22/07/13Tydvertragingintegrasie (TDI) is 'n beeldtegniek wat digitale beeldvorming voorafgaan – maar wat steeds geweldige voordele bied aan die voorpunt van beeldvorming vandag. Daar is twee omstandighede waarin TDI-kameras kan skitter – beide wanneer die onderwerp wat afgebeeld word, in beweging is:
1 – Die beeldvormende onderwerp is inherent in beweging teen 'n konstante snelheid, soos in webinspeksie (soos die skandering van bewegende velle papier, plastiek of materiaal vir defekte en skade), monteerlyne, of mikrofluïdika en vloeistofvloei.
2 – Statiese beeldvorming van onderwerpe wat deur 'n kamera afgebeeld kan word wat van area tot area beweeg word, deur óf die onderwerp óf die kamera te beweeg. Voorbeelde sluit in mikroskoopskyfie-skandering, materiaalinspeksie, platskerminspeksie, ens.
Indien enige van hierdie omstandighede op jou beeldvorming van toepassing kan wees, sal hierdie webblad jou help om te oorweeg of 'n oorskakeling van konvensionele 2-dimensionele 'area-skandering'-kameras na Lynskandering TDI-kameras jou beeldvorming 'n hupstoot kan gee.
Die probleem met area-skandering en bewegende teikens
● Bewegingsvervaag
Sommige beeldvormende onderwerpe is noodwendig in beweging, byvoorbeeld in vloeistofvloei- of webinspeksie. In ander toepassings, soos skyfie-skandering en materiaalinspeksie, kan dit aansienlik vinniger en meer doeltreffend wees om die onderwerp in beweging te hou as om beweging vir elke verkrygde beeld te stop. Vir area-skanderingskameras, as die beeldvormende onderwerp relatief tot die kamera beweeg, kan dit egter 'n uitdaging bied.
Bewegingsvervaaging wat 'n beeld van 'n bewegende voertuig verdraai
In situasies met beperkte beligting of waar hoë beeldkwaliteit vereis word, kan 'n lang kamera-blootstellingstyd verlang word. Die beweging van die onderwerp sal egter sy lig oor verskeie kamerapixels versprei tydens die blootstelling, wat lei tot 'bewegingsonscherpte'. Dit kan geminimaliseer word deur blootstellings baie kort te hou – onder die tyd wat dit sou neem vir 'n punt op die onderwerp om 'n kamerapixel te beweeg. Dit is dieungewoonlik ten koste van donker, raserige, dikwels onbruikbare beelde.
●Steekwerk
Daarbenewens vereis die afbeelding van groot of deurlopende beeldmateriaal met area-skanderingskameras tipies die verkryging van veelvuldige beelde, wat dan saamgevoeg word. Hierdie saamvoeging vereis oorvleuelende pixels tussen aangrensende beelde, wat doeltreffendheid verminder en databerging- en verwerkingsvereistes verhoog.
●Ongelyke beligting
Boonop sal die beligting selde eweredig genoeg wees om probleme en artefakte by die grense tussen saamgevoegde beelde te vermy. Om beligting oor 'n groot genoeg area vir die area-skandeerkamera met voldoende intensiteit te verskaf, vereis dit ook dikwels die gebruik van hoë-krag, hoëkoste GS-ligbronne.
Ongelyke beligting in die stik van 'n multibeeldverkryging van 'n muisbrein. Beeld van Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Wat is 'n TDI-kamera, en hoe help dit?
In konvensionele 2-dimensionele area-skandeerkameras is daar drie fases van die verkryging van 'n beeld: pixelherstel, blootstelling en uitlees. Tydens die blootstelling word fotone van die toneel opgespoor, wat lei tot foto-elektrone, wat in die kamerapixels gestoor word tot die einde van die blootstelling. Die waardes van elke pixel word dan uitgelees en 'n 2D-beeld word gevorm. Die pixels word dan herstel en alle ladings word skoongemaak om die volgende blootstelling te begin.
Soos genoem, as die onderwerp in die beeld egter relatief tot die kamera beweeg, kan die lig van die onderwerp tydens hierdie blootstelling oor verskeie pixels versprei, wat tot bewegingsonscherpte lei. TDI-kameras oorkom hierdie beperking deur 'n innoverende tegniek te gebruik. Dit word in [Animasie 1] gedemonstreer.
●Hoe TDI-kameras werk
TDI-kameras werk op 'n fundamenteel ander manier as area-skanderingskameras. Soos die onderwerp tydens die blootstelling oor die kamera beweeg, word die elektroniese ladings wat die verkrygde beeld uitmaak ook beweeg en bly gesinchroniseerd. Tydens blootstelling kan TDI-kameras alle verkrygde ladings van een ry pixels na die volgende skuif, langs die kamera, gesinchroniseerd met die beweging van die onderwerp. Soos die onderwerp oor die kamera beweeg, bied elke ry (bekend as 'n 'TDI-stadium') 'n nuwe geleentheid om die kamera aan die onderwerp bloot te stel en sein te versamel.
Sodra 'n ry verkrygde ladings die einde van die kamera bereik, word die waardes eers uitgelees en as 'n eendimensionele sny van die beeld gestoor. Die tweedimensionele beeld word gevorm deur elke opeenvolgende sny van die beeld aanmekaar te plak terwyl die kamera dit lees. Elke ry pixels in die resulterende beeld volg en beeld dieselfde 'sny' van die onderwerp af, wat beteken dat daar ten spyte van die beweging geen vaagheid is nie.
●256x Langer Blootstelling
Met TDI-kameras word die effektiewe beligtingstyd van die beeld gegee deur die hele tyd wat dit neem vir 'n punt op die onderwerp om elke ry pixels te deurkruis, met tot 256 stadiums beskikbaar op sommige TDI-kameras. Dit beteken dat die beskikbare beligtingstyd effektief 256 keer groter is as wat 'n area-skandeerkamera kan bereik.
Dit kan een van twee verbeterings lewer, of 'n balans van beide. Eerstens kan 'n beduidende toename in beeldsnelheid bereik word. In vergelyking met 'n area-skanderingskamera, kan die beeldonderwerp tot 256x vinniger beweeg terwyl dit steeds dieselfde hoeveelheid sein vasvang, mits die lynspoed van die kamera vinnig genoeg is om tred te hou.
Aan die ander kant, as groter sensitiwiteit benodig word, kan die langer blootstellingstyd beelde van baie hoër gehalte, laer beligtingsintensiteit, of albei moontlik maak.
●Groot data-deurvoer sonder stikwerk
Aangesien die TDI-kamera 'n tweedimensionele beeld uit opeenvolgende eendimensionele snitte produseer, kan die resulterende beeld so groot wees as wat nodig is. Terwyl die aantal pixels in die 'horisontale' rigting deur die breedte van die kamera gegee word, byvoorbeeld 9072 pixels, is die 'vertikale' grootte van die beeld onbeperk en word dit bloot bepaal deur hoe lank die kamera loop. Met lynspoed van tot 510 kHz kan dit massiewe data-deurset lewer.
Gekombineer hiermee kan TDI-kameras baie wye gesigsvelde bied. Byvoorbeeld, 'n 9072-pixelkamera met 5µm-pixels bied 'n horisontale gesigsveld van 45 mm met hoë resolusie. Om dieselfde beeldwydte met 'n 5µm-pixelarea-skandeerkamera te bereik, sal tot drie 4K-kameras langs mekaar benodig word.
●Verbeterings teenoor lynskandeerkameras
TDI-kameras bied nie net verbeterings bo area-skanderingskameras nie. Lyn-skanderingskameras, wat slegs 'n enkele lyn pixels vasvang, ly ook aan baie van dieselfde probleme met beligtingsintensiteit en kort beligtings as area-skanderingskameras.
Alhoewel lynskandeerkameras, soos TDI-kameras, meer egalige beligting met 'n eenvoudiger opstelling bied, en die behoefte aan beeldverbinding vermy, kan hulle dikwels baie intense beligting en/of stadige onderwerpbeweging benodig om genoeg sein vir 'n hoëgehalte-beeld vas te lê. Die langer beligtings en vinniger onderwerpspoed wat TDI-kameras moontlik maak, beteken dat laer intensiteit, laer koste-beligting gebruik kan word terwyl beelddoeltreffendheid verbeter word. Byvoorbeeld, 'n produksielyn kan dalk van hoëkoste, hoë-kragverbruik halogeenligte wat GS-krag benodig, na LED-beligting oorskakel.
Hoe werk TDI-kameras?
Daar is drie algemene standaarde vir hoe om TDI-beelding op 'n kamerasensor te bereik.
● CCD TDI– CCD-kameras is die oudste styl digitale kameras. As gevolg van hul elektroniese ontwerp is dit relatief eenvoudig om TDI-gedrag op 'n CCD te bereik, met baie kamerasensors wat inherent op hierdie manier kan werk. TDI CCD's word dus al dekades lank gebruik.
CCD-tegnologie het egter sy beperkings. Die kleinste pixelgrootte wat algemeen beskikbaar is vir CCD TDI-kameras is ongeveer 12µm x 12µm – dit, tesame met klein pixeltellings, beperk die kameras se vermoë om fyn besonderhede op te los. Boonop is die verkrygingspoed laer as ander tegnologieë, terwyl leesgeraas – 'n belangrike beperkende faktor in lae ligbeelding – hoog is. Kragverbruik is ook hoog, wat 'n belangrike faktor in sommige toepassings is. Dit het gelei tot die begeerte om TDI-kameras te skep gebaseer op CMOS-argitektuur.
●Vroeë CMOS TDI: Spanningsdomein en digitale sommeering
CMOS-kameras oorkom baie van die geraas- en spoedbeperkings van CCD-kameras, terwyl hulle minder krag gebruik en kleiner pixelgroottes bied. TDI-gedrag was egter baie moeiliker om op CMOS-kameras te bereik as gevolg van hul pixelontwerp. Terwyl CCD's foto-elektrone fisies van pixel tot pixel rondbeweeg om die sensor te bestuur, skakel CMOS-kameras seine in foto-elektrone om na spannings in elke pixel voor uitlees.
TDI-gedrag op 'n CMOS-sensor word sedert 2001 ondersoek, maar die uitdaging oor hoe om die 'akkumulasie' van sein te hanteer soos blootstelling van een ry na die volgende beweeg, was beduidend. Twee vroeë metodes vir CMOS TDI wat vandag steeds in kommersiële kameras gebruik word, is spanningsdomein-akkumulasie en digitale sommeer-TDI CMOS. In spanningsdomein-akkumulasiekameras, soos elke ry sein verkry word soos die beeldvormende onderwerp verbybeweeg, word die verkrygde spanning elektronies by die totale verkryging vir daardie deel van die beeld gevoeg. Die ophoping van spannings op hierdie manier bring bykomende geraas voor vir elke ekstra TDI-stadium wat bygevoeg word, wat die voordele van bykomende stadiums beperk. Probleme met lineariteit daag ook die gebruik van hierdie kameras vir presiese toepassings uit.
Die tweede metode is digitale opsomming van TDI. In hierdie metode loop 'n CMOS-kamera effektief in area-skanderingsmodus met 'n baie kort blootstelling wat ooreenstem met die tyd wat dit neem vir die beeldonderwerp om oor 'n enkele ry pixels te beweeg. Maar die rye van elke opeenvolgende raam word digitaal bymekaar getel op so 'n manier dat 'n TDI-effek gelewer word. Aangesien die hele kamera vir elke ry pixels in die resulterende beeld uitgelees moet word, voeg hierdie digitale optelling ook die leesruis vir elke ry by en beperk die spoed van verkryging.
●Die moderne standaard: ladingdomein TDI CMOS, of CCD-op-CMOS TDI
Die beperkings van CMOS TDI hierbo is onlangs oorkom deur die bekendstelling van ladingsdomein-akkumulasie TDI CMOS, ook bekend as CCD-op-CMOS TDI. Die werking van hierdie sensors word gedemonstreer in [Animasie 1]. Soos die naam aandui, bied hierdie sensors die CCD-agtige beweging van ladings van een pixel na die volgende, en versamel seine by elke TDI-stadium deur die byvoeging van foto-elektrone op die vlak van individuele ladings. Dit is effektief ruisvry. Die beperkings van CCD TDI word egter oorkom deur die gebruik van CMOS-uitleesargitektuur, wat die hoë snelhede, lae geraas en lae kragverbruik wat algemeen is vir CMOS-kameras moontlik maak.
TDI-spesifikasies: wat maak saak?
●Tegnologie:Die belangrikste faktor is watter sensortegnologie gebruik word soos hierbo bespreek. Ladingdomein CMOS TDI sal die beste werkverrigting lewer.
●TDI-stadiums:Dit is die aantal rye van die sensor waaroor sein opgehoop kan word. Hoe meer TDI-fases 'n kamera het, hoe langer kan die effektiewe blootstellingstyd wees. Of, hoe vinniger kan die onderwerp beweeg, mits die kamera voldoende lynspoed het.
●Lynkoers:Hoeveel rye die kamera per sekonde kan lees. Dit bepaal die maksimum bewegingspoed waarmee die kamera kan tred hou.
●KwantumdoeltreffendheidDit dui die kamera se sensitiwiteit vir lig teen verskillende golflengtes aan, gegee deur die waarskynlikheid dat 'n invallende foton opgespoor word en 'n foto-elektron produseer. Hoër kwantumdoeltreffendheid kan laer beligtingssterkte of vinniger werking bied terwyl dieselfde seinvlakke gehandhaaf word.
Daarbenewens verskil kameras oor die golflengtebereik waarteen goeie sensitiwiteit bereik kan word, met sommige kameras wat sensitiwiteit bied tot by die ultraviolet (UV) kant van die spektrum, teen ongeveer 200 nm golflengte.
●Lees geraas:Leesruis is die ander belangrike faktor in 'n kamera se sensitiwiteit, wat die minimum sein bepaal wat bo die kamera se ruisvloer opgespoor kan word. Met hoë leesruis kan donker kenmerke nie opgespoor word nie en word dinamiese omvang ernstig verminder, wat beteken dat helderder beligting of langer blootstellingstye en stadiger bewegingsnelhede gebruik moet word.
TDI-spesifikasies: wat maak saak?
Tans word TDI-kameras gebruik vir webinspeksie, elektronika- en vervaardigingsinspeksie, en ander masjienvisie-toepassings. Hierbenewens is daar uitdagende toepassings in lae lig soos fluoresensiebeelding en skyfie-skandering.
Met die bekendstelling van hoëspoed-, lae-geraas-, hoë-sensitiwiteit TDI CMOS-kameras is daar egter groot potensiaal vir spoed- en doeltreffendheidsverhogings in nuwe toepassings wat voorheen slegs area-skandeerkameras gebruik het. Soos ons aan die begin van die artikel genoem het, kan TDI-kameras die beste keuse wees om hoë snelhede en hoë beeldkwaliteite te bereik, óf vir die beeldvorming van onderwerpe wat reeds in konstante beweging is, óf waar die kamera oor statiese beeldvormingsonderwerpe geskandeer kan word.
Byvoorbeeld, in 'n mikroskopietoepassing, kan ons die teoretiese verkrygingspoed van 'n 9K-pixel, 256-stadium TDI-kamera met 5 µm-pixels vergelyk met 'n 12MP-kamera-area-skandeerkamera met 5 µm-pixels. Kom ons ondersoek die verkryging van 'n 10 x 10 mm-area met 20x vergroting deur die stadium te skuif.
1. Deur 'n 20x-objektief met die area-skandeerkamera te gebruik, sal 'n beeldveld van 1.02 x 0.77 mm verkry word.
2. Met die TDI-kamera kan 'n 10x objektief met 'n 2x bykomende vergroting gebruik word om enige beperking in die mikroskoop se gesigsveld te oorkom, om 'n horisontale beeldvormingsveld van 2.3 mm te lewer.
3. As ons aanneem dat daar 2% pixeloorvleueling tussen beelde is vir stikwerkdoeleindes, 0.5 sekondes om die verhoog na 'n vasgestelde plek te skuif, en 'n blootstellingstyd van 10 ms, kan ons die tyd bereken wat die area-skandeerkamera sal neem. Net so kan ons die tyd bereken wat die TDI-kamera sal neem as die verhoog in konstante beweging gehou word om in die Y-rigting te skandeer, met dieselfde blootstellingstyd per lyn.
4. In hierdie geval sal die area-skanderingskamera 140 beelde benodig om verkry te word, met 63 sekondes wat spandeer word om die verhoog te skuif. Die TDI-kamera sal slegs 5 lang beelde verkry, met slegs 2 sekondes wat spandeer word om die verhoog na die volgende kolom te skuif.
5. Die totale tyd wat spandeer word om die 10 x 10 mm area te verkry, sal wees64.4 sekondes vir die area-skanderingskamera,en net9.9 sekondes vir die TDI-kamera.
As u wil sien of 'n TDI-kamera by u toepassing en behoeftes kan pas, kontak ons vandag.
