22/07/13دمج التأخير الزمني (TDI) هي تقنية تصوير سابقة للتصوير الرقمي، لكنها لا تزال توفر مزايا هائلة في أحدث تقنيات التصوير اليوم. هناك حالتان تتألق فيهما كاميرات TDI، الأولى عندما يكون موضوع التصوير متحركًا:
1- إن موضوع التصوير يكون في حركة جوهرية بسرعة ثابتة، كما هو الحال في فحص الويب (مثل مسح الأوراق المتحركة من الورق أو البلاستيك أو القماش بحثًا عن العيوب والأضرار)، أو خطوط التجميع، أو الموائع الدقيقة وتدفقات السوائل.
٢- صور ثابتة لأجسام يُمكن تصويرها بكاميرا تُنقل من منطقة لأخرى، إما بتحريك الجسم أو الكاميرا. ومن الأمثلة على ذلك مسح شرائح المجهر، وفحص المواد، وفحص الشاشات المسطحة، وما إلى ذلك.
إذا كان أي من هذه الظروف ينطبق على التصوير الخاص بك، فسوف تساعدك صفحة الويب هذه في التفكير فيما إذا كان التحول من كاميرات المسح الضوئي ثنائية الأبعاد التقليدية إلى كاميرات المسح الخطي TDI قد يعزز التصوير الخاص بك.
المشكلة مع مسح المنطقة والأهداف المتحركة
● ضبابية الحركة
بعض أهداف التصوير تكون متحركة بالضرورة، كما هو الحال في تدفق السوائل أو فحص النسيج. في تطبيقات أخرى، مثل مسح الشرائح وفحص المواد، يُمكن أن يكون الحفاظ على حركة الهدف أسرع وأكثر كفاءة بكثير من إيقاف الحركة لكل صورة مُلتقطة. ومع ذلك، في كاميرات المسح المكاني، إذا كان الهدف المُصوَّر في حركة بالنسبة للكاميرا، فقد يُمثل ذلك تحديًا.
ضبابية الحركة تشوه صورة السيارة المتحركة
في حالات الإضاءة المحدودة أو التي تتطلب جودة صورة عالية، قد يكون من الأفضل استخدام وقت تعريض طويل للكاميرا. ومع ذلك، فإن حركة الجسم ستنشر ضوءها على عدة بيكسلات للكاميرا أثناء التعريض، مما يؤدي إلى "ضبابية الحركة". يمكن تقليل هذا التشويش عن طريق جعل التعريضات قصيرة جدًا - أقل من الوقت الذي تستغرقه نقطة على الجسم لاجتياز بيكسل الكاميرا. هذا هوunعادة ما يكون ذلك على حساب الصور المظلمة، والصاخبة، وغير القابلة للاستخدام في كثير من الأحيان.
●خياطة
بالإضافة إلى ذلك، عادةً ما يتطلب تصوير الأجسام الكبيرة أو المتواصلة بكاميرات مسح المنطقة التقاط صور متعددة، ثم دمجها معًا. يتطلب هذا الدمج تداخل وحدات البكسل بين الصور المتجاورة، مما يقلل الكفاءة ويزيد من متطلبات تخزين البيانات ومعالجتها.
●إضاءة غير متساوية
علاوة على ذلك، نادرًا ما تكون الإضاءة متساوية بما يكفي لتجنب المشاكل والتشوهات على حدود الصور المتداخلة. كما أن توفير إضاءة كافية لمساحة واسعة لكاميرا المسح الضوئي بكثافة كافية يتطلب غالبًا استخدام مصادر إضاءة تيار مستمر عالية الطاقة والتكلفة.
إضاءة غير متساوية في خياطة عملية الحصول على صور متعددة لدماغ الفأر. صورة من واتسون وآخرون ٢٠١٧: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
ما هي كاميرا TDI وكيف تساعد؟
في كاميرات المسح المساحية ثنائية الأبعاد التقليدية، هناك ثلاث مراحل لالتقاط الصورة: إعادة ضبط البكسل، والتعريض، والقراءة. أثناء التعريض، تُرصد الفوتونات من المشهد، مما يُنتج إلكترونات ضوئية تُخزن في بكسلات الكاميرا حتى نهاية التعريض. ثم تُقرأ قيم كل بكسل، وتُكوّن صورة ثنائية الأبعاد. ثم تُعاد ضبط البكسلات وتُمسح جميع الشحنات لبدء التعريض التالي.
ومع ذلك، كما ذُكر، إذا كان موضوع التصوير يتحرك بالنسبة للكاميرا، فقد ينتشر ضوء الموضوع على عدة بكسلات أثناء هذا التعريض، مما يؤدي إلى ضبابية الحركة. تتغلب كاميرات TDI على هذا القيد باستخدام تقنية مبتكرة. ويتضح ذلك في [الرسم المتحرك 1].
●كيف تعمل كاميرات TDI
تعمل كاميرات TDI بطريقة مختلفة تمامًا عن كاميرات مسح المنطقة. فمع تحرك الشخص أمام الكاميرا أثناء التعريض، تتحرك الشحنات الإلكترونية التي تُكوّن الصورة المُلتقطة، مما يُحافظ على تزامنها. وأثناء التعريض، تُوزّع كاميرات TDI جميع الشحنات المُلتقطة من صفٍّ إلى آخر من البكسلات على طول الكاميرا، بالتزامن مع حركة الشخص. ومع تحرك الشخص أمام الكاميرا، يُتيح كل صف (يُعرف باسم "مرحلة TDI") فرصةً جديدةً لتعريض الكاميرا للشخص، وتجميع الإشارة.
بمجرد وصول صف من الشحنات المُكتسبة إلى نهاية الكاميرا، تُقرأ القيم وتُخزَّن كشريحة أحادية البعد من الصورة. تُشكَّل الصورة ثنائية الأبعاد بلصق كل شريحة متتالية من الصورة أثناء قراءتها من قِبَل الكاميرا. يتتبع كل صف من وحدات البكسل في الصورة الناتجة ويصوِّر نفس "الشريحة" من موضوع التصوير، مما يعني أنه على الرغم من الحركة، لا يوجد أي ضبابية.
●تعريض أطول بمقدار 256x
في كاميرات TDI، يُحسب زمن التعريض الفعال للصورة من خلال الوقت الذي تستغرقه نقطة على الجسم لاجتياز كل صف من البكسلات، مع توفر ما يصل إلى 256 مرحلة في بعض كاميرات TDI. هذا يعني أن زمن التعريض المتاح أكبر بـ 256 مرة مما يمكن أن تحققه كاميرا مسح المنطقة.
يمكن أن يُحقق هذا أحد تحسينين، أو توازنًا بينهما. أولًا، يمكن تحقيق زيادة ملحوظة في سرعة التصوير. مقارنةً بكاميرا مسح المنطقة، يمكن لموضوع التصوير أن يتحرك أسرع بما يصل إلى ٢٥٦ مرة مع الحفاظ على نفس كمية الإشارة، شريطة أن يكون معدل خط الكاميرا سريعًا بما يكفي لمواكبة ذلك.
من ناحية أخرى، إذا كانت هناك حاجة إلى حساسية أكبر، فإن وقت التعرض الأطول قد يتيح الحصول على صور ذات جودة أعلى بكثير، أو كثافة إضاءة أقل، أو كليهما.
●معدل نقل بيانات كبير دون خياطة
بما أن كاميرا TDI تُنتج صورة ثنائية الأبعاد من شرائح أحادية البعد متتالية، فيمكن أن تكون الصورة الناتجة كبيرة الحجم حسب الحاجة. بينما يُحدد عرض الكاميرا عدد البكسلات في الاتجاه الأفقي، على سبيل المثال 9072 بكسل، فإن الحجم الرأسي للصورة غير محدود، ويُحدد ببساطة بمدة تشغيل الكاميرا. مع معدلات نقل بيانات تصل إلى 510 كيلوهرتز، يُمكن تحقيق معدل نقل بيانات هائل.
بالإضافة إلى ذلك، توفر كاميرات TDI مجالات رؤية واسعة جدًا. على سبيل المثال، توفر كاميرا بدقة 9072 بكسلًا و5 ميكرومترًا مجال رؤية أفقيًا يبلغ 45 مم بدقة عالية. وللحصول على نفس عرض الصورة باستخدام كاميرا مسح بمساحة 5 ميكرومتر، يتطلب الأمر تركيب ما يصل إلى ثلاث كاميرات بدقة 4K جنبًا إلى جنب.
●تحسينات على كاميرات المسح الخطي
لا تقتصر تحسينات كاميرات TDI على كاميرات المسح المساحية فحسب، بل تعاني كاميرات المسح الخطي، التي تلتقط خطًا واحدًا فقط من البكسلات، من العديد من المشاكل نفسها التي تعاني منها كاميرات المسح المساحية من حيث شدة الإضاءة وقصر فترات التعريض.
على الرغم من أن كاميرات المسح الخطي، مثل كاميرات TDI، توفر إضاءة أكثر توازناً بإعدادات أبسط، وتتجنب الحاجة إلى تجميع الصور، إلا أنها قد تتطلب في كثير من الأحيان إضاءة شديدة للغاية و/أو حركة بطيئة للهدف لالتقاط إشارة كافية للحصول على صورة عالية الجودة. تتيح كاميرات TDI فترات تعريض أطول وسرعات أعلى للهدف، مما يعني إمكانية استخدام إضاءة أقل كثافة وتكلفة، مع تحسين كفاءة التصوير. على سبيل المثال، قد يتمكن خط إنتاج من التحول من مصابيح الهالوجين عالية التكلفة واستهلاك الطاقة العالية التي تتطلب تيارًا مستمرًا، إلى إضاءة LED.
كيف تعمل كاميرات TDI؟
هناك ثلاثة معايير مشتركة لكيفية تحقيق تصوير TDI على مستشعر الكاميرا.
● CCD TDIكاميرات CCD هي أقدم أنواع الكاميرات الرقمية. بفضل تصميمها الإلكتروني، يُعدّ تحقيق أداء TDI على CCD أمرًا بسيطًا نسبيًا، حيث تعمل العديد من مستشعرات الكاميرات بهذه الطريقة. ولذلك، تُستخدم كاميرات CCD TDI منذ عقود.
مع ذلك، لتقنية CCD حدودها. أصغر حجم بكسل متوفر عادةً لكاميرات CCD TDI هو حوالي 12 ميكرومتر × 12 ميكرومتر، وهذا، بالإضافة إلى صغر عدد البكسلات، يحدّ من قدرة الكاميرات على تحليل التفاصيل الدقيقة. علاوة على ذلك، سرعة التقاط الصورة أقل من التقنيات الأخرى، وضوضاء القراءة - وهي عامل تقييد رئيسي في التصوير في ظروف الإضاءة المنخفضة - عالية. كما أن استهلاك الطاقة مرتفع، وهو عامل رئيسي في بعض التطبيقات. وقد أدى ذلك إلى الرغبة في تطوير كاميرات TDI تعتمد على بنية CMOS.
●CMOS TDI المبكر: مجال الجهد والتلخيص الرقمي
تتغلب كاميرات CMOS على العديد من قيود الضوضاء والسرعة التي تواجهها كاميرات CCD، مع استهلاك طاقة أقل، وتوفير أحجام بكسل أصغر. ومع ذلك، كان تحقيق أداء TDI أصعب بكثير في كاميرات CMOS، نظرًا لتصميم بكسلاتها. فبينما تنقل كاميرات CCD الإلكترونات الضوئية فعليًا من بكسل إلى آخر لإدارة المستشعر، تُحوّل كاميرات CMOS إشارات الإلكترونات الضوئية إلى جهد كهربائي في كل بكسل قبل القراءة.
تم استكشاف سلوك TDI على مستشعر CMOS منذ عام 2001، إلا أن التحدي المتمثل في كيفية التعامل مع "تراكم" الإشارة عند انتقال التعريض من صف إلى آخر كان كبيرًا. ولا تزال طريقتان مبكرتان لـ CMOS TDI مستخدمتين في الكاميرات التجارية حتى اليوم هما تراكم نطاق الجهد والجمع الرقمي لـ TDI CMOS. في كاميرات تراكم نطاق الجهد، عند التقاط كل صف من الإشارة عند مرور موضوع التصوير، يُضاف الجهد المكتسب إلكترونيًا إلى إجمالي الاستحواذ لذلك الجزء من الصورة. يؤدي تراكم الجهد بهذه الطريقة إلى ضوضاء إضافية لكل مرحلة TDI إضافية تُضاف، مما يحد من فوائد المراحل الإضافية. كما تُشكل مشاكل الخطية تحديًا لاستخدام هذه الكاميرات في التطبيقات الدقيقة.
الطريقة الثانية هي الجمع الرقمي لـ TDI. في هذه الطريقة، تعمل كاميرا CMOS فعليًا في وضع مسح المنطقة بتعريض ضوئي قصير جدًا يتناسب مع الوقت الذي يستغرقه موضوع التصوير للتحرك عبر صف واحد من وحدات البكسل. ولكن، تُجمع صفوف كل إطار متتالي رقميًا بطريقة تُنتج تأثير TDI. ونظرًا لضرورة قراءة الكاميرا بالكامل لكل صف من وحدات البكسل في الصورة الناتجة، فإن هذه الإضافة الرقمية تُضيف أيضًا تشويش القراءة لكل صف، وتحد من سرعة التقاط الصورة.
●المعيار الحديث: مجال الشحنة TDI CMOS، أو CCD-on-CMOS TDI
تم التغلب مؤخرًا على قيود مستشعرات CMOS TDI المذكورة أعلاه من خلال طرح مستشعرات TDI CMOS ذات تراكم مجال الشحنة، والمعروفة أيضًا باسم CCD-on-CMOS TDI. ويوضح الرسم المتحرك 1 كيفية عمل هذه المستشعرات. وكما يوحي الاسم، توفر هذه المستشعرات حركة شحنات شبيهة بحركة CCD من بكسل إلى آخر، مما يؤدي إلى تراكم الإشارة في كل مرحلة من مراحل TDI من خلال إضافة إلكترونات ضوئية على مستوى الشحنات الفردية. وهذا خالٍ تمامًا من الضوضاء. ومع ذلك، يتم التغلب على قيود مستشعرات CCD TDI من خلال استخدام بنية قراءة CMOS، مما يتيح سرعات عالية وضوضاء منخفضة واستهلاكًا منخفضًا للطاقة، وهي سمة شائعة في كاميرات CMOS.
مواصفات TDI: ما الذي يهم؟
●تكنولوجيا:العامل الأهم هو تقنية الاستشعار المستخدمة، كما ذكرنا سابقًا. سيُقدم مستشعر CMOS TDI ذو المجال الشحني أفضل أداء.
●مراحل TDI:هذا هو عدد صفوف المستشعر التي يمكن تجميع الإشارة عبرها. كلما زادت مراحل TDI في الكاميرا، زاد وقت التعريض الفعال. أو، زادت سرعة حركة موضوع التصوير، شريطة أن يكون معدل الخط في الكاميرا كافيًا.
●معدل الخط:عدد الصفوف التي تستطيع الكاميرا قراءتها في الثانية. هذا يُحدد أقصى سرعة حركة تستطيع الكاميرا مواكبتها.
●كفاءة الكم: يشير هذا إلى حساسية الكاميرا للضوء عند أطوال موجية مختلفة، ويعتمد ذلك على احتمالية رصد فوتون ساقط وإنتاج إلكترون ضوئي. توفر الكفاءة الكمية العالية قوة إضاءة أقل، أو تشغيلًا أسرع مع الحفاظ على مستويات الإشارة نفسها.
بالإضافة إلى ذلك، تختلف الكاميرات في نطاق الطول الموجي الذي يمكن من خلاله تحقيق حساسية جيدة، حيث توفر بعض الكاميرات حساسية تصل إلى نهاية الأشعة فوق البنفسجية (UV) من الطيف، عند طول موجي يبلغ حوالي 200 نانومتر.
●قراءة الضوضاء:يُعدّ ضوضاء القراءة عاملاً هاماً آخر في حساسية الكاميرا، إذ يُحدد الحد الأدنى للإشارة التي يُمكن التقاطها فوق مستوى ضوضاء الكاميرا. مع ارتفاع ضوضاء القراءة، يتعذّر اكتشاف الملامح المظلمة، وينخفض النطاق الديناميكي بشكل كبير، مما يستدعي استخدام إضاءة أكثر سطوعاً أو أوقات تعريض أطول وسرعات حركة أبطأ.
مواصفات TDI: ما الذي يهم؟
تُستخدم كاميرات TDI حاليًا في فحص الأقمشة، وفحص الإلكترونيات والتصنيع، وغيرها من تطبيقات الرؤية الآلية. إلى جانب ذلك، تُستخدم تطبيقات الإضاءة المنخفضة الصعبة، مثل التصوير الفلوري ومسح الشرائح.
مع ذلك، مع طرح كاميرات TDI CMOS عالية السرعة، منخفضة الضوضاء، وعالية الحساسية، هناك إمكانات كبيرة لزيادة السرعة والكفاءة في التطبيقات الجديدة التي كانت تستخدم سابقًا كاميرات المسح المساحية فقط. وكما ذكرنا في بداية المقال، قد تكون كاميرات TDI الخيار الأمثل لتحقيق سرعات عالية وجودة صور عالية، سواءً لتصوير الأجسام المتحركة باستمرار، أو حيث يمكن مسح الكاميرا عبر الأجسام الثابتة.
على سبيل المثال، في تطبيق المجهر، يُمكننا مُقارنة السرعة النظرية لالتقاط الصور لكاميرا TDI بدقة 9K بكسل، و256 مرحلة، وبكسلات 5 ميكرومتر، مع كاميرا مسح مساحي بدقة 12 ميجابكسل وبكسلات 5 ميكرومتر. لننظر في التقاط صور لمساحة 10 × 10 مم بتكبير 20 ضعفًا من خلال تحريك المرحلة.
1. باستخدام عدسة 20x مع كاميرا مسح المنطقة من شأنه أن يوفر مجال رؤية تصويري يبلغ 1.02 × 0.77 ملم.
2. باستخدام كاميرا TDI، يمكن استخدام عدسة موضوعية 10x مع تكبير إضافي 2x للتغلب على أي قيود في مجال رؤية المجهر، لتوفير مجال رؤية تصوير أفقي يبلغ 2.3 مم.
٣. بافتراض تداخل ٢٪ من وحدات البكسل بين الصور لأغراض التجميع، و٠.٥ ثانية لنقل المنصة إلى موقع محدد، وزمن تعريض ١٠ مللي ثانية، يمكننا حساب الوقت الذي تستغرقه كاميرا مسح المنطقة. وبالمثل، يمكننا حساب الوقت الذي تستغرقه كاميرا TDI إذا ظلت المنصة في حركة مستمرة للمسح في اتجاه Y، بنفس زمن التعريض لكل خط.
في هذه الحالة، ستحتاج كاميرا مسح المنطقة إلى التقاط 140 صورة، مع 63 ثانية لتحريك المنصة. أما كاميرا TDI، فستلتقط 5 صور طويلة فقط، مع ثانيتين فقط لتحريك المنصة إلى العمود التالي.
5. سيكون إجمالي الوقت المستغرق في الحصول على مساحة 10 × 10 مم64.4 ثانية لكاميرا مسح المنطقة،و فقط9.9 ثانية لكاميرا TDI.
إذا كنت ترغب في معرفة ما إذا كانت كاميرا TDI قادرة على مطابقة تطبيقك وتلبية احتياجاتك، فاتصل بنا اليوم.
