Руководство по выбору научной камеры

Выбор детектирующего оборудования для прецизионных оптических систем является критически важным этапом. В статье мы систематизируем ключевые параметры выбора научных камер, основываясь на принципах их функционирования и технических характеристиках, и предложим решения из каталога JCOPTIX.

Сенсор камеры для детектирования сигнала состоит из светочувствительного слоя, слоя управляющего электрода, слоя обработки данных и слоя отображения.

Свет попадает на светочувствительный слой камеры через линзу, датчик считывает, собирает и регистрирует световую информацию и передает ее на электрод. Электродный слой использует аналого-цифровое преобразование для перевода фактической информации обнаружения в электронную информацию для цифровой обработки, формирующей изображение в режиме реального времени.

Детектор преобразует оптическое излучение в электрический сигнал. Основные технологии:

• PMT (Photomultiplier Tube): Обладает экстремально высокой чувствительностью (до единичных фотонов) и скоростью отклика. Применяется для точечных измерений (спектрофотометрия, LiDAR), но не формирует изображение.
• CCD (Charge-Coupled Device): Обеспечивает высокое отношение сигнал/шум (SNR), низкий темновой ток, высокую квантовую эффективность (QE), идеален для низкоуровневых сигналов. Характеризуется последовательным считыванием заряда. В линейке JCOPTIX присутствует одна модель с CCD матрицей: цветная камера GigE AIC-501C-GE.
• CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor): современные CMOS-матрицы демонстрируют значительные преимущества перед CCD-технологиями, обеспечивая параллельную обработку сигналов, произвольный доступ к пикселям (ROI) и более высокую скорость считывания данных. Их архитектурные особенности включают индивидуальные усилители и АЦП для каждого пикселя, что позволяет выполнять преобразование заряда в напряжение непосредственно на пиксельном уровне, обеспечивая при этом более высокую степень интеграции компонентов.

Ключевыми достижениями CMOS-технологии стали повышение разрешения до 250 Мп, сопоставимого с CCD-сенсорами, улучшение чувствительности в условиях слабой освещенности, расширение динамического диапазона и повышение квантовой эффективности преобразования света, а также усовершенствование характеристик в ближнем ИК-диапазоне.

Эти технологические улучшения сделали CMOS-сенсоры предпочтительным выбором для высокоскоростных систем машинного зрения, робототехники, видеонаблюдения в сложных световых условиях, астрономических исследований и других приложений, требующих высокой детализации изображения. В то же время CCD-матрицы сохраняют свои преимущества в задачах, где критически важны последовательная передача сигналов с минимальными искажениями, высокая однородность характеристик пикселей и низкий уровень шумов при длительных экспозициях. Однако прогресс CMOS-технологий значительно сократил разрыв между этими типами сенсоров, а по многим ключевым параметрам, включая скорость обработки, энергопотребление и уровень интеграции, CMOS уже превзошли CCD-решения, сохраняя при этом конкурентные ценовые преимущества.

В контексте поля зрения камеры действуют следующие зависимости:
1) Размер пикселя и чувствительность. Отдельные пиксели на светочувствительном сенсоре камеры определяются как ячейки, измеряемые в микрометрах. Крупные пиксели обладают усиленной способностью захвата света. Чем больше физический размер пикселя (ячейки), тем выше его светочувствительность. Самым большим размером пикселя среди всех моделей камер JCOPTIX обладают 10G камеры. Модели AIC-170GM(С)-X среди этой серии имеют наибольший размер пикселя равный 9.0 мкм × 9.0 мкм.
2) Разрешение. Увеличение размера пикселя снижает общее разрешение и четкость изображения. Плотность пикселей определяет детализацию: больше пикселей → более плотная выборка → богаче детализация. При выборе камер с самым высоким разрешением стоить обратить на серию USB 3.0 камер и модель AIC-2000M-USB с разрешением 20 Мп, которая может быть также реализована и в цветном варианте AIC-2000M-USB.
3) Размер сенсора. Физические габариты активной области (диагональ в дюймах или мм). Влияет на поле зрения системы при заданном фокусном расстоянии объектива. Камеры JCOPTIX имеют размер сенсора в диапазоне от 1/2.7” у компактных угловых USB 3.0 камер до 1.1” у 10G (AIC-170GM(C)-XG ).
4) Динамический диапазон. Способность различать градации интенсивности важна для приложений с широким диапазоном яркостей. В камерах JCOPTIX динамический диапазон достигает до 12 бит в моделях AIC-501GM(C)-GE (GigE) и AIC-903GM(C)-XG (10G).
5) Производительность и Интерфейсы передачи данных. Скорость считывания: Максимальное количество полных кадров в секунду (FPS). Зависит от разрешения, скорости сенсора и пропускной способности интерфейса. При поиске камеры с максимальным FPS стоит обратить внимание на 10G камеры, они имеют большое среди всех моделей количество кадров с максимальным значением 662 FPS у AIC-170GM(C)-XG.
6) Интерфейс передачи. Для передачи изображения на терминал необходимо передать цифровой сигнал изображения. Чем больше пикселей, тем дольше время передачи сигнала. Для подключения устройства к сети обычно используются разъёмы RJ-45. Благодаря научно-техническим инновациям и постоянной модернизации промышленного оборудования, эффективность передачи данных, скорость и стабильность сетевых интерфейсов, таких как гигабитные сетевые порты, сетевые порты 2.5G или 10G, повышаются. Гигабитные сетевые порты могут достигать эффективности передачи 2500 Мбит/с, а скорость передачи порта 10G в десять раз превышает скорость гигабитного порта, что позволяет значительно сократить время передачи изображения и задержку.

Вышеописанные серии относятся к камерам, работающим в видимом диапазоне, и оснащены кремниевыми сенсорами. Кремний является традиционным материалом для создания сенсоров видимого диапазона, обеспечивая рабочий спектр от 400 до 1100 нм. Доступны монохромные (черно-белые) и цветные варианты.
Среди продукции JCOPIX также представлены камеры ближнего инфракрасного диапазона, предназначенные для научных исследований и обеспечивающие высокое разрешение. Эти камеры функционируют в условиях низкой освещенности и подходят для создания микроскопических изображений. Сенсор на основе InGaAs позволяет регистрировать сигналы в диапазоне длин волн от 400 до 1700 нм. Благодаря большой целевой поверхности, высокому разрешению и быстрой скорости отклика, камеры идеально подходят для флуоресцентной визуализации, лазерной трекинга, детектирования полупроводников, анализа солнечных элементов и гиперспектральной съемки. Камеры оснащены стандартным интерфейсом передачи данных RJ45 Gigabit Ethernet и обеспечивают стабильную передачу данных на расстояние до 100 метров.
Кроме того, JCOPIX предлагает серию камер ультрафиолетового диапазона, предназначенных для применения в различных областях, таких как электроника, автоматизация полупроводникового производства, логистическое сканирование, биомедицина. Ультрафиолетовые камеры имеют интерфейс USB 3.0 TYPE B.

Камеры JCOPTIX имеют стандартную внутреннюю резьбу C-mount. Для обеспечения совместимости с оптическими компонентами и объективами используются адаптеры, например, адаптеры SM1.

Программное обеспечение для обнаружения изображений, такое как HALCON и VisionPro, можно использовать напрямую без установки и диска, что упрощает интеграцию системы. Разработанное ПО для управления камерой JCam поддерживает операционные системы Windows, Linux и ARM Linux.
Основные функции включают:

• Управление камерой, отображение и получение изображений в реальном времени.
• Измерение и анализ аннотаций, сохранение и воспроизведение данных.
• Обработку изображений с поддержкой одного хранилища, хранения временных рядов и записи видео.

Программное обеспечение обладает встроенными инструментами аннотаций и измерений, позволяя пользователям:

• Использовать графические инструменты для быстрой характеристики изображений и частичного анализа.
• Настраивать разрешение, контрастность, гамму, насыщенность, баланс белого, уровень черного.
• Применять коррекцию координат мертвой точки, 3D-шумоподавление, таблицу LUT, регулировку частоты кадров.
• Задавать имя камеры и другие параметры.

ПО поставляется с драйверами C/C++ и LabVIEW, поддерживает API и SDK для дополнительной разработки, а также режим внешнего запуска с редактируемым интерфейсом ввода-вывода для интеграции с другим оборудованием.

1) Определить задачу: скорость (FPS) vs. разрешение vs. чувствительность.
2) Выбрать сенсор: CMOS (обычно), CCD (для низких шумов).
3) Оптимизировать параметры:

• Слабый свет → крупные пиксели (9 мкм)
• Высокая детализация → 20 Мп
• Быстрые процессы → 10G (662 FPS)

4) Подобрать интерфейс: USB 3.0 (простота), GigE (PoE), 10G (скорость).
5) Проверить ПО: нужен ли LabVIEW/C++ SDK.
6) Учесть спектр: ИК/УФ – специализированные камеры.

Выбор оптимальной научной камеры представляет собой многофакторную задачу, требующую компромисса между чувствительностью, разрешением, скоростью, спектральным диапазоном и стоимостью. Четкое определение технических требований эксперимента или приложения является основой для корректного выбора. Продукция JCOPTIX, охватывающая широкий спектр интерфейсов (GigE, 10G, USB 3.0), в сочетании с многофункциональным ПО (JCam, SDK) и стандартизированным монтажом (C-mount), предоставляет конфигурируемые решения для разнообразных задач в научной визуализации, промышленной инспекции и исследованиях.

При поиске камер для задач, где необходимо высокое разрешение, чувствительность и скорость передачи данных, серия 10G является универсальным решением, так как имеет хорошее разрешение, наибольшой размер пикселя и максимальную среди серий частоту кадров. При потребности в бюджетных камерах стоит обратить внимание на USB 3.0 и GigE камеры. Для высокого разрешения и частоты кадров предпочтителен выбор камер USB 3.0, а для лучшего динамического диапазона – камер GigE.