使用案例

介紹用於長時間曝光成像的先進解決方案:解決熱雜訊和熱畫素問題

長時間曝光成像在檢測細微缺陷時,是十分重要的技術,例如檢查顯示器壞點,或在弱光下進行半導體的微弱訊號檢測。但是,較長的曝光時間通常會帶來熱點等挑戰。

介紹用於長時間曝光成像的先進解決方案:解決熱雜訊和熱畫素問題
長時間曝光成像比較:曝光時間:10 秒 | 增益:27dB | 光圈:f/4 | 測試環境:暗箱

以較長的曝光時間拍下所有細節

顯示器和半導體檢測的精確度十分重要,每一個微小的細節都是關鍵。檢測顯示器時,經常使用長時間曝光來檢測低亮度缺陷和色彩均勻性變化。而在半導體檢測中,雖然縮短曝光時間可以提高資料產出量,但當照明亮度太低而無法產生與足以和雜訊區分開來的訊號時,長時間曝光就顯得特別重要。

半導體與顯示器檢測長時間曝光成像的主要挑戰

較長的曝光時間會帶來挑戰,例如熱雜訊的增加、熱畫素、暗電流和運動偽影;這些問題會降低 影像品質 並不利於檢測精度。

  1. 熱雜訊和熱點:

    較長的曝光時間會導致感光元件發生熱量積聚,產生熱雜訊和看起來很像產品缺陷的熱畫素,因而導致誤報和代價高昂的重工。

  2. 影像細節損失:

    機械偏移、環境振動或熱膨脹造成的運動偽影,會使高放大倍率的半導體成像,以及高解析度顯示器分析中的精細細節變得模糊不清。

  3. 訊噪比 (SNR) 的取捨:

    雖然較長的曝光時間能夠捕捉到更多光子,SNR 得以提高,但也會放大熱畫素和暗電流雜訊,造成高解析度感光元件中的關鍵缺陷遭到掩蓋。

  4. 成本與影像品質:

    具有冷卻功能最佳化的高階感光元件可將雜訊降低到最少,但卻造成成本和複雜性的增加,因此不適合預算敏感型應用。

長時間曝光成像的挑戰
使用顯微鏡對結構 8.5 μm 的螢光載體進行成像。左/中:1 秒曝光,24 dB 增益,2×2 畫素合併,40× 放大倍率。右:AI 處理降低時序雜訊。

各種熱雜訊和熱畫素解決方法

為了克服這些挑戰,感光元件最佳化、冷卻解決方案和先進影像處理技術的組合,有助於在不犧牲效率的情況下保持精度。

方法

運作方式

優點

缺點

熱畫素校正

辨識並校正多張畫面上的熱點畫素。

直接針對熱畫素,維持訊號正確性。

對即時應用來說,運算成本較高。

傳統的暗畫面消去法

拍攝較暗的參考影像,減去影像中的熱雜訊。

對於靜態雜訊圖樣有效。

需要兩張畫面,並且無法處理時變雜訊。

畫素對應與遮罩

辨識熱畫素並將其替換為相鄰畫素值。

對持續性的熱畫素有效。

對真正的缺陷圖樣會造成失真。

時序雜訊降噪 (畫面堆疊)

將多個畫面進行平均運算,以降低隨機雜訊

提高 SNR,適用於靜態雜訊。

不適用於移動物體或動態場景。

相機外殼設計最佳化

降低感光元件溫度,以防產生熱雜訊與熱畫素。

自來源防止熱畫素,提高影像品質。

無法消除所有噪點,特別是在極長時間曝光時。

最佳方法:綜合解決方案

為了獲得最佳影像結果,尤其是在半導體和顯示器檢測等複雜環境中,幾乎沒有單一標準解決方案可以解決所有問題。因此,建議使用綜合方法,如硬體解決方案和後製處理演算法的結合。

適用於長時間曝光成像的客製化相機外殼
客製化相機外殼,設計目的在於降低長時間曝光成像期間的核心電路板溫度 | 尺寸:60 mm x 60 mm x 60 mm。
  • 硬體最佳化:精心設計的相機外殼,可將感光元件維持在穩定的低溫下,顯著減少熱雜訊和熱畫素的產生。將相機核心溫度保持在 45°C 以下特別有效,可將熱畫素抑制在最低水準。

  • 軟體後製處理: 拍攝後,使用熱點相關性、暗畫面消去法和畫素映射等演算法,可以進行影像最佳化,校正因長時間曝光而導致的任何殘留偽影。

  • 以 FPGA 進行即時降噪: 使用 FPGA 進行處理的先進解決方案,可以動態調整曝光設定,並直接在感光元件層級來執行即時雜訊校正,確保在不增加處理延遲的情況下,將雜訊和熱點降至最低限度。

成果:將長時間曝光成像性能提高到極限

我們提供先進的半導體和顯示器檢測解決方案,可有效對應長時間曝光成像帶來的諸多挑戰。

  • 減少熱畫素:我們的動態熱點校正演算法,可在 8 秒的曝光時間內,將熱點保持在 2 ppm (每百萬畫素) 以下,增益設定為 27dB,確保缺陷檢測畫面更為清晰。

  • 即時處理 CPU 零負載: 直接在相機的 FPGA 上執行多種影像處理演算法,無需透過 PC 執行,電腦 CPU 零負載也可獲得高品質結果,同時提高效率。

  • 曝光設定最佳化: 無論是動態顯示器檢測還是高精度半導體分析,我們都能提供最佳化曝光設定,以滿足您的檢測需求。

  • 精巧高效的冷卻解決方案:我們提供可選用的冷卻設計,從頭開始防止熱點產生;該設計可以取代後製處理的人力,還能獲得更佳成果。

綜合解決方案

透過 Basler 的整合式動態解決方案,您可以獲得卓越的成像性能、更高的檢測精度、不受影像的處理速度與高成本效益,獲得最佳成果。

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