Digital cameras as radiance sensors : high dynamic range imaging and application to characterize carbon nanotube depositions

Abstract

Optisen mikroskoopin ja digitaalikameran yhdistelmä on hyödyllinen työkalu pienikokoisten näytteiden tutkimiseen. Tarkat mittaukset, joissa rinnastetaan kuvien kirkkaus radianssiin, eivät kuitenkaan ole sellaisenaan mahdollisia johtuen digitaalikameroiden epälineaarisesta vasteesta. Tässä tutkielmassa muotoilemme ja toteutamme menetelmän linearisoida kameran vaste ja yhdistää useita eri valotusajoilla otettuja kuvia yhdeksi laajan dynaamisen alueen kuvaksi. Lisäksi kuvantamisjärjestelmän virheitä, kuten vinjetointi ja kuumat pikselit, mallinnetaan ja virheitä korjataan. Kuvien prosessointiputken suoriutumista kvantifioidaan, arvioidaan ja lopulta hyödynnetään hiilinanoputkidepositioiden karakterisointiin. Depositioita karakterisoidaan suhteellisten radianssimittausten avulla perustuen laajan dynaamisen alueen kuviin. Lisäksi paikallisen paksuuden ja autokorrelaation mittauksia hyödynnetään karakterisoinnissa perustuen sekä laajan dynaamisen alueen kuviin, että pyyhkäisyelektronimikroskopian kuviin. Mittausten perusteella esitämme teorian depositioiden optisille ominaisuuksille. Tutkielman keskeiset tulokset viittaavat siihen, että tavallista digitaalista kameraa voi käyttää radianssisensorina riittävän kalibroinnin ja mallintamisen pohjalta.

Pairing an optical microscope and a digital camera is a useful tool in observing small samples. However accurate quantitative measurements in terms of relating image brightness to radiance are not possible as is for most cameras due to the nonlinear response of digital cameras. In this thesis we formulate and implement a method to linearize the response of a digital camera and merge multiple images of different exposure times into a high dynamic range image. Additionally imaging system artifacts, such as vignetting and hot pixels, are modeled and corrected for. The performance of the implemented image processing pipeline is quantified, evaluated and finally utilized in the characterizations of carbon nanotube depositions. Themdepositions are characterized via relative radiance measurements based on the merged high dynamic range images and additionally local thickness and autocorrelation measurements based on both high dynamic range images and scanning electron microscopy images. A theory for the optical properties of the depositions is proposed based on the performed measurements. The results of this thesis indicate that with sufficient calibration and modeling a normal digital camera can be used as a radiance sensor.