. Но учитывая квадратичную зависимость освещенности от дальности, получить значительные площади наблюдения с искусственным освещением в цвете очень непросто.

Проблемы наблюдения в ИК-диапазоне

Конечно, пользователю в принципе неважно, работает ли его камера от «люксов» или от «ватт на метры квадратные». Главное, чтобы была картинка. Но, во-первых, c ИК-чувствительностью вынужденно используется черно-белое изображение, чтобы не получить сильные цветовые искажения. А во-вторых, ИК-излучения в естественном освещении ночью не так много, поэтому надо использовать ИК-подсветку, что сейчас и делается почти повсеместно. Тем более что современные осветители «белого света» распрощались с лампами накаливания как с обычным, так и с галогенным циклом и перешли на светодиодные, металлогалогенные и ксеноновые излучатели, которые практически не содержат ИК-составляющей.

Наиболее наглядно можно проследить технологическое развитие матриц на примере все той же компании SONY – благодаря огромному ассортименту матриц CCD и CMOS различного назначения и разрешения, единой методики тестирования, а также доступности технических характеристик. По не очень полным описаниям матриц других производителей очевидно, что в той или иной мере они используют похожие технологические решения, поскольку «река технического прогресса» в наше информационное время едина для всех. По мере совершенствования технологий производства CCD их чувствительность выросла почти в 8 раз, а с использованием ИК-области – более чем в 20 раз. Динамический диапазон расширился более чем в 1,5 раза.

Чувствительность CMOS

Аналогичные процессы происходят и с матрицами CMOS. Отличие лишь в том, что эта технология более молодая и дешевая в производстве. Но из-за широкого применения в мегапиксельном наблюдении с малой площадью пикселя вопрос о чувствительности стоит для них особенно остро. Чувствительность CMOS-сенсоров максимально приблизилась к чувствительности CCD после создания технологии Exmor. В целом методы повышения чувствительности CMOS подобны методам для CCD:

• Увеличение эффективности микролинз.
• Уменьшение поглощения света в материале сенсора, оптических элементах и светофильтрах.
• Уменьшение рассеивания на проводниках структуры, для чего используется материал с большей проводимостью (медь вместо алюминия), но меньшего сечения. Это особенно актуально для структуры CMOS, содержащей большое количество элементов, включая усилительные каскады.

На рис. 2 показано развитие структуры пикселей CMOS-сенсоров до современного состояния.

Ключевым моментом, отличающим Exmor от других технологий, является максимальное приближение к самому светочувствительному элементу преобразования аналога в цифру (рис. 3).

То есть вместо общего преобразователя используются отдельные преобразователи для каждого столбца. Это позволило существенно снизить шум сенсора, а следовательно, увеличить его чувствительность. Замена материала соединительных проводников снизила перекрытие светового потока и уменьшила суммарную толщину всего сенсора. Подобное изменение конструкции продемонстрировано на предпоследнем варианте пикселя рис. 2. Кроме того, за последнее время значительно увеличилась возможная разрядность аналого-цифрового преобразования. Вначале до 12, а теперь уже и до 14 бит, что также увеличило динамический диапазон и снизило шум сенсора.

Технология Exmor позволила улучшить чувствительность сенсоров до 50–80 мВ/мкм2. Другими словами, практически совпадает по удельной чувствительности с лучшими образцам CCD-технологий Super HAD II и EXview HAD II. Правда, для безболезненной замены аналоговых камер на мегапиксельные желательно было бы приблизиться по чувствительности от формата CCD SD хотя бы к популярному и наиболее востребованному FullHD. В наиболее распространенных сенсорах с форматом, близким к 1/3″, сторона пикселя не превышает 2,5–2,8 мкм. Другими словами, чтобы эффективно соперничать с недавно популярными камерами 960H, необходимо иметь удельную чувствительность CMOS-сенсоров почти в 4 раза выше CCD.

Новые форматы и технологии

Приход новых форматов изображения 4K и 8K еще более актуализировал рост чувствительности CMOS-сенсоров. Здесь большие надежды подает технология BSI (или BI – Back-Illuminated Sensor) и ее клоны, которая была впервые предложена компанией Omnivision, однако поначалу имела слишком высокую стоимость. У SONY эта технология получила название Exmor R и Exmor RS. Впервые она широко стала применяться в миниатюрных камерах для мобильных устройств. Вообще этот сегмент, как и другие бытовые направления, является двигателем технического прогресса и в области сенсоров изображений – ввиду масштабности рынка и крайней заинтересованности в нем производителей. Главное отличие этой технологии – принципиальное изменение расположения самого чувствительного элемента с нижнего слоя кремниевой пластины, над которым располагались элементы схемы и соединительные проводники, непосредственно к линзовому массиву с цветными фильтрами RGB. На рис. 2 это последняя технология пикселя, получившая название Starvis. Предполагалось, что чувствительность подобных сенсоров будет иметь по крайней мере двукратное преимущество относительно предыдущих вариантов. В реальности значения удельной чувствительности CMOS-сенсоров Exmor R варианта Starvis лежат в диапазоне 70–140 мВ/мкм2. Практический аналог этой технологии предлагается Omnivsion под названием BSI-2. Примечательно, что в ней использованы конструктивные решения разводки из меди, аналогичные Exmor, что опять же говорит о единстве технических решений.

Методики оценки чувствительности в разных компаниях несколько различаются, поэтому сравнить модели по этому параметру затруднительно. Но уже показательно, что Omnivision стала указывать чувствительность сенсора в перечне технических характеристик. Спектральные характеристики чувствительности сенсоров пока остаются неведомыми, а в последнее время и у SONY приводятся нерегулярно. Можно только предполагать, что они несильно отличаются друг от друга. Для последнего достижения борьбы за чувствительность CMOS-сенсоров – технологии Starvis, основанной на структуре BSI, – заявляется почти «немыслимая» удельная чувствительность – 2000 мВ/мкм2 и более. Правда, эта величина дана для времени накопления 1 с, в то время как по типовой методике этого производителя чувствительности обычно нормируются для времени накопления 1/30 с. Другими словами, удельная величина составит более 70 мВ/мкм². Лучшие модели этой технологии имеют максимальное 14-битное преобразование (для 30 кадр/с). В них используется технология брекетинга – съемка одного и того же кадра несколько раз с разными настройками основных параметров. Благодаря этому возможна реализация режима WDR с двойным сканированием (при 60 кадр/с). Широкие функции усиления позволяют отдельную регулировку усиления каждого пикселя по каждому цвету. Возможно также двухканальное усиление от каждого пикселя с последующим суммированием, что реализует корреляционный прием с улучшением отношения сигнал/шум еще в 1,4 раза. Эти меры позволяют обеспечить большое усиление сигнала с минимальным шумом, то есть высокую чувствительность.

Рост эффективности сосветосильной оптикой

Снижение толщины сенсора не только исключает падение эффективности приема при использовании светосильных объективов, но даже увеличивает эффективность и чувствительность приема. Так, например, для обычных сенсоров формата 1/2,8–1/3,2″ с пикселем 2,5 мкм при изменении F-числа объектива c 5,6 до 1,2 эффективность снижается с 1 до 0,6. Для сенсора BSI она несколько увеличивается – до 1,1.

Очевидно, что с сенсорами Starvis можно более эффективно использовать светосильную оптику и тем самым обеспечить высокочувствительный прием изображения.

Таким образом, современные технологии CMOS-матриц достигли значительных успехов в повышении чувствительности и уже практически «победили» CCD.

Опубликовано: Журнал «Системы безопасности» #6, 2016
Посещений: 6392

Автор Чура Н. И.Технический консультант ООО «Система СБ» и ООО «Микровидео /Группа». Всего статей:  57

В рубрику «Видеонаблюдение (CCTV)» | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Матрица фотоаппарата

Матрица фотоаппарата —  это микросхема с набором светочувствительных элементов (фотодиодов), предназначенная для преобразования оптического изображения в поток цифровых данных или в аналоговый электрический сигнал, которое затем обрабатывается процессором фотоаппарата и сохраняется в виде фотографии в памяти. Светочувствительные ячейки называют еще пикселями. Матрица представляет собой прямоугольную пластину из полупроводникового материала, состоящую из множества пикселей, каждый из которых при попадании на него луча света формирует электрический сигнал, размер которого зависит от интенсивности светового потока. Электрический сигнал тем больше, чем больше световой поток. Таким образом, информация о яркости света формирует черно-белую картинку.

Чтобы картинка была цветной, светочувствительные ячейки в соответствии с цветовой схемой RGB (red-green-blue) покрывают цветными светофильтрами – красным, синим или зеленым.  Остальные цвета являются результатом смешения трех вышеупомянутых цветов, а также уменьшения или увеличения их насыщенности. Каждый пиксель покрывают только одним цветом. Светофильтры располагаются на матрице группами по четыре штуки таким образом, что двум зеленым соответствуют один синий и один красный. Такое соотношение объясняется тем обстоятельством, что максимальную чувствительность человеческий глаз проявляет именно к зеленому цвету. Каждый цветной фильтр пропускает в соответствующий пиксель лучи только идентичного цвета: красный пиксель — красного спектра, зеленые — зеленого, синие — синего.

Каждая матрица имеет определенные физические размеры и чем они больше, тем качество снимка лучше. По размеру матрицы можно разделить на полноформатные (Full Frame) и неполных размеров APS. Как правило, в технических характеристиках матрицы показывают не физические размеры (диагональ, площадь и ширина, в миллиметрах), а указывается количество пикселей, что является маркетинговым ходом (так как для качества изображения больше важен именно размер матрицы, а не просто количество пикселей).

К примеру, если на матрице фотоаппарата по горизонтали расположено 2592 пикселя, а по вертикали — 1944, то всего пикселей 5 038 848, то есть приблизительно 5 миллионов. В таком случае в характеристиках фотоаппарата пишут, что матрица 5 мегапикселей. Например, у профессионального зеркального фотоаппарат Canon EOS 1Ds Mark III число мегапикселей матрицы равно 22Мп, т.е. 22 миллиона пикселей, а ее размер равен 36 x 24 мм, т.е. является полноформатной (соответствует размеру 35 мм пленки).

Еще одной характеристикой матрицы является уровень цифровых шумов, которые приводят к появлению на фотографиях разноцветных крапинок, что существенно портит качество снимков и делает их нереалистичными. Одной из причин возникновения шумов может являться недостаточная освещённость, например, при ночной съемке. Избавиться от шумов можно при помощи специальных корректирующих программ, но лучше научиться правильно использовать вспышку. Шумы могут возникать также по причине низкого качества матрицы, но чаще всего из-за чрезмерного повышения фотографом светочувствительности матрицы. Светочувствительность матрицы повышают при недостаточной освещенности, когда настройка диафрагмы и выдержки не дает результата. В традиционных плёночных фотоаппаратах используется плёнка, которая уже обладает определенным ISO и поменять его нельзя, а в цифровых фотоаппаратах регулировка светочувствительности матрицы выполняется через настройки. С увеличением  светочувствительности снимок будет  светлее, однако уровень шумов также  возрастает. Для получения качественных фотографий при съемках в условиях недостаточной освещенности, возможно, придется повышать светочувствительность, а также использовать штатив для уменьшения колебаний камеры.

Большое значение в матрице имеет также размер светочувствительных датчиков (пикселей). Чем больше размер пикселей, тем выше светопередача и ниже уровень шумов. Другими словами, на матрице с большими пикселями получается более качественное изображение. Поэтому даже если два фотоаппарата имеют одинаковое количество пикселей, но у первого размер самих пикселей больше чем у второго (соответственно и размер матрицы первого будет больше), то первый фотоаппарат выдаст более высокое качество снимка, чем второй. Вполне естественно, что смартфоны и мобильные телефоны оборудованы матрицами с самыми скромными размерами, так как место под камеру в таких устройствах очень ограничено. Совсем немного за счёт размера матрицы выигрывают у смартфонов цифровые мыльницы. Профессиональные зеркальные камеры комплектуются большими матрицами (36 х 24 мм, как у светочувствительной 35 мм плёнки) с большими светочувствительными датчиками (пикселями). К сожалению, многие покупатели становятся заложниками маркетинговых ухищрений и не обращают внимания на геометрические размеры матрицы и пикселя, а покупают устройства, ориентируясь исключительно на количество пикселей. Хотя, уровень качества фотоснимков во многом определяется именно физическими размерами матрицы, а от количества пикселей больше зависит максимальная величина снимка.

Автор: FC,
23.05.2013 г.

(PDF) Светочувствительность аморфных IGZO TFT для плоскопанельных дисплеев с активной матрицей

P-13 / C.-S. Chuang

Из этих рисунков видно, что длины волн освещения

(365~660 нм) в этом эксперименте покрывают диапазон энергий фотонов

, представляющий интерес для AM-LCD и AM-OLED, и оптическую ширину запрещенной зоны

а-IGZO (~410нм). Мы суммируем наши результаты, нанося

различных параметров TFT в зависимости от энергии падающего фотона

(рис.6). Следуя (3)~(5) и другим определениям, ранее описанным в разделе 3.2,

, ток стока TFT в выключенном состоянии (IDS_off),

сдвиг порогового напряжения (ΔVth), подпороговый размах (S), включенное состояние

ток стока (IDS_on) и µeff извлечены и показаны на рис. 6.

Для выяснения физической причины сдвига электрических свойств TFT

спектр поглощения a-IGZO (сплошная кривая)

перекрывается с вариацией данных IDS_off на рис.6. Можно

сделать вывод, что свет с энергией менее 3,0 эВ (видимая

область) лишь слабо поглощается и оказывает незначительное влияние на передаточные характеристики

ТПТ, в то время как свет с энергией более 3,0

эВ сильно поглощается и, как ожидается, создаст большую плотность

электронно-дырочных пар, которые разделены в канале устройства.

Во время освещения пороговое напряжение (Vth) смещается к более чем

отрицательным значениям VGS с увеличением фотоэнергии, указывая

на то, что дырки захвачены (положительный пространственный заряд) в канале

или/и в SiO2 / интерфейс a-IGZO, e.g., электроны

кажутся более подвижными, чем дырки в TFT a-IGZO. TFT

IDS_off, ΔVth и подпороговый размах (S) увеличиваются с увеличением коэффициента поглощения пленки

. После освещения мы можем

вернуть устройство в исходное состояние до освещения с помощью термообработки

1000C в течение 3 минут. Без приложенного тепла устройство

восстановит свои

свойства до освещения после длительного периода времени.Поскольку это полностью обратимый процесс,

фотогенерированных носителей (дырок), скорее всего, захватываются в процессе

фотогенерации. Точная природа ловушек находится в стадии

настоящего расследования.

5. Заключение

В заключение мы показали, что ток стока a-IGZO TFT

, подпороговый размах и Vth сдвиг при освещении

соответствуют спектру оптического поглощения материала. a-IGZO TFT

стабилен при освещении видимым светом, в то время как электрические свойства

начинают изменяться, когда энергия освещающего фотона приближается к

или превышает энергию зазора поглощения (~3 эВ, ближний УФ-диапазон)

освещенный устройства могут быть возвращены в исходное темное состояние после короткой

термической обработки при более высокой температуре. Это исследование показывает

, как светочувствительность a-IGZO TFT может повлиять на активную матрицу

LCD и OLED, а также на работу фотодатчиков. Можно ли обойтись без легких экранирующих электродов

, используемых в a-Si:H TFT AM-FPD или фото-изображениях

, когда используются a-IGZO TFT?

6. Благодарности

Все пленки PLD, использованные в этой работе, были депонированы доктором К.

Номура в Токийском технологическом институте, Япония. Все изготовление устройства

и измерения были выполнены в Университете

Мичиган, США.Двое из нас (Т.С. Фунг и Дж. Каники) хотели бы

поблагодарить DARPA за частичную финансовую поддержку.

7. Ссылки

[1] H. Hosono et al., «Рабочая гипотеза для исследования новых электропроводящих аморфных оксидов с шириной запрещенной зоны

и примеров

» J. Non-Cryst. Твердые тела, 198-200, 165-169, (1996).

Рис. 6. Зависимость PLD a-IGZO TFT от минимума выкл-

ток стока в состоянии (IDS-off), ток стока в состоянии on (IDS-on) ,

сдвиг порогового напряжения (ΔVth), подпороговый размах (S ),

и полевой подвижности (µeff) от энергии падающих фотонов

для постоянного потока фотонов.

[2] Дж. Ф. Вагер, «Прозрачная электроника» Наука, 300, 1245-

1246, (2003).

[3] H. Hosono, «Ионные аморфные оксидные полупроводники: дизайн материала

, транспортировка носителя и применение устройства» J. Non-

Cryst. Твердые вещества, 352, 851-858, (2006).

[4] Х. Хосоно и др., «Изготовление при комнатной температуре

прозрачных гибких тонкопленочных транзисторов с использованием аморфных

оксидных полупроводников» Nature, 432, 488-492, (2004).

[5] К. Номура и др., «Аморфный оксидный полупроводник: материалы

, транспортировка носителя и характеристики TFT» TAOS,

Япония, (2006).

[6] Т. Ли и др., «Пропускание без интерференционных полос

спектроскопия аморфных тонких пленок» J. Appl. Phys., 88,

5764-5771, (2000)

[7] Дж. Каники, Аморфные и микрокристаллические полупроводники

Устройства, Том II: Материалы и физика устройств, стр. 6,

Бостон: Artech House, (1992).

[8] Р.А. Street, Hydrogenated Amorphous Silicon, p.88,

Cambridge: Cambridge University Press, (1991).

[9] С. Шерман и др., «Корреляция между энергиями хвоста валентной зоны и зоны проводимости

в гидрогенизированном аморфном кремнии

» Appl. физ. Lett., 69, 3242, (1996)

[10] М. Тани и др., «Прогресс в цветных фильтрах для ЖК-дисплеев», Proc.

IDRC, 103–111, (1994).

[11] Дж. Каницкий и др., «Оптоэлектронные свойства PLED на пластиковой подложке

» Дж.SID, 13/12, 993-1002, (2005)

1218 • SID 08 DIGEST

Светочувствительное стекло – обзор

13.17.4.1.3 Фемтосекундные лазеры

С развитием фемтосекундных импульсных лазеров с высокой плотностью энергии в последние несколько лет значительные исследовательские усилия были сосредоточены на использовании фемтосекундных лазеров для обработки стекла ( 87 , 88 ). Исследование внутренней обработки стеклянных материалов видимыми длинами волн лазера также стало возможным с помощью таких лазеров с короткой длительностью импульса. Первоначальная работа с титан-сапфировым лазером (810 нм, 120 фс, 200 кГц, импульсы с синхронизацией мод, 975 мВт) привела к образованию внутренних микроканалов диаметром примерно 5–12 мкм ( 53 ). Сообщалось, что фемтосекундные лазеры могут вызывать многофотонные фотохимические реакции ( 89 ). Исследование спектров пропускания и дефектной полосы при лазерной обработке фоточувствительных стекол фемтосекундными лазерами показало, что фотохимическая реакция в основном возникает за счет фотоэлектронов, генерируемых при возбуждении электрона немостикового кислорода ( 89 ).

Никумб и др. ( 90 ) исследовали использование фемтосекундного лазера с длиной волны 775 нм для обработки боросиликатных микроскопических препаратов и капиллярных волокон из плавленого кварца. Образцы также обрабатывали лазером Nd:YVO ₄ с длиной волны 532 нм и лазером Nd:YAG с длиной волны 355 нм, оба с наносекундной шириной импульса. Результаты показали небольшие элементы шириной до нескольких микрометров, а также очень гладкую поверхность внутри каналов.

В более поздней работе методы лазерной обработки, влажного травления и термоскрепления были объединены для изготовления стеклянных микрожидкостных устройств.Подход заключался в термическом соединении двух стеклянных пластин после создания разделительных каналов и реакторных ячеек на первой пластине с помощью жидкостного травления ВЧ и микроотверстий для входа и выхода во второй пластине с помощью фемтосекундной лазерной абляции ( 91 ). В большинстве этих работ обработка поверхности стекла сопровождалась различными методами склеивания для формирования трехмерных микроэлементов ( 92 , 93 ). Однако также возможны подповерхностные каналы, созданные внутри стеклянных материалов ( 94 ).Двухэтапный процесс изготовления внутренних микроканалов в кремнеземных материалах фактически был представлен Марцинкевичусом и др. ( 49 ). Фемтосекундный лазер с длиной волны 795 нм и частотой повторения импульсов 1 кГц использовался для фокусировки луча внутри кремнезема и создания трехмерных взаимосвязанных полых каналов шириной 10 мм с последующим химическим ВЧ травлением.

В 2006 г. Fisette et al. представила трехэтапную методику лазерной обработки кремнезема фемтосекундным лазером с последующей термообработкой и химическим травлением в растворе HF ( 89 ).Используя эту технику, микрожидкостные устройства были изготовлены из светочувствительного стекла Foturan ( 95 ) и плавленого кварцевого стекла ( 96 ). В этой последней работе микроканал Y-образной формы был создан внутри образца плавленого кварца путем контролируемой фокусировки фемтосекундного лазера с длиной волны 800 нм и движения предметного столика XYZ. Затем образцы погружали в раствор HF на несколько часов перед воздействием кислородно-водородного пламени. Пока образец нагревался, к двум сторонам образца прикреплялись два столика, которые двигались в противоположных направлениях от центра образца.Этот процесс растягивал деталь вдоль направления микроканалов, в результате чего каналы имели шероховатость (RMS) менее 0,3 нм. Вытяжка каналов уменьшила угол конусности микроканала с 4,2° до 0,8° ( 96 ).

Совсем недавно внутри образцов плавленого кварца были изготовлены трехмерные спиральные микроканалы диаметром 1 см с соотношением сторон до 522. Процесс состоял из внутренней лазерной обработки с последующим погружением образца в раствор HF. Внедрение дополнительных портов доступа для обработки ВЧ и процесса компенсации мощности улучшили однородность канала.Трехмерный микросмеситель был изготовлен с использованием этой технологии, что привело к времени смешивания менее 16 мс при длине смешивания около 200 мкм и числе Рейнольдса ( Re ) примерно 2 ( 97 ). Кроме того, оптическая микролинза была интегрирована в микрожидкостное устройство с использованием двухэтапного процесса, основанного на послойном фемтосекундном лазерном сканировании с последующим ВЧ-травлением (рис. 5) ( 98 ).

Рис. 5. Оптическая микрофотография (а) микролинзы, (б) Y-образного микрожидкостного канала и (в) увеличенного изображения канала, видимого через микролинзу.

Воспроизведено из Qiao, L. ; Он, Ф.; Ван, К.; Ченг, Ю .; Сугиока, К .; Мидорикава, К. , заявл. физ. А – мат. науч. Процесс. 2011 , 102 , 179–183, © Springer-Verlag.

Активация фибробластов и аномальное ремоделирование внеклеточного матрикса как общие признаки трех предрасположенных к раку генодерматозов

Задний план: Рецессивный дистрофический буллезный эпидермолиз (RDEB), синдром Киндлера (KS) и пигментная ксеродерма комплементарной группы C (XPC) представляют собой три предрасположенных к раку генодерматоза, чьи причинные генетические мутации сами по себе не могут полностью объяснить множество связанных фенотипических проявлений.Недавние данные подчеркивают роль стромального микроокружения в патологии этих нарушений.

Цели: Исследовать с помощью сравнительного анализа экспрессии генов роль дермальных фибробластов в патогенезе РДЭБ, СК и ХПК.

Методы: Мы провели анализ RNA-Seq, который включал тщательное изучение дифференциально экспрессируемых генов, анализ функционального обогащения и описание затронутых сигнальных цепей.Транскриптомные данные были проверены на уровне белка в клеточных культурах, образцах сыворотки и биоптатах кожи.

Результаты: Сравнение различных заболеваний с контрольными фибробластами выявило объединяющую сигнатуру 186 дифференциально экспрессируемых генов и четырех сигнальных путей при трех генодерматозах. Примечательно, что некоторые из обнаруженных изменений экспрессии указывают на фенотип синтетических фибробластов, характеризующийся аберрантной экспрессией белков внеклеточного матрикса (ECM).Вестерн-блоттинг и иммунофлуоресценция in situ подтвердили данные RNA-Seq. Кроме того, иммуноферментный анализ выявил повышенный уровень циркулирующего периостина у пациентов с РДЭБ.

Выводы: Наши результаты показывают, что различные причинные генетические дефекты сходятся в общих изменениях в экспрессии генов, возможно, из-за событий, чувствительных к травмам. Это, в свою очередь, запускает каскад реакций, связанных с аномальным отложением ВКМ и недостаточной экспрессией антиоксидантных ферментов.Выясненная сигнатура экспрессии обеспечивает новые потенциальные биомаркеры и общие терапевтические мишени при RDEB, XPC и KS. Что уже известно по этой теме? Рецессивный дистрофический буллезный эпидермолиз (RDEB), синдром Киндлера (KS) и пигментная ксеродерма комплементарной группы C (XPC) представляют собой три генодерматоза с высокой предрасположенностью к развитию рака. Хотя их причинные генетические мутации в основном поражают эпителий, дермальное микроокружение, вероятно, способствует физиопатологии этих нарушений. Что добавляет это исследование? Мы раскрываем большой перекрывающийся профиль транскрипции между фибробластами XPC, KS и RDEB, который указывает на активированный фенотип с высокой способностью к синтезу матрицы. Этот общий признак, по-видимому, не зависит от первичной причинной недостаточности, но отражает лежащее в основе расстройство внеклеточного матрикса посредством активации передачи сигналов трансформирующего фактора роста-β и дисбаланса окислительного состояния. Что такое трансляционное сообщение? Это исследование расширяет современные знания о патологии этих заболеваний и выделяет новые мишени и биомаркеры для эффективного терапевтического вмешательства.Предполагается, что высокий уровень циркулирующего периостина может представлять собой потенциальный биомаркер РДЭБ.

Разработка клея на основе фоточувствительных полимерных гидрогелей и наночастиц серебра для заживления ран

rsc.org/schema/rscart38″> Гемостаз, закрытие ран и предотвращение инфекции имеют решающее значение для заживления ран после травмы. Кожные клеи использовались для герметизации разрезов, что способствовало первичному заживлению ран, а также создавало барьер для микробов.Мы создали кожный клей с антибактериальной и гемостатической активностью (АНА) для обработки ран. Клей был изготовлен с использованием гидрогелей метакрилированного гиалуронана-полиакриламида (MHA-PAAm), интегрированных с наночастицами серебра (AgNP) и связанных с желатином. Благодаря трехмерной сетчатой ​​структуре гидрогелей наноразмерные частицы могут быть инкапсулированы в их пустотах; AgNP, благодаря устойчивой доставке ионов серебра, наделяют адгезивы устойчивой антибактериальной активностью широкого спектра.Кроме того, благодаря введению ГАМ, который может быть сшит видимым светом, матрица полиакриламидного гидрогеля может быть сформирована посредством фотосшивания. Кроме того, желатин может быть связан как с гидрогелевой матрицей, так и с тканями хозяина благодаря взаимодействию между карбоксильными и аминогруппами. Наши исследования на животных показали, что AHA, которые обладают тканевыми адгезивными и антибактериальными свойствами, легко растягиваются и способны останавливать кровотечение в моделях с ампутацией хвоста крысы и повреждением печени.AHA усиливают образование грануляционной ткани раны, образование сосудистой ткани и образование коллагена, а также облегчают воспаление. Эти свойства способствовали закрытию ран в моделях инфекции ран у крыс, обещая большой потенциал для применения AHA в клинических целях.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент. .. Что-то пошло не так. Попробуй снова?

Исследование консорциума по злокачественным новообразованиям СПИДа фазы I — Университет Джонса Хопкинса

TY-JOUR

T1 — Ингибитор матриксной металлопротеиназы COL-3 при лечении саркомы Капоши, связанной со СПИДом

T2 — Исследование консорциума злокачественных новообразований СПИДа фазы I — Чианфрокка, Мэри

AU — Кули, Тимоти П.

AU — Lee, Jeannette Y.

AU — Rudek, Michelle A.

AU — Scadden, David T.

AU — Ratner, Lee

AU — Pluda, James William M.

AU — Figg, Figg D.

AU — Krown, Susan E.

AU — Dezube, Bruce J.

PY — 2002/1/1

Y1 — 2002/1/1

N2 — Назначение: матриксные металлопротеиназы (ММР) участвует в инвазии и метастазировании опухоли и сверхэкспрессируется в клетках саркомы Капоши (KS). Основная цель состояла в том, чтобы определить безопасность и токсичность ингибитора MMP COL-3 у пациентов с саркомой саркомы, связанной со СПИДом. Вторичные цели заключались в оценке ответа опухоли, фармакокинетики и изменений в крови уровней MMP-2, MMP-9, фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) и основного фактора роста фибробластов (bFGF). Пациенты и методы: COL-3 вводили перорально один раз в день, и дозы повышали в когортах от трех до шести субъектов. Пациенты с симптоматической висцеральной саркомой или тяжелым отеком, связанным с опухолью, были исключены.Антиретровирусная терапия была разрешена, но не обязательна. Конечными точками исследования были токсичность 3 или 4 степени или прогрессирующая СК. Серийные образцы крови были получены для определения фармакокинетики и уровней MMP-2, MMP-9, VEGF и bFGF. Результаты. Восемнадцать пациентов получали COL-3 в дозах 25, 50 и 70 мг/м2/сут. О предшествующей терапии СК сообщили 17 пациентов (94%). Нежелательные явления 3 или 4 степени, связанные с COL-3, были отмечены у шести пациентов и включали светочувствительность, сыпь и головную боль. Был один полный ответ и семь частичных ответов, при общей частоте ответов 44% со средней продолжительностью ответа 25+ недель.Медиана периода полувыведения COL-3 составила 39,3 часа (диапазон от 4,1 до 251,1 часа). Существовала значительная разница между ответившими и не ответившими на лечение в отношении изменения уровней MMP-2 в сыворотке от исходного уровня до минимального значения при лечении (P = 0,037). Вывод: COL-3, вводимый перорально один раз в день пациентам с саркомой, связанной со СПИДом, достаточно хорошо переносится. Наиболее частым нежелательным явлением была близкородственная фотосенсибилизация. Отмечена противоопухолевая активность. Необходима дальнейшая оценка COL-3 для лечения СК.

AB — Назначение: матриксные металлопротеиназы (ММР) участвуют в инвазии и метастазировании опухоли и сверхэкспрессируются в клетках саркомы Капоши (СК). Основная цель состояла в том, чтобы определить безопасность и токсичность ингибитора MMP COL-3 у пациентов с саркомой саркомы, связанной со СПИДом. Вторичные цели заключались в оценке ответа опухоли, фармакокинетики и изменений в крови уровней MMP-2, MMP-9, фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) и основного фактора роста фибробластов (bFGF). Пациенты и методы: COL-3 вводили перорально один раз в день, и дозы повышали в когортах от трех до шести субъектов.Пациенты с симптоматической висцеральной саркомой или тяжелым отеком, связанным с опухолью, были исключены. Антиретровирусная терапия была разрешена, но не обязательна. Конечными точками исследования были токсичность 3 или 4 степени или прогрессирующая СК. Серийные образцы крови были получены для определения фармакокинетики и уровней MMP-2, MMP-9, VEGF и bFGF. Результаты. Восемнадцать пациентов получали COL-3 в дозах 25, 50 и 70 мг/м2/сут. О предшествующей терапии СК сообщили 17 пациентов (94%). Нежелательные явления 3 или 4 степени, связанные с COL-3, были отмечены у шести пациентов и включали светочувствительность, сыпь и головную боль.Был один полный ответ и семь частичных ответов, при общей частоте ответов 44% со средней продолжительностью ответа 25+ недель. Медиана периода полувыведения COL-3 составила 39,3 часа (диапазон от 4,1 до 251,1 часа). Существовала значительная разница между ответившими и не ответившими на лечение в отношении изменения уровней MMP-2 в сыворотке от исходного уровня до минимального значения при лечении (P = 0,037). Вывод: COL-3, вводимый перорально один раз в день пациентам с саркомой, связанной со СПИДом, достаточно хорошо переносится.Наиболее частым нежелательным явлением была близкородственная фотосенсибилизация. Отмечена противоопухолевая активность. Необходима дальнейшая оценка COL-3 для лечения СК.

UR – http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=0036137547&partnerID=8YFLogxK

UR – http://www.scopus.com/inward/citedby.url?scp=0036137547&partnerID=8YFLogxK

U2 — 10.1200 / JCO.20.1.153

DO — 10.1200 / JCO.20.1.153

м3 — Статья

C2 — 11773164

AN — Scopus: 0036137547

VL — 20

SP — 153

EP — 159

Jo — Журнал клинической онкологии

JF — Журнал клинической онкологии

SN — 0732-183x

IS — 1

ER —

Улучшение фотостабильности изотретиноина путем включения в микроэмульсию Matrix

В настоящей работе показано увеличение фотостабильности изотретиноина при загрузке в микроэмульсию. Фотодеградацию изотретиноина в составе метанола и микроэмульсии изучали под прямым солнечным светом. Процесс фотодеградации контролировали с помощью УФ-спектрофотометрии. В растворе метанола изотретиноин подвергается полной фотодеградации всего за несколько минут воздействия света. Изотретиноин, включенный в состав микроэмульсии, показал повышенную стабильность по сравнению с растворами в метаноле. В частности, для изотретиноина остаточная концентрация 75% все еще присутствовала после облучения светом по сравнению с остаточным значением всего 16%, измеренным в то же время в растворе метанола.Кроме того, было продемонстрировано, что кинетические параметры деградации состава микроэмульсии, содержащей изотретиноин, увеличивают период полураспада изотретиноина примерно в пять раз по сравнению с раствором метанола под прямым солнечным светом.

1. Введение

Ретиноиды для местного применения составляют основу почти всех терапевтических программ при акне легкой и средней степени тяжести, и их можно использовать для лечения невоспалительных и воспалительных акне. Терапевтический успех при акне в значительной степени зависит от регулярного применения местных средств в течение длительного периода времени.Но есть несколько факторов, которые, по-видимому, указывают на то, что местное применение может быть проблематичным. Среди них чрезвычайно низкая растворимость соединений, ограничивающая включение в приемлемый носитель, фотонестабильность, которая может сделать местно применяемое лекарственное средство неэффективным, и проблема переносимости, приводящая к значительной эритеме, сухости, шелушению, шелушению и раздражению кожи. Это приводит к прекращению лечения или проблемам с соблюдением режима лечения у пациентов, продолжающих лечение [1–3].

Изотретиноин (ITN), производное ретиноевой кислоты (13-цис-ретиноевая кислота), является наиболее эффективным соединением, способным подавлять акне в течение длительного времени. Однако низкая растворимость ITN ограничивает его включение в подходящий носитель, а его плохая фотостабильность делает местно применяемое лекарство неэффективным. Таким образом, разработка новых составов, характеризующихся высокой фотозащитой ITN, представляется важной, а также эффективное исследование процессов фотодеградации, происходящих в ITN в разработанных составах.Включение лекарств в матрицу новой рецептуры представляет собой подход, вызывающий растущий интерес к проблеме светочувствительных лекарств [4–7].

Новые стратегии доставки лекарственных средств, такие как липосомы, ниосомы, аспасомы, микрогубки, микроэмульсии (МЭ), гидрогели и твердые липидные наночастицы, могут играть ключевую роль в оптимизации и улучшении местной доставки средств против акне путем изменения их физико-химических и биофармацевтических свойств или минимизация/устранение побочных эффектов, связанных с ними, что обеспечивает лучшее соблюдение пациентом режима лечения [8–10].

Интерес к разработке системы доставки лекарств для ITN на основе ME заключается в том, что они предлагают интересный и потенциально достаточно мощный способ доставки лекарств в качестве коллоидного носителя лекарств из-за их универсальности и привлекательных преимуществ. Благоприятные свойства доставки лекарственного средства через кожу из-за больших градиентов концентрации, обеспечиваемых большим потенциалом растворимости лекарственного средства, сродством носителя к лекарственному средству, вместе с простотой приготовления, их физической и термодинамической стабильностью, делают МЭ очень многообещающими носителями для будущих составов для местного применения.Кроме того, было продемонстрировано, что микроэмульсии (МЭ) для местного применения значительно увеличивают кожную абсорбцию как липофильных, так и гидрофильных препаратов по сравнению с обычными носителями, например водными растворами, чистыми масляными фазами, мицеллярными растворами, эмульсиями и липосомами [11–13].

Фотостабильность лекарств представляет собой серьезную проблему в фармацевтических исследованиях, существует несколько статей и обзоров, посвященных различным аспектам таких исследований. Тестирование фотостабильности для новых лекарств включено как неотъемлемая часть стресс-тестирования в руководство ICH [14] и действительно является важным видом деятельности фармацевтической промышленности [15]. Состав и производственный процесс, по-видимому, имеют решающее значение для фотостабильности лекарств [16], и было предложено несколько подходов для повышения стабильности ряда лекарств [17].

Исследования фотостабильности составов ретиноевой кислоты проводились на лосьонах [18], фармацевтических препаратах [19] и косметике [20]. Сообщалось, что включение ретиноевой кислоты в липосомы защищает лекарство от фотодеградации [21], а также была описана глубокая характеристика комплексов ретиноевая кислота-липосома [22] и ниосома [23].Шах и др. оценивали способность твердых липидных наночастиц улучшать фотостабильность третиноина по сравнению с третиноином в метаноле и сообщали, что инкапсулирование третиноина в твердые липидные наночастицы приводило к значительному улучшению его фотостабильности по сравнению с метанольным раствором, а также предотвращало его изомеризацию. 24]. Иоэле и др. сообщили, что третиноин и ITN подвергаются ступенчатой ​​фотодеградации в этаноле с первой очень быстрой изомеризацией до 13- цис и 9- цис изомеров соответственно, после чего следует более медленная деградация с образованием нескольких изомеров. Было доказано, что включение препаратов в липосомальный матрикс демонстрирует повышенную устойчивость к свету. Кроме того, в липосомах избегают быстрой изомеризации, реализуемой в этаноле из обоих соединений. Было показано, что они уменьшают период полураспада третиноина примерно в двенадцать раз по сравнению с раствором этанола при мощности света 250 Вт/м ² . Кроме того, авторы пришли к выводу, что включение ITN в липосомы показало худшую эффективность по сравнению с третиноином в липосомах, вероятно, из-за низкого включения, связанного с его нелинейной молекулярной структурой [25].

Литературы (на сегодняшний день) о включении ITN в ME обнаружено не было. Следовательно, настоящее исследование было предпринято с целью повышения фотостабильности ITN при загрузке в МЭ. Нагруженные ITN матрицы подвергали исследованиям фотодеградации либо в растворе, либо в МЭ, и в качестве дополнительной цели исследования фотостабильности пытались интерпретировать процесс фотодеградации ITN путем определения кинетических параметров. Аналитический контроль ретиноевых кислот проводили с помощью УФ-спектрофотометрии.

2. Материалы и методы

2.1. Аппарат

Измеряли оптическую плотность и регистрировали спектры в диапазоне длин волн 200–800 нм в двух согласованных кварцевых кюветах с расстоянием светового пути 1 см с использованием двойного луча Perkin Elmer Lambda 19 (Perkin Elmer, Norwalk, CT) УФ-видимый спектрофотометр .

2.2. Химические вещества

ITN были приобретены в виде бесплатных образцов у Astron Research Ltd. (Ахмадабад, Индия). Для пробоподготовки использовали метанол аналитической чистоты (E. Merck, Mumbai, India).Изопропилмиристат (IPM) был приобретен у National Chemicals (Вадодара, Индия). Каприлокапроилмакрогол-8-глицерид и полиглицерилолеат были получены в виде бесплатных образцов от Gattefosse (Saint-Priest, Франция). Для приготовления МЭ использовали бидистиллированную воду, чтобы избежать поверхностно-активных примесей.

2.3. Лабораторные меры предосторожности

Чтобы свести к минимуму фотодеградацию лекарств, все операции с ОИС проводились под красной лампой (60 Вт) и, по возможности, с использованием посуды из темного стекла.

2.4. Приготовление стандартных исходных растворов

Исходный раствор готовили путем взвешивания чистого порошка ITN (10 мг), навеску порошка точно переносили в мерную колбу на 100 мл, растворяли и доводили до метки метанолом для получения стандартного исходного раствора ITN (100 𝜇г/мл). Рабочие стандарты для получения концентраций в диапазоне 5,0–40,0 𝜇г/мл для ITN готовили соответствующим разбавлением метанолом исходных растворов и использовали для построения калибровочных кривых.

2.5. Приготовление микроэмульсий с ИТН

Для выяснения диапазона концентраций компонентов для существующего ряда МЭ были построены псевдотройные фазовые диаграммы методом титрования водой при температуре окружающей среды. Были приготовлены три фазовые диаграммы с весовыми соотношениями 1 : 1, 2 : 1 и 3 : 1 каприлокапроилмакрогол-8-глицерида к полиглицерилолеату соответственно. Для каждой фазовой диаграммы при определенном соотношении смешивания поверхностно-активного вещества (S)/со-ПАВ (CoS) (Km) отношения масла к смеси S/CoS варьировались как 0. 5: 9.5, 1: 9, 1.5: 8.5, 2: 8, 2.5: 7.5, 3: 7, 3.5: 6.5, 4: 6, 4.5: 5.5, 5: 5, 5.5: 4,5, 6: 4, 6.5: 3,5, 7 : 3, 7,5 : 2,5, 8 : 2, 8,5 : 1,5, 9 : 1 и 9,5 : 0,5. Смеси масла и S/CoS при определенных весовых соотношениях разбавляли водой по каплям при умеренном магнитном перемешивании. После уравновешивания при температуре окружающей среды в течение 24 часов смеси оценивали визуально и определяли, что они представляют собой МЭ, неочищенные эмульсии или гели МЭ. Стабильные МЭ также наблюдали в поляризующем свете, чтобы подтвердить их изотропную природу.Не делалось попыток провести различие между МЭ типа «нефть-в-воде», «вода-в-масле» или бинепрерывного типа. Гели были заявлены для тех прозрачных и высоковязких смесей, которые не показали изменения мениска после наклона на угол 90°. Состав

ME был выбран из псевдотройной фазовой диаграммы с весовым соотношением 3 : 1 каприлокапроилмакрогол-8-глицерида к полиглицерилолеату. В смеси масла и S/CoS добавляли ITN, затем к смеси по каплям добавляли соответствующее количество дистиллированной воды и получали МЭ, содержащий ITN, путем перемешивания смесей при температуре окружающей среды, которые хранили при температуре окружающей среды. В таблице 1 показан состав выбранного состава МЭ.

90 382 +

Компоненты	Содержание
изотретиноин	0,5% вес / вес
Изопропилмиристат	4,0% вес / вес
Каприлокапроил макрогол-8-глицерид	31,5% мас./мас.
Полиглицерилолеат	10,5% мас./мас.
Водная фазас. для 100% мас./мас.

2.6. Характеристика загруженной ITN микроэмульсии

Средний размер капель и индекс полидисперсности ME измеряли с помощью фотонно-корреляционной спектроскопии (PCS) со встроенным Zetasizer (Nano ZS, Malvern Instruments, UK) при 633 нм. Источником света служил гелий-неоновый газовый лазер мощностью 4  мВт. Размер капель был рассчитан с использованием соотношения Стокса-Эйнштейна с помощью программного обеспечения Zetasizer.Трансмиссионную электронную микроскопию (ПЭМ) использовали для характеристики микроструктуры МЭ, нагруженного ITN. МЭ помещали на медную сетку с углеродным покрытием, а затем на МЭ наносили каплю 1% фосфорно-вольфрамовой кислоты. Излишки фосфорно-вольфрамовой кислоты на МЭ удаляли фильтровальной бумагой. ПЭМ-изображения были получены с использованием Tecnai G2 20 TEM (Philips, Голландия). Показатель преломления системы измеряли рефрактометром Аббе (Bausch and Lomb Optical Company, Rochester, NY) путем нанесения 1 капли раствора на предметное стекло.Процент пропускания системы измеряли с помощью колориметра (Digital Colorimeter, D-801, Photocon) при 570–590 нм. Для подтверждения изотропной природы МЭ образцы исследовали с помощью кросс-поляризованной световой микроскопии (Polarizing Microscope, Carlzeless, Jena, Germany). Каплю образца помещали между покровным стеклом и предметным стеклом, а затем наблюдали в кросс-поляризованном свете. Значения рН ME определяли с использованием цифрового рН-метра (Orion pH-метр 420A, Allometric Ltd., Батон-Руж, Луизиана), стандартизированного с использованием буферов с рН 4 и 7 перед использованием.Вязкость МЭ измеряли с помощью вискозиметра Брукфилда (Brookfield Engineering LABS, Stoughton, MA) со шпинделем LV-III при 100 об/мин с интервалом 30 секунд. Все аспекты тестирования контролировались с помощью дополнительного программного обеспечения Rheocalc. Электропроводность МЭ измеряли кондуктометром (Equip-Tronics, EQ-664, Mumbai, India), оснащенным встроенной магнитной мешалкой. Это было сделано с помощью ячейки проводимости (с константой ячейки 1,0), состоящей из двух платиновых пластин, разделенных требуемым расстоянием, и с жидкостью между платиновыми пластинами, выступающими в качестве проводника [12, 13].

2.7. Исследование фотостабильности ИТН в растворе

Фотостабильность ИТН [24, 25] оценивали путем регистрации его спектров поглощения в диапазоне длин волн 200–500 нм в двух согласованных кварцевых кюветах со световым путем 1 см с использованием двухлучевого УФ-излучения. Спектрофотометр видимого диапазона (Perkin Elmer, Lambda 19, Norwalk, CT) при следующих условиях: скорость сканирования низкая; время отклика 1 с; спектральная полоса 1 нм. Мощность излучения доводили до нижнего значения приборной шкалы, а температуру в камере до 25°С.Такие щадящие условия эксперимента были заданы из-за высокой чувствительности препарата к свету, что позволило получить более точный контроль над процессом фотодеградации. Метанольный раствор ITN (концентрация: 20 𝜇г/мл) подвергали воздействию естественного солнечного света (>20000 люкс) и записывали УФ-спектры образцов сразу после приготовления (𝑡=0) и через следующие интервалы времени: 15, 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240 мин после подходящего разбавления метанолом. Все растворы образцов фильтровали через нейлон 0.Мембранные фильтры 45  мкм мкм.

2.8. Исследование фотостабильности ITN в микроэмульсии

Состав МЭ подвергали воздействию света в тех же экспериментальных условиях, которые описаны выше для раствора, и записывали спектры при тех же временах облучения. Для состава МЭ спектрофотометрические измерения выполняли путем соответствующего разбавления метанолом. Базовую коррекцию проводили с использованием простой дисперсии МЭ, соответствующим образом разбавленной метанолом, чтобы свести на нет любую возможную абсорбцию, возникающую из-за вспомогательных веществ.Все растворы образцов фильтровали через нейлоновые мембранные фильтры 0,45  мкм мкм.

Были предприняты достаточные усилия для поддержания одинаковых экспериментальных условий для обоих образцов, т.е. ИТН в метаноле и ИТН в МЭ. Следовательно, интерпретация процесса фотодеградации ITN путем определения кинетических параметров была предпринята в качестве дополнительной цели исследования фотостабильности.

3. Результаты и обсуждение

Размер частиц простого ME и ME с лекарственным средством определяли, и после загрузки лекарственным средством не наблюдалось существенной разницы в среднем размере частиц.Состав МЭ имел наименьший средний размер частиц 45±0,5 нм с индексом полидисперсности (PI) 0,145±0,027. PI является мерой однородности частиц и варьируется от 0,0 до 1,0. Чем ближе к нулю значение PI, тем более однородны частицы. PI показал, что состав ME имеет узкое распределение по размерам. ПЭМ-изображение ME, загруженных ITN, показано на рисунке 1. Размер частиц ME, загруженных ITN, из изображений TEM (рис. 1) соответствует размеру частиц из PCS. Визуализация показала, что МЭ, загруженные ITN, имели сферическую форму и узкое распределение по размерам.Показатель преломления разработанного МЭ оказался равным 1,329, а процент пропускания >99%, что свидетельствует о прозрачности системы. Образец исследовали путем визуального осмотра в кросс-поляризаторе на гомогенность образца и двойное лучепреломление. МЭ казался совершенно темным при наблюдении под перекрестным поляризатором, что указывало на то, что он был оптически изотропным. Состав МЭ имел соответствующее наблюдаемое значение рН (5,9±0,24) для местного применения. Включение ITN не оказывало существенного влияния на наблюдаемое значение рН составов МЭ. Разработанная система обладала низкой вязкостью (31,54±0,23 мПа⋅с) и высокой электропроводностью (149,5±2,21 мкСм/см). Не было обнаружено существенной разницы между вязкостью простых ME и ME с лекарственными средствами. Исследуемый состав МЭ, содержащий смесь неионогенных поверхностно-активных веществ, масло и воду, показал электропроводящее поведение, несмотря на его неионогенную природу. Из исследования вязкости и электропроводности можно сделать вывод, что приготовленная рецептура МЭ относится к типу м/в [12, 13].

3.1. УФ-спектры ИТН

На рис. 2 представлены УФ-спектры ИТН в метанольных растворах. Как видно, ITN характеризуется наличием одного впечатляющего максимума поглощения при 348 нм. Калибровочные графики были получены путем применения регрессионного анализа методом наименьших квадратов к амплитудам поглощения на пиках с одним максимумом в зависимости от возрастающих концентраций чистого ITN. Параметры кривых калибровки суммированы в таблице 2.

Диапазон концентрации 5-40 мкг / мл Наклон 0.1115 Стандартное отклонение наклона 0.57 × 10-4 Стандартное отклонение перехвата 0,48 × 10-3 Коэффициент корреляции 0,9998

Фотостабильность ИТН в растворе

Спектральные кривые, снятые в метанольном растворе ИТН при различном времени светового воздействия, представлены на рис. 3.Воздействие света вызвало резкую деградацию после 15 минут облучения с одновременным сдвигом максимального пика с 348 до 342 нм, что свидетельствует об изомеризации ITN в изомер 9-цис [25]. Позже наблюдалась более медленная деградация с минимизацией максимального пика 337 нм при снижении поглощения на 50% по сравнению с исходным значением. Дальнейшее воздействие света вызывало минимизацию этого пика с одновременным его смещением в сторону более низких длин волн, вероятно, за счет сложной смеси нескольких изомеров ретиноевой кислоты.Такие результаты указывают на очень высокую чувствительность ITN к свету, что свидетельствует о важности разработки фармацевтического носителя, способного свести к минимуму его фотодеградацию. Недавние исследования продемонстрировали положительное действие матрицы новой лекарственной формы в качестве систем-носителей для ряда светочувствительных препаратов [19–25]. Первой целью настоящего исследования было исследование фотостабилизации ИТН при загрузке в МЭ по данным, полученным в условиях ускоренного облучения. Следовательно, интерпретация процесса фотодеградации препарата ITN была предпринята в качестве дополнительного исследования.

3.3. Фотостабильность ITN в микроэмульсии

Исследования фотостабильности проводились с помощью спектрофотометрических измерений, выполненных на загруженной ITN композиции МЭ непосредственно перед экспонированием и экспозицией с увеличивающимся временем путем соответствующего разбавления образцов метанолом. На рис. 4 показаны спектральные кривые состава МЭ, нагруженного ITN, полученные после последовательных экспозиций.Как видно, ИТН в МЭ-носителе сильно снижает процесс фотодеградации по сравнению с метанольным раствором. С другой стороны, фотостабильность ITN в составе МЭ улучшилась по сравнению с таковой для метанольного раствора. Кроме того, не наблюдалось значительного смещения максимального пика при 348 нм в сторону меньшей длины волны. Это можно рассматривать как интересный результат, так как он не демонстрирует прямой изомеризации ITN до 9- цис изомеров [25]. Кроме того, остаточная концентрация ITN, равная 75%, сохранялась после облучения в течение и 240 мин, что было значительно выше по сравнению с концентрацией ITN в метанольном растворе в конце 240 мин (𝑃<0,05). Резкое улучшение фотостабильности ITN свидетельствует о положительном действии матрикса МЭ как системы-носителя.

Для оценки фотостабильности вспомогательных веществ МЭ параллельно проводился аналитический контроль фотостабильности матрицы препарата.Для этого образец простого МЭ облучали в тех же условиях эксперимента, что и для МЭ, нагруженного ВИС. Никаких заметных изменений между спектрами, записанными до и после воздействия света, обнаружено не было, что ясно показывает, что любая фотодеградация, происходящая во время эксперимента, была незначительной.

Иоэле и др. сообщили, что включение ITN в липосомы не дало удовлетворительных результатов и показало более высокую скорость деградации, чем ретиноевая кислота в изученном комплексе липосом, но показало повышенную стабильность по сравнению с ITN в растворе этанола, и пришли к выводу, что ITN в липосомах показали худшие характеристики среди исследованных препаратов, вероятно, из-за низкого включения в результате нелинейной молекулярной структуры [25]. В текущем исследовании было обнаружено, что остаточная концентрация ITN 75% присутствует после облучения в течение 240 минут в МЭ. Напротив, в предыдущем исследовании [25] включение ИТН в липосомы не дало аналогичных удовлетворительных результатов, остаточная концентрация ИТН была менее 65%.

В двух словах, мы можем заключить, что ME демонстрирует хороший потенциал для улучшения фотостабильности ITN и может использоваться в качестве ценной стратегии доставки лекарств.

3.4. Определение кинетических параметров

Показано, что фотохимическая реакция в растворе метанола вызывает очень быструю изомеризацию ITN с последующей дальнейшей деградацией, заключающейся в минимизации пиков поглощения.Поэтому значения оптической плотности этих максимумов использовали для оценки кинетики процессов фотодеградации [25]. Было показано, что ITN следует кинетике первого порядка, и хорошая линейность была получена путем построения графика логарифма оптической плотности как функции времени как в метанольном растворе, так и в ME, в соответствии со следующим уравнением: log (% A) = -𝑘𝑡 +2(1) где % 𝐴 — остаточная абсорбция в процентах, k — константа скорости фотодеградации, t — время (мин), а 2 — логарифм начальной абсорбции в процентах (100%).

Разложение оценивали на основе кинетической константы фоторазложения k и периода полураспада (𝑡0,5) по отношению к начальному процентному поглощению. Кривые разложения ITN представлены на рисунке 5, а в таблице 3 приведены кинетические параметры разложения на основе данных трех повторных анализов для каждого образца. МЭ продемонстрировал увеличение периода полураспада ИТН примерно в пять раз по сравнению с метанольным раствором под действием прямого солнечного света. Матрица образцов5 𝑅2

---

ИТН раствор Метанол 8,06 × 10-3 86 0,9830 микроэмульсии 1,84 × 10-3 377 0,9899 состав

---

∗𝑡 выражается в минутах.

4. Заключение

Как видно, включение ИНН в МЭ приводит к хорошей фотостабильности препарата, тогда как в метаноле ИНН почти полностью разлагается примерно через 240 мин под действием прямого солнечного света, в то время как в матрица ME все еще может быть измерена 75% остаточной концентрации ITN.Результаты, полученные в результате этого исследования фотостабильности, позволяют предположить, что лучшая фотозащита ITN в матриксе МЭ является следствием включения этого препарата в матрикс МЭ. Кроме того, изученная кинетика процессов фотодеградации препарата МЭ, нагруженного ИНН, продемонстрировала увеличение периода полувыведения ИНН примерно в пять раз по сравнению с раствором в метаноле под прямыми солнечными лучами.

Система ME, описанная в настоящей статье, должна стать ценным инструментом для разработки новых фармацевтических составов ITN, способных улучшить их фотостабильность.

Благодарности

Авторы выражают благодарность компании Astron Research Ltd. за предоставленный в подарок образец чистого порошка ITN, центру сложных приборов для прикладных исследований и испытаний (SICART; Валлабх Видьянагар, Индия) за предоставление оборудования для проведения аналитических работ и компании Gattefosse. (Saint-Priest, Франция) за предоставление бесплатных образцов вспомогательных веществ.

Как оценить чувствительность камеры

Сравнение характеристик камеры с использованием стандарта качества изображения EMVA1288

Что внутри:

• Введение в измерения производительности визуализации на основе EMVA1288
• Определение различных измерений и способов их измерения
• Сравнение характеристик камер при слабом освещении при разном времени экспозиции
• Сравнение традиционной ПЗС-матрицы с современной КМОП-матрицей
• Сравнение поколений датчиков Sony Pregius
• Заключение

Сравнивать основные характеристики камеры, такие как частота кадров, разрешение и интерфейс, очень просто; используйте наш новый инструмент выбора камеры, чтобы отфильтровать и отсортировать более 14 спецификаций EMVA, чтобы найти то, что точно соответствует требованиям вашего проекта. Однако сравнение характеристик изображения камер, таких как квантовая эффективность, временной темновой шум и способность к насыщению, немного сложнее. Во-первых, нам нужно понять, что на самом деле означают эти различные измерения.

---

Что такое квантовая эффективность и измеряется ли она на пике или на определенной длине волны? Чем отношение сигнал/шум отличается от динамического диапазона? Этот технический документ ответит на эти вопросы и объяснит, как сравнивать и выбирать камеры на основе данных о производительности изображения в соответствии со стандартом EMVA1288.

EMVA1288 — это стандарт, который определяет, какие аспекты производительности камеры следует измерять, как их измерять и как представлять результаты в едином методе. Первый раздел технического описания поможет понять различные аспекты характеристик изображения датчика изображения. В нем будут изложены основные концепции, которые важно понимать при рассмотрении того, как датчик изображения преобразует свет в цифровое изображение и, в конечном итоге, определяет производительность датчика. На рис. 1 представлен один пиксель и выделены эти понятия.

Рисунок 1. Как датчик изображения преобразует свет в цифровое изображение

Сначала нам нужно понять шум, присущий самому свету. Свет состоит из дискретных частиц, фотонов, генерируемых источником света. Поскольку источник света генерирует фотоны в случайные моменты времени, воспринимаемая интенсивность света будет иметь шум. Физика света утверждает, что шум, наблюдаемый в интенсивности света, эквивалентен квадратному корню из числа фотонов, генерируемых источником света.Этот тип шума называется Shot Noise.

Следует отметить, что количество фотонов, наблюдаемых пикселем, будет зависеть от времени экспозиции и интенсивности света. В этой статье количество фотонов будет рассматриваться как комбинация времени экспозиции и интенсивности света. Точно так же размер пикселя оказывает нелинейное влияние на способность датчика собирать свет, поскольку его необходимо возвести в квадрат для определения светочувствительной области. Подробнее об этом будет рассказано в следующей статье в контексте сравнения производительности двух камер.

Первым шагом в оцифровке света является преобразование фотонов в электроны. В этой статье не рассматривается, как датчики это делают, а представлена ​​мера эффективности преобразования. Отношение электронов, генерируемых в процессе оцифровки, к фотонам называется квантовой эффективностью (КЭ). Пример датчика на рисунке 1 имеет QE 50%, потому что 3 электрона генерируются, когда 6 фотонов «падают» на датчик.

Прежде чем электроны будут оцифрованы, они хранятся в пикселе, называемом колодцем.Количество электронов, которые могут храниться в лунке, называется емкостью насыщения или глубиной лунки. Если яма получает больше электронов, чем емкость насыщения, дополнительные электроны не будут накапливаться.

После завершения сбора света пикселем измеряется заряд в лунке, и это измерение называется Сигнал. Измерение сигнала на рисунке 1 представлено стрелочным датчиком. Ошибка, связанная с этим измерением, называется временным темным шумом или шумом чтения.

Наконец, шкала серого определяется путем преобразования значения сигнала, выраженного в электронах, в значение пикселя в 16-разрядных аналого-цифровых единицах (ADU). Отношение между значением аналогового сигнала и значением цифровой шкалы серого называется усилением и измеряется в электронах на ADU. Параметр усиления, определенный стандартом EMVA1288, не следует путать с усилением процесса «аналогово-цифрового» преобразования.

При оценке производительности камеры очень часто ссылаются на отношение сигнал/шум и динамический диапазон.Эти два показателя производительности камеры учитывают отношение шума, наблюдаемого камерой, к сигналу. Разница в том, что динамический диапазон учитывает только временной темный шум, в то время как отношение сигнал/шум включает также среднеквадратичную сумму (RMS) дробового шума.

Абсолютный порог чувствительности — это количество фотонов, необходимое для получения сигнала, эквивалентного шуму, наблюдаемому датчиком. Это важный показатель, поскольку он представляет собой теоретическое минимальное количество света, необходимое для наблюдения любого значимого сигнала.Детали этого измерения будут более подробно описаны в следующих статьях.

Чтобы помочь сравнить датчики и камеры на основе стандарта EMVA1288, компания FLIR провела первое в отрасли всестороннее исследование характеристик изображения более чем 70 моделей камер.

Измерение	Определение	Под влиянием	Блок
Дробовой шум	Квадратный корень из сигнала	Вызвано природой света	е-
Размер пикселя	Ну, размер в пикселях…	Конструкция датчика	мкм
Квантовая эффективность	Процент фотонов, преобразованных в электроны на определенной длине волны	Конструкция датчика	%
Временной темновой шум (шум чтения)	Шум в датчике при отсутствии сигнала	Конструкция датчика и камеры	е-
Насыщающая способность (глубина скважины)	Количество заряда, которое может удерживать пиксель	Конструкция датчика и камеры	е-
Максимальное отношение сигнал/шум	Максимально возможное отношение сигнала ко всем шумам, включенным в этот сигнал, включая дробовой шум и временной темный шум .	Конструкция датчика и камеры	дБ, бит
Динамический диапазон	Отношение сигнал-шум, включая только временной темновой шум	Конструкция датчика и камеры	дБ, бит
Абсолютный порог чувствительности	Количество фотонов, необходимое для того, чтобы сигнал был равен шуму	Конструкция датчика и камеры	Ƴ
Усиление	Параметр, указывающий, насколько большое изменение в электронах необходимо для наблюдения за изменением 16-битных ADU (более известных как шкала серого)	Конструкция датчика и камеры	е-/АДУ

Сравнение характеристик камер при слабом освещении

В этом техническом документе мы рассмотрим такие приложения, как распознавание номерных знаков (LPR) или оптическое распознавание символов (OCR), где обычно используется монохромное изображение, а количество света, которое может собрать камера, может быть ограничено из-за короткой экспозиции. раз.Довольно просто определить разрешение, частоту кадров и поле зрения, необходимые для решения проблемы с изображением, однако решить, будет ли камера иметь достаточную производительность изображения, может быть сложнее.

Эта задача обычно решается методом проб и ошибок. Давайте рассмотрим пример, когда разработчик системы машинного зрения определяет, что для приложения достаточно VGA-камеры с 1/4-дюймовой ПЗС-матрицей, работающей со скоростью 30 кадров в секунду. Первоначальные тесты могут показать, что камера имеет достаточную чувствительность при выдержке 10 мс, когда объект неподвижен.См. рис. 2, на котором показан простой пример с символами B, 8, D и 0, которые легко спутать с алгоритмом зрения. Верхнее левое изображение, снятое ПЗС-камерой ¼ дюйма, дает изображения, подходящие для обработки изображений.

Рисунок 2: Результаты, полученные с 1/4-дюймовых и 1/2-дюймовых ПЗС-камер при разном времени экспозиции

Однако, когда объект начинает двигаться, необходимо уменьшить время экспозиции, и камера не может предоставить полезную информацию, поскольку буквы «В» и «D» нельзя отличить от цифр «8» и «0».Изображения в середине и внизу слева на рисунке 2 показывают ухудшение качества изображения. В частности, ПЗС-матрица размером ¼ дюйма при времени экспозиции 2,5 мс создает изображения, непригодные для обработки изображений.

Для целей этого примера предполагается, что большая глубина резкости не требуется, и поэтому допустимо минимальное число F объектива. Другими словами, невозможно собрать больше света, открыв затвор объектива.

Значит, дизайнеру нужно подумать о другой камере.Вопрос в том, есть ли у другой камеры шанс улучшить производительность системы. Использование датчика большего размера обычно считается хорошим способом решения проблем с производительностью при слабом освещении, поэтому датчик ½ дюйма может быть хорошим выбором. Но вместо того, чтобы продолжать методом проб и ошибок, может оказаться полезным рассмотреть возможности камеры EMVA 1288.

Камера	Датчик	Размер пикселя (мкм)	Квантовая эффективность (%)	Темпоральный темный шум (e-)	Емкость насыщения (э-)
Камера 1/4’’ (FL3-GE-03S1M-C)	ICX618	5.6	70	11,73	14 508
Камера 1/2’’ (BFLY-PGE-03S3M-C)	ICX414	9,9	39	19,43	25 949

Глядя на данные EMVA 1288, можно заметить, что 1/4-дюймовый сенсор имеет лучшую квантовую эффективность и меньший шум, но 1/2-дюймовая ПЗС-матрица имеет больший размер пикселя и большую емкость насыщения. В этой статье показано, как определить, будет ли камера ½ дюйма работать лучше.

На рис. 3 камеры сравниваются путем построения графика зависимости значения сигнала от плотности света (фотоны/мкм2). Сигнал как функция плотности света определяется по следующей формуле:

Важное допущение, сделанное в этой статье, заключается в том, что объективы имеют одинаковое поле зрения, одинаковое число F и одинаковые настройки камеры.

Рисунок 3: Сигнал, создаваемый 1/4-дюймовыми и 1/2-дюймовыми ПЗС-камерами, в зависимости от уровня освещенности

Подпишитесь на другие статьи, подобные этой

Зарегистрироваться

На рисунке показано, что при одинаковой плотности света датчик ½’’ будет генерировать более высокий сигнал.Также можно заметить, что насыщение происходит при аналогичном уровне плотности света 700 фотонов/мкм2, однако сенсор ½’’ имеет значительно более высокую способность насыщения.

В приложении, рассматриваемом в этом техническом документе, сравнение камер необходимо проводить при низком уровне освещенности. Поэтому учет уровня шума становится особенно важным.

На рис. 4 показаны сигнал и шум при низком уровне освещения. Шум, представленный на рисунке, представляет собой среднеквадратичную сумму временного темнового шума и дробового шума, которая была рассчитана по следующей формуле:

 

Рисунок 4: Сигнал и шум 1/4-дюймовых и 1/2-дюймовых ПЗС-камер при низком уровне освещенности

На графике видно, что абсолютный порог чувствительности (уровень освещенности, при котором сигнал равен шуму) достигается датчиком ½’’ при несколько более низком уровне, чем у датчика ¼’’.Более важной мерой, необходимой для определения того, какая камера будет лучше работать в условиях низкой освещенности, является отношение сигнал/шум (SNR).

На рис. 5 показано отношение сигнал/шум двух камер в зависимости от уровня освещения.

Рисунок 5: Отношение сигнал/шум 1/4-дюймовых и 1/2-дюймовых ПЗС-камер при низком уровне освещенности

Основываясь на более высоком отношении сигнал/шум сенсора ½’’, теория предполагает, что камеры ½’’ должны работать лучше, чем камеры ¼’’, при низком уровне освещенности.

Из изображений на рис. 2 видно, что при времени экспозиции 2,5 мс датчик ½’’ сохраняет форму символов при всех временах экспозиции, а датчик ¼’’ затрудняет различение символов. Таким образом, датчик ½ дюйма работает лучше, и практические результаты соответствуют теории.

Компания FLIR провела обширное исследование камер и опубликовала результаты обработки изображений EMVA 1288. Эту информацию можно использовать для сравнения производительности различных моделей камер.Несмотря на то, что реализация камеры влияет на качество изображения, это исследование может быть полезным при сравнении любых двух камер с датчиками, описанными в документе.

Компания FLIR предлагает специальные документы для сравнения камер. Свяжитесь с [email protected], чтобы запросить сравнение моделей камер FLIR.

Следует отметить, что метод, изложенный в этом техническом документе, полезен для получения общего представления о том, насколько хорошо камера будет работать по сравнению с другой. Этот метод может помочь исключить камеры, которые вряд ли улучшат требуемую производительность, однако окончательная проверка производительности камеры проводится в реальном приложении.

Сравнение традиционной ПЗС-матрицы с современной КМОП-матрицей

Теперь мы сравним производительность традиционной ПЗС-матрицы и современной КМОП-матрицы в условиях низкой освещенности и в сцене с широким диапазоном условий освещения.

В предыдущем разделе мы показали, что камера с Sony ICX414, ПЗС VGA ½ дюйма, работает лучше в условиях низкой освещенности, чем камера с Sony ICX618, ПЗС VGA 1/4 дюйма. Теперь мы сравним ПЗС-матрицу VGA ½’’ с новым Sony Pregius IMX249, 1/1.2-дюймовый 2,3-мегапиксельный CMOS-сенсор с глобальным затвором.

На первый взгляд это может показаться сравнением «яблок с апельсинами», однако стоимость камер с этими двумя сенсорами сопоставима и составляет примерно 400 евро, интересующая область VGA в CMOS-камере на самом деле ближе к оптическому размеру ¼-дюймовая камера и частота кадров также аналогичны при разрешении VGA.

Данные EMVA 1288 для камер показывают, что CMOS-датчик IMX249 имеет значительно лучшую квантовую эффективность, более низкий уровень шума и более высокую способность к насыщению.С другой стороны, ПЗС-датчик ICX414 имеет больший размер пикселя, что было критическим параметром в примере, представленном в предыдущей статье.

Камера	Датчик	Размер пикселя (мкм)	Квантовая эффективность (%)	Темпоральный темный шум (e-)	Емкость насыщения (э-)
1/2-дюймовая ПЗС-камера (BFLY-PGE-03S3M-C)	ICX414	9.9	39	19,43	25 949
1/1,2-дюймовая КМОП-камера (BFLY-PGE-23S6M-C)	ИМХ249	5,86	80	7.11	33 105

Рис. 6: Отношение сигнал/шум ПЗС-сенсоров ICX414 и КМОП-сенсоров IMX249 при низком уровне освещенности

Рис. 7. Результаты, полученные с помощью ПЗС-сенсоров ICX414 и КМОП-сенсоров IMX249 при разном времени экспозиции

Более интересно сравнение при более высокой интенсивности света из-за разницы в способности насыщения между двумя датчиками.На рисунке 8 показан сигнал как функция интенсивности света во всем диапазоне интенсивности света. Из графика видно, что ПЗС-датчик ICX414 достигает насыщения при частоте около 700 фотонов/мкм 2 , а КМОП-датчик IMX249 достигает насыщения при более чем 1200 фотон/мкм 2 .

Рисунок 8: Сигнал, создаваемый ПЗС-датчиком ICX414 и датчиком CMOS IMX249, в зависимости от уровня освещенности

Первый вывод, который можно сделать, заключается в том, что изображение, создаваемое ПЗС-датчиком ICX414, будет ярче, чем изображение, создаваемое КМОП-датчиком IMX249.Если это не очевидно из графика, рассмотрите изображение, которое будет получено при частоте около 700 фотонов/мкм2. В случае ПЗС-сенсора ICX414 изображение должно быть с самыми высокими уровнями оттенков серого, скорее всего, насыщенным, в то время как CMOS-сенсор IMX249 будет давать изображение чуть более 50 % от максимальной яркости. Это наблюдение важно, потому что наивный подход к оценке чувствительности камеры заключается в наблюдении за яркостью изображения. Другими словами, предполагается, что более яркое изображение будет получено с камеры с лучшими характеристиками.Однако это не так, и в этом примере все наоборот: камера, которая создает более темные изображения, на самом деле имеет лучшую производительность.

Рис. 9. Результаты, полученные с помощью ПЗС-сенсоров ICX414 и КМОП-сенсоров IMX249 в сложных условиях освещения

Второе наблюдение заключается в том, что CMOS-датчик IMX249 будет создавать изображения, полезные для обработки изображений в более широком диапазоне условий освещения. На рис. 9 показана одна и та же сцена, снятая двумя камерами.Следует отметить, что более темная часть изображений была улучшена для отображения, однако основные данные не были изменены. Из изображений видно, что ПЗС-матрица ICX414 перенасыщена в светлых участках сцены, в то же время в темных участках у нее слишком много шума, чтобы символы можно было разобрать. Напротив, CMOS-датчик IMX249 воспроизводит четкие символы в ярких и темных частях сцены.

Наконец, мы можем заключить, что новейшая КМОП-технология с глобальным затвором стала жизнеспособной альтернативой ПЗС-матрицам в приложениях машинного зрения.Сенсоры не только дешевле, имеют более высокую частоту кадров при эквивалентном разрешении и не имеют таких артефактов, как смазывание и размытие, но они также превосходят по производительности изображения ПЗС.

Сравнение поколений Sony Pregius

Как мы уже говорили в предыдущем разделе, размер сенсора сильно влияет на производительность сенсора из-за того, что большие пиксели позволяют собирать в них большее максимальное количество фотонов, а также позволяют собирать больше фотонов при тех же условиях освещения.Компромисс за больший размер пикселя заключается в том, что размер датчика должен быть больше, чтобы соответствовать заданному разрешению по сравнению с использованием датчика с меньшим размером пикселя, что увеличивает стоимость датчика. На рисунке ниже показано, как размер пикселя менялся между датчиками Sony Pregius разных поколений.

Рисунок 10: Различия в размере пикселей между датчиками Sony Pregius разных поколений

Несмотря на тенденцию к уменьшению размера пикселя (кроме 3-го поколения сенсора), производительность сенсора увеличивалась, за исключением емкости сенсора, с каждым поколением.Основная причина улучшения качества изображения связана с низким временным темновым шумом датчика, обнаруженным во 2-м поколении и далее. На рисунке ниже показано, как временной темный шум датчика менялся в зависимости от поколения датчиков Pregius.

Рис. 11: Pregius S поддерживает низкий уровень шума при считывании
Чтобы получить полное представление о характеристиках изображения датчика, обратитесь к приведенной ниже таблице, в которой указаны характеристики репрезентативных датчиков каждого поколения Pregius.

Изучив приведенную выше таблицу, можно заметить, что, несмотря на наименьший размер пикселя, качество изображения датчика Pregius S сравнимо с датчиками 2-го и 3-го поколения, это связано с конструкцией датчика с задней подсветкой, которая позволяет угол входа фотона, который помогает захватывать больше света на пиксель.

Рис. 12. Датчики BSI инвертируют традиционную конструкцию датчика с передней подсветкой, облегчая попадание фотонов на светочувствительный фотодиод каждого пикселя

Эта новая конструкция сенсора позволяет семейству сенсоров Pregius S поддерживать качество изображения предыдущих поколений, используя при этом наименьшие пиксели, что приводит к сенсорам с более высоким разрешением по относительно низким ценам.

Заключение

В этом техническом документе мы изучили ключевые понятия, используемые при оценке производительности камеры. Мы представили стандарт EMVA1288 и применили результаты для сравнения производительности камер в различных условиях освещения. Есть еще много других аспектов производительности камеры, которые можно учитывать при оценке камер. Например, квантовая эффективность резко меняется на разных длинах волн, поэтому камера, которая хорошо работает на 525 нм, может работать хуже, когда источник света работает в ближнем инфракрасном диапазоне (БИК).Точно так же длительное время экспозиции, обычное для флуоресцентных и астрономических изображений, должно учитывать влияние темнового тока, типа шума, который важен при чрезвычайно низких уровнях освещенности.

Выбрать правильную камеру на основе характеристик изображения непросто, однако мы надеемся, что этот технический документ немного помог разобраться в этой увлекательной и сложной теме.

Фильтруйте и сортируйте, используя более 14 спецификаций EMVA, чтобы найти точное соответствие требованиям вашего проекта — попробуйте наш новый инструмент выбора камеры.

 

.

No related posts.