25/08/08In industriële en wetenskaplike beeldvorming bied die vaslegging van vinnig bewegende voorwerpe onder lae ligtoestande 'n konstante uitdaging. Dit is waar Tydvertraging-integrasie (TDI) kameras inspring. TDI-tegnologie kombineer bewegingsinchronisasie en veelvuldige blootstellings om uitsonderlike sensitiwiteit en beeldhelderheid te lewer, veral in hoëspoed-omgewings.
Wat is 'n TDI-kamera?
'n TDI-kamera is 'n gespesialiseerde lynskandeerkamera wat beelde van bewegende voorwerpe vasvang. Anders as standaard areaskandeerkameras wat 'n hele raam gelyktydig blootstel, skuif TDI-kameras lading van een ry pixels na die volgende in sinchronisasie met die voorwerp se beweging. Elke pixelry versamel lig soos die onderwerp beweeg, wat die blootstellingstyd effektief verhoog en seinsterkte verbeter sonder om bewegingsonscherpte te veroorsaak.
Hierdie ladingintegrasie verhoog die sein-tot-ruisverhouding (SNR) dramaties, wat TDI-kameras ideaal maak vir hoëspoed- of laeligtoepassings.
Hoe werk 'n TDI-kamera?
Die werking van 'n TDI-kamera word in Figuur 1 geïllustreer.
Figuur 1: Werking van Tydvertragingintegrasie (TDI) sensors
LET WEL: TDI-kameras beweeg verkrygde ladings oor verskeie 'stadiums' in sinchronisasie met 'n bewegende beeldonderwerp. Elke stadium bied 'n bykomende kans om aan lig blootgestel te word. Geïllustreer deur 'n helder 'T' wat oor 'n kamera beweeg, met 'n 5-kolom by 5-stadium segment van 'n TDI-sensor. Tucsen Dhyana 9KTDI met hibriede CCD-styl ladingbeweging, maar CMOS-styl parallelle uitlesing.
TDI-kameras is effektief lynskandeerkameras, met een belangrike onderskeid: in plaas van een ry pixels wat data verkry terwyl kameras oor 'n beeldvormende onderwerp geskandeer word, het TDI-kameras verskeie rye, bekend as 'stadiums', tot tipies 256.
Hierdie rye vorm egter nie 'n tweedimensionele beeld soos 'n area-skandeerkamera nie. In plaas daarvan, soos 'n geskandeerde beeldonderwerp oor die kamerasensor beweeg, skuif die opgespoorde foto-elektrone binne elke pixel na die volgende ry in ooreenstemming met die beweging van die beeldonderwerp, sonder om nog uitgelees te word. Elke bykomende ry bied dan 'n bykomende geleentheid om die beeldonderwerp aan lig bloot te stel. Slegs sodra 'n beeldskyf die laaste ry pixels van die sensor bereik, word daardie ry na die uitleesargitektuur deurgegee vir meting.
Dus, ten spyte van veelvuldige metings wat oor die kamerafases plaasvind, word slegs een geval van die kameraleesgeraas ingebring. 'n 256-fase TDI-kamera hou die monster 256 keer langer in sig, en het dus 256 keer langer blootstellingstyd as die ekwivalente lynskandeerkamera. 'n Ekwivalente blootstellingstyd met 'n areaskandeerkamera sou uiterste bewegingsonscherpte tot gevolg hê, wat die beeld nutteloos maak.
Wanneer kan TDI gebruik word?
TDI-kameras is 'n uitstekende oplossing vir enige beeldtoepassing waar die onderwerp in beweging is relatief tot die kamera, mits die beweging uniform oor die kamera se aansig is.
Die toepassings van TDI-beelding sluit dus enersyds al dié van lynskandering in waar tweedimensionele beelde gevorm word, terwyl dit groter snelhede, baie verbeterde lae-liggevoeligheid, beter beeldkwaliteit, of al drie gelyktydig meebring. Aan die ander kant is daar baie beeldtegnieke wat area-skanderingkameras gebruik waar TDI-kameras gebruik kan word.
Vir hoë-sensitiwiteit sCMOS TDI, kan 'teël-en-steek'-beelding in biologiese fluoresensiemikroskopie uitgevoer word deur 'n ononderbroke skandering van die stadium in plaas van teëling te gebruik. Of alle TDI kan goed geskik wees vir inspeksietoepassings. Nog 'n belangrike toepassing vir TDI is beeldvloeisitometrie, waar fluoresensiebeelde van selle verkry word terwyl hulle deur 'n kamera vloei terwyl hulle deur 'n mikrofluidiese kanaal vloei.
Voordele en Nadele van sCMOS TDI
Voordele
● Kan 2-dimensionele beelde van arbitrêre grootte teen hoë spoed vaslê wanneer oor 'n beeldvormende onderwerp geskandeer word.
● Verskeie TDI-stadiums, lae geraas en hoë QE kan lei tot drasties hoër sensitiwiteit as lynskandeerkameras.
● Baie hoë uitleesspoed kan bereik word, byvoorbeeld tot 510 000 Hz (lyne per sekonde), vir 'n beeld van 9 072 pixels breed.
●Beligting hoef slegs eendimensioneel te wees en hoef geen platveld- of ander korreksies in die tweede (geskandeerde) dimensie te vereis nie. Boonop kan langer blootstellingstye in vergelyking met lynskandering flikkering as gevolg van WS-ligbronne "uitgladmaak".
● Bewegende beelde kan sonder bewegingsonscherpte en met hoë spoed en sensitiwiteit verkry word.
●Die skandering van groot areas kan drasties vinniger wees as area-skandeerkameras.
● Met gevorderde sagteware of snelleropstellings kan 'n 'area-skandering-agtige' modus 'n area-skandering-oorsig vir fokus en belyning bied.
Nadele
● Steeds hoër geraas as konvensionele sCMOS-kameras, wat beteken dat toepassings in ultra-lae lig buite bereik is.
● Vereis spesialisopstellings met gevorderde snellerfunksie om die beweging van die beeldonderwerp met die skandering van die kamera te sinchroniseer, baie fyn beheer oor bewegingspoed, of akkurate voorspelling van spoed om sinchronisasie moontlik te maak.
● As 'n nuwe tegnologie bestaan daar tans min oplossings vir hardeware- en sagteware-implementering.
Lae-lig-bekwame sCMOS TDI
Terwyl TDI as 'n beeldtegniek digitale beeldvorming voorafgegaan het, en lank gelede lynskandering in werkverrigting oortref het, het TDI-kameras eers in die laaste paar jaar die sensitiwiteit verkry wat nodig is om die lae-lig toepassings te bereik wat normaalweg die sensitiwiteit van wetenskaplike graad sou vereis.sCMOS-kameras.
''sCMOS TDI'' kombineer die CCD-styl beweging van ladings oor die sensor met sCMOS-styl uitlesing, met agterbeligte sensors beskikbaar. Vorige CCD-gebaseerde of suiwer CMOS-gebaseerde* TDI-kameras het drasties stadiger uitlesing, kleiner pixeltellings, minder stadiums en leesgeraas tussen 30e- en >100e- gehad. In teenstelling hiermee het sCMOS TDI soos die Tucsen...Dhyana 9KTDI sCMOS-kamerabied leesruis van 7.2e-, gekombineer met hoër kwantumdoeltreffendheid deur terugbeligting, wat die gebruik van TDI in aansienlik laer ligvlaktoepassings moontlik maak as wat voorheen moontlik was.
In baie toepassings kan die langer blootstellingstye wat deur die TDI-proses moontlik gemaak word, meer as vergoed vir die toename in leesgeraas in vergelyking met hoëgehalte sCMOS-areaskandeerkameras met leesgeraas van naby 1e-.
Algemene toepassings van TDI-kameras
TDI-kameras word in baie industrieë aangetref waar presisie en spoed ewe krities is:
● Halfgeleierwafelinspeksie
● Toetsing van platskermskerms (FPD)
● Webinspeksie (papier, film, foelie, tekstiele)
● X-straalskandering in mediese diagnostiek of bagasie-ondersoek
● Skyfie- en multiputplaatskandering in digitale patologie
● Hiperspektrale beeldvorming in afstandwaarneming of landbou
● PCB- en elektroniese inspeksie in SMT-lyne
Hierdie toepassings trek voordeel uit die verbeterde kontras, spoed en duidelikheid wat TDI-beelding onder werklike beperkings bied.
Voorbeeld: Skandering van skyfies en meervoudige putplate
Soos genoem, is een toepassing met beduidende belofte vir sCMOS TDI-kameras die heg van toepassings, insluitend skyfie- of multi-putplaatskandering. Die skandering van groot fluorescerende of helderveldmikroskopiemonsters met 2-dimensionele areakameras berus op die heg van 'n rooster van beelde wat gevorm word uit veelvuldige bewegings van 'n XY-mikroskoopstadium. Elke beeld vereis dat die stadium stop, rus en dan herbegin, tesame met enige vertraging van die rollende sluiter. TDI, aan die ander kant, kan beelde verkry terwyl die stadium in beweging is. Die beeld word dan gevorm uit 'n klein aantal lang 'stroke', wat elk die hele breedte van die monster dek. Dit kan moontlik lei tot drasties hoër verkrygingspoed en data-deurset in alle hegtoepassings, afhangende van die beeldtoestande.
Die spoed waarteen die verhoog kan beweeg, is omgekeerd eweredig aan die totale beligtingstyd van die TDI-kamera, dus bied kort beligtingstye (1-20 ms) die grootste verbetering in beeldsnelheid in vergelyking met area-skanderingskameras, wat dan kan lei tot 'n orde van grootte of groter vermindering in totale verkrygingstyd. Vir langer beligtingstye (bv. > 100 ms), kan area-skanderings gewoonlik 'n tydsvoordeel behou.
'n Voorbeeld van 'n baie groot (2 Gigapixel) fluoresensiemikroskopiebeeld wat in slegs tien sekondes gevorm word, word in Figuur 2 getoon. 'n Ekwivalente beeld wat met 'n area-skandeerkamera gevorm word, kan na verwagting tot etlike minute duur.
Figuur 2: 2 Gigapixel-beeld gevorm in 10 sekondes deur TDI-skandering en -stiksel
LET WEL: 10x vergrotingbeeld verkry met behulp van die Tucsen Dhyana 9kTDI van markeerpenkolletjies wat met fluoresensiemikroskopie besigtig is. Verkry in 10 sekondes met 'n blootstellingstyd van 3.6 ms. Beeldafmetings: 30 mm x 17 mm, 58 000 x 34 160 pixels.
Sinchroniseer TDI
Die sinchronisasie van 'n TDI-kamera met die onderwerp wat geneem word (binne 'n paar persent) is noodsaaklik – snelheidswanverhouding sal lei tot 'n 'bewegingsonscherpte'-effek. Hierdie sinchronisasie kan op twee maniere gedoen word:
VoorspellendKameraspoed word ingestel om by bewegingspoed te pas gebaseer op kennis van monsterbewegingspoed, optika (vergroting) en kamerapixelgrootte. Of probeer en tref.
GeaktiveerBaie mikroskoopplatforms, portaalstelsels en ander toerusting om beeldvormende voorwerpe te beweeg, kan enkodeerders insluit wat 'n snellerpuls na die kamera stuur vir 'n gegewe bewegingsafstand. Dit laat die platform/portaalstelsel en kamera toe om gesinchroniseerd te bly ongeag die bewegingspoed.
TDI-kameras teenoor lynskandering- en areaskanderingkameras
Hier is hoe TDI vergelyk met ander gewilde beeldtegnologieë:
| Kenmerk | TDI-kamera | Lynskandeerkamera | Gebiedsskandeerkamera |
| Sensitiwiteit | Baie Hoog | Medium | Laag tot Medium |
| Beeldkwaliteit (beweging) | Uitstekend | Goed | Vaag teen hoë snelhede |
| Beligtingsvereistes | Laag | Medium | Hoog |
| Bewegingsversoenbaarheid | Uitstekend (indien gesinchroniseerd) | Goed | Arm |
| Beste vir | Hoëspoed, lae lig | Vinnig bewegende voorwerpe | Statiese of stadige tonele |
TDI is die duidelike keuse wanneer die toneel vinnig beweeg en ligvlakke beperk is. Lynskandering is 'n afname in sensitiwiteit, terwyl areaskandering beter is vir eenvoudige of stilstaande opstellings.
Die keuse van die regte TDI-kamera
Wanneer jy 'n TDI-kamera kies, oorweeg die volgende:
● Aantal TDI-stadiums: Meer stadiums verhoog SNR, maar ook koste en kompleksiteit.
● Sensortipe: sCMOS word verkies vir sy spoed en lae geraas; CCD kan steeds geskik wees vir sommige ouer stelsels.
● Koppelvlak: Verseker versoenbaarheid met jou stelsel—Camera Link, CoaXPress en 10GigE is algemene opsies, 100G CoF en 40G CoF het as nuwe tendense na vore gekom.
● Spektrale reaksie: Kies tussen monochroom, kleur of naby-infrarooi (NIR) gebaseer op toepassingsbehoeftes.
● Sinchronisasie-opsies: Soek na kenmerke soos enkodeerderinsette of eksterne snellerondersteuning vir beter bewegingsbelyning.
As jou toepassing delikate biologiese monsters, hoëspoed-inspeksie of omgewings met lae lig behels, is sCMOS TDI waarskynlik die regte oplossing.
Gevolgtrekking
TDI-kameras verteenwoordig 'n kragtige evolusie in beeldtegnologie, veral wanneer dit op sCMOS-sensors gebou is. Deur bewegingsinchronisasie met multilyn-integrasie te kombineer, bied hulle ongeëwenaarde sensitiwiteit en helderheid vir dinamiese tonele in lae lig.
Of jy nou wafers inspekteer, skyfies skandeer of hoëspoed-inspeksies uitvoer, om te verstaan hoe TDI werk, kan jou help om die beste oplossing te kies tussen...wetenskaplike kamerasvir jou beelduitdagings.
Gereelde vrae
Kan TDI-kameras in area-skanderingsmodus werk?
TDI-kameras kan (baie dun) tweedimensionele beelde in 'n 'area-skandering-agtige' modus skep, wat bereik word deur 'n truuk van sensortydsberekening. Dit kan nuttig wees vir take soos fokus en belyning.
Om 'n 'area-skandering-blootstelling' te begin, word die sensor eers 'skoongemaak' deur die TDI ten minste soveel stappe as wat die kamera stadiums het, so vinnig as moontlik te bevorder, en dan te stop. Dit word óf bereik deur sagtewarebeheer óf hardeware-snellering, en word ideaal in donkerte uitgevoer. Byvoorbeeld, 'n 256-stadium kamera moet ten minste 256 lyne lees en dan stop. Hierdie 256 lyne data word weggegooi.
Terwyl die kamera nie geaktiveer word of lyne uitgelees word nie, tree die sensor net op soos 'n area-skandeersensor wat 'n beeld blootstel.
Die verlangde beligtingstyd moet dan verloop met die kamera in stilstand, voordat die kamera weer met ten minste sy aantal stadiums vorentoe beweeg word en elke lyn van die pas verkrygde beeld uitgelees word. Weereens, ideaal gesproke moet hierdie 'uitlees'-fase in die donker plaasvind.
Hierdie tegniek kan herhaal word om 'n 'lewendige voorskou' of reeks area-skanderingsbeelde met minimale vervorming en vervaagdheid as gevolg van die TDI-bewerking te verskaf.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle regte voorbehou. Wanneer u aanhaal, erken asseblief die bron:www.tucsen.com
