2022/07/13تقنية تكامل التأخير الزمني (TDI) هي تقنية تصوير أقدم من التصوير الرقمي، لكنها لا تزال توفر مزايا هائلة في أحدث تقنيات التصوير اليوم. تتألق كاميرات TDI في حالتين: الأولى عندما يكون الهدف المراد تصويره متحركاً.
1- يكون موضوع التصوير بطبيعته في حالة حركة بسرعة ثابتة، كما هو الحال في فحص الويب (مثل مسح الأوراق المتحركة أو البلاستيك أو القماش بحثًا عن العيوب والأضرار)، أو خطوط التجميع، أو الموائع الدقيقة وتدفقات السوائل.
٢- تصوير الأجسام الثابتة التي يمكن تصويرها بكاميرا متحركة من منطقة إلى أخرى، إما بتحريك الجسم نفسه أو الكاميرا. ومن الأمثلة على ذلك مسح الشرائح المجهرية، وفحص المواد، وفحص الشاشات المسطحة، وما إلى ذلك.
إذا كان أي من هذين الظرفين ينطبق على التصوير الخاص بك، فستساعدك صفحة الويب هذه على التفكير فيما إذا كان التحول من كاميرات "مسح المنطقة" ثنائية الأبعاد التقليدية إلى كاميرات Line Scan TDI قد يمنح التصوير الخاص بك دفعة.
مشكلة المسح المساحي والأهداف المتحركة
● ضبابية الحركة
تتطلب بعض المواد المراد تصويرها الحركة، كما هو الحال في تصوير تدفق السوائل أو فحص المواد. وفي تطبيقات أخرى، مثل مسح الشرائح وفحص المواد، يُعدّ إبقاء المادة في حالة حركة أسرع وأكثر كفاءة من تثبيتها لكل صورة ملتقطة. مع ذلك، بالنسبة لكاميرات المسح المساحي، قد يُمثّل تحرك المادة المراد تصويرها بالنسبة للكاميرا تحديًا.
ضبابية الحركة تشوه صورة مركبة متحركة
في حالات الإضاءة المحدودة أو عند الحاجة إلى جودة صورة عالية، قد يكون من المرغوب فيه استخدام وقت تعريض طويل للكاميرا. مع ذلك، فإن حركة الجسم ستؤدي إلى انتشار الضوء على عدة بكسلات في الكاميرا أثناء التعريض، مما ينتج عنه "ضبابية الحركة". يمكن تقليل هذا التأثير عن طريق إبقاء أوقات التعريض قصيرة جدًا - أقل من الوقت الذي تستغرقه نقطة على الجسم لقطع مسافة بكسل واحد في الكاميرا. هذا هوunعادة ما يكون ذلك على حساب صور داكنة ومشوشة وغير قابلة للاستخدام في كثير من الأحيان.
●الخياطة
بالإضافة إلى ذلك، يتطلب تصوير الأجسام الكبيرة أو المتواصلة باستخدام كاميرات المسح المساحي عادةً التقاط صور متعددة، ثم دمجها معًا. ويتطلب هذا الدمج تداخلًا في وحدات البكسل بين الصور المتجاورة، مما يقلل الكفاءة ويزيد من متطلبات تخزين البيانات ومعالجتها.
●إضاءة غير متساوية
علاوة على ذلك، نادراً ما تكون الإضاءة متساوية بما يكفي لتجنب المشاكل والتشوهات عند حدود الصور المدمجة. كما أن توفير إضاءة كافية على مساحة واسعة لكاميرا المسح الضوئي يتطلب غالباً استخدام مصادر ضوء تيار مستمر عالية الطاقة والتكلفة.
تفاوت الإضاءة في عملية دمج صور متعددة لدماغ فأر. الصورة مأخوذة من واتسون وآخرون، 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
ما هي كاميرا TDI، وكيف تساعد؟
في كاميرات المسح الضوئي ثنائية الأبعاد التقليدية، تمر عملية التقاط الصورة بثلاث مراحل: إعادة ضبط البكسل، والتعريض، والقراءة. خلال التعريض، تُكتشف الفوتونات من المشهد، مما ينتج عنه إلكترونات ضوئية تُخزن في بكسلات الكاميرا حتى نهاية التعريض. ثم تُقرأ قيم كل بكسل، وتتكون صورة ثنائية الأبعاد. بعد ذلك، تُعاد ضبط البكسلات وتُفرغ جميع الشحنات لبدء التعريض التالي.
مع ذلك، وكما ذُكر، إذا كان الجسم المراد تصويره يتحرك بالنسبة للكاميرا، فقد ينتشر الضوء الصادر منه على عدة بكسلات أثناء التعريض، مما يؤدي إلى ضبابية الحركة. تتغلب كاميرات TDI على هذا القيد باستخدام تقنية مبتكرة، كما هو موضح في [الرسوم المتحركة 1].
●كيف تعمل كاميرات TDI
تعمل كاميرات TDI بطريقة مختلفة تمامًا عن كاميرات المسح المساحي. فمع تحرك الجسم المراد تصويره أمام الكاميرا أثناء التعريض، تتحرك الشحنات الإلكترونية المكونة للصورة الملتقطة أيضًا، مع الحفاظ على تزامنها. وخلال التعريض، تستطيع كاميرات TDI نقل جميع الشحنات الملتقطة من صف بكسل إلى آخر على طول الكاميرا، بالتزامن مع حركة الجسم المراد تصويره. ومع تحرك الجسم أمام الكاميرا، يوفر كل صف (يُعرف باسم "مرحلة TDI") فرصة جديدة لتعريض الكاميرا للجسم، وتجميع الإشارة.
بمجرد وصول صف من الشحنات المُلتقطة إلى نهاية الكاميرا، تُقرأ القيم وتُخزن كشريحة أحادية البعد من الصورة. تتشكل الصورة ثنائية الأبعاد من خلال دمج كل شريحة متتالية من الصورة أثناء قراءة الكاميرا لها. يتتبع كل صف من البكسلات في الصورة الناتجة ويصور نفس "الشريحة" من الجسم المراد تصويره، مما يعني أنه على الرغم من الحركة، لا يوجد أي تشويش.
●تعريض أطول بمقدار 256 مرة
في كاميرات TDI، يُحدد زمن التعريض الفعلي للصورة بإجمالي الوقت الذي تستغرقه نقطة على الهدف لاجتياز كل صف من البكسلات، مع توفر ما يصل إلى 256 مرحلة في بعض كاميرات TDI. وهذا يعني أن زمن التعريض المتاح أكبر فعليًا بمقدار 256 مرة مما يمكن أن تحققه كاميرا المسح المساحي.
يمكن لهذا أن يحقق أحد تحسينين، أو مزيجًا من الاثنين. أولًا، يمكن تحقيق زيادة ملحوظة في سرعة التصوير. فمقارنةً بكاميرا المسح المساحي، يمكن أن يتحرك الهدف المراد تصويره بسرعة تصل إلى 256 ضعفًا 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 التعريض الأطول يمكن أن يتيح الحصول على صور بجودة أعلى بكثير، أو شدة إضاءة أقل، أو كليهما.
●معدل نقل بيانات كبير دون الحاجة إلى دمج البيانات
بما أن كاميرا TDI تُنتج صورة ثنائية الأبعاد من شرائح أحادية البعد متتالية، فإن الصورة الناتجة يمكن أن تكون بأي حجم مطلوب. 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. وبمعدلات خط تصل إلى 510 كيلوهرتز، يُمكن تحقيق إنتاجية بيانات هائلة.
إضافةً إلى ذلك، توفر كاميرات TDI مجال رؤية واسعًا جدًا. فعلى سبيل المثال، توفر كاميرا بدقة 9072 بكسل وبكسلات بحجم 5 ميكرومتر مجال رؤية أفقيًا يبلغ 45 ملم بدقة عالية. ولتحقيق نفس عرض الصورة باستخدام كاميرا مسح ضوئي بمساحة بكسل 5 ميكرومتر، سيتطلب الأمر ما يصل إلى ثلاث كاميرات بدقة 4K موضوعة جنبًا إلى جنب.
●تحسينات مقارنة بكاميرات المسح الخطي
لا تقتصر مزايا كاميرات TDI على التحسينات التي تقدمها كاميرات المسح المساحي فحسب، بل إن كاميرات المسح الخطي، التي تلتقط خطًا واحدًا فقط من البكسلات، تعاني أيضًا من العديد من المشكلات نفسها المتعلقة بشدة الإضاءة وقصر مدة التعريض التي تعاني منها كاميرات المسح المساحي.
على الرغم من أن كاميرات المسح الخطي، مثل كاميرات TDI، توفر إضاءة أكثر تجانسًا مع إعداد أبسط، وتغني عن الحاجة إلى دمج الصور، إلا أنها قد تتطلب في كثير من الأحيان إضاءة شديدة الكثافة و/أو حركة بطيئة للهدف لالتقاط إشارة كافية للحصول على صورة عالية الجودة. تتيح كاميرات TDI فترات تعريض أطول وسرعات أعلى للهدف، مما يسمح باستخدام إضاءة أقل كثافة وأقل تكلفة مع تحسين كفاءة التصوير. على سبيل المثال، قد يتمكن خط إنتاج من الانتقال من مصابيح الهالوجين عالية التكلفة واستهلاك الطاقة التي تتطلب تيارًا مستمرًا، إلى إضاءة LED.
كيف تعمل كاميرات TDI؟
هناك ثلاثة معايير شائعة لكيفية تحقيق تصوير TDI على مستشعر الكاميرا.
● CCD TDIتُعدّ كاميرات CCD أقدم أنواع الكاميرات الرقمية. وبفضل تصميمها الإلكتروني، يُعدّ تحقيق أداء TDI على مستشعر CCD أمرًا بسيطًا نسبيًا، حيث تتمتع العديد من مستشعرات الكاميرات بقدرة فطرية على العمل بهذه الطريقة. ولذلك، تُستخدم كاميرات TDI CCD منذ عقود.
مع ذلك، فإن تقنية CCD لها حدودها. يبلغ أصغر حجم بكسل متوفر عادةً لكاميرات CCD TDI حوالي 12 ميكرومتر × 12 ميكرومتر، وهذا، إلى جانب قلة عدد البكسلات، يحد من قدرة الكاميرات على إظهار التفاصيل الدقيقة. علاوة على ذلك، فإن سرعة الالتقاط أبطأ من التقنيات الأخرى، بينما يكون تشويش القراءة - وهو عامل رئيسي في تحديد جودة التصوير في الإضاءة المنخفضة - مرتفعًا. كما أن استهلاك الطاقة مرتفع أيضًا، وهو عامل مهم في بعض التطبيقات. وقد أدى ذلك إلى الرغبة في ابتكار كاميرات TDI تعتمد على بنية CMOS.
●تقنية CMOS TDI المبكرة: مجال الجهد والجمع الرقمي
تتغلب كاميرات CMOS على العديد من قيود الضوضاء والسرعة التي تعاني منها كاميرات CCD، مع استهلاك أقل للطاقة، وتوفير أحجام بكسل أصغر. ومع ذلك، كان تحقيق سلوك TDI أكثر صعوبة في كاميرات CMOS، نظرًا لتصميم البكسل الخاص بها. فبينما تقوم كاميرات CCD بتحريك الإلكترونات الضوئية فعليًا من بكسل إلى آخر لإدارة المستشعر، تقوم كاميرات CMOS بتحويل الإشارات في الإلكترونات الضوئية إلى فولتية في كل بكسل قبل قراءتها.
تم استكشاف سلوك تقنية TDI على مستشعر CMOS منذ عام 2001، إلا أن التحدي المتمثل في كيفية التعامل مع "تراكم" الإشارة أثناء انتقال التعريض من صف إلى آخر كان كبيرًا. لا تزال طريقتان مبكرتان لتقنية TDI في مستشعر CMOS مستخدمتين في الكاميرات التجارية حتى اليوم، وهما: تجميع الإشارة في مجال الجهد، وجمع الإشارة الرقمي في مستشعر TDI CMOS. في كاميرات تجميع الإشارة في مجال الجهد، عند التقاط كل صف من الإشارة أثناء مرور الجسم المراد تصويره، يُضاف الجهد الملتقط إلكترونيًا إلى إجمالي الجهد الملتقط لذلك الجزء من الصورة. يؤدي تراكم الجهود بهذه الطريقة إلى إدخال ضوضاء إضافية لكل مرحلة TDI إضافية، مما يحد من فوائد المراحل الإضافية. كما أن مشاكل الخطية تُشكل تحديًا لاستخدام هذه الكاميرات في التطبيقات الدقيقة.
الطريقة الثانية هي الجمع الرقمي TDI. في هذه الطريقة، تعمل كاميرا CMOS فعليًا في وضع المسح المساحي مع تعريض قصير جدًا يتناسب مع الوقت الذي يستغرقه الجسم المراد تصويره للتحرك عبر صف واحد من البكسلات. ولكن، تُجمع الصفوف من كل إطار متتالٍ رقميًا بطريقة تُنتج تأثير TDI. ولأن الكاميرا بأكملها يجب أن تُقرأ لكل صف من البكسلات في الصورة الناتجة، فإن هذا الجمع الرقمي يُضيف أيضًا ضوضاء القراءة لكل صف، مما يحد من سرعة الالتقاط.
●المعيار الحديث: تقنية CMOS ذات المجال الشحني TDI، أو تقنية CCD-on-CMOS TDI
تم التغلب مؤخرًا على قيود تقنية التصوير المقطعي الزمني CMOS (TDI) المذكورة أعلاه من خلال إدخال تقنية التصوير المقطعي الزمني CMOS بتراكم الشحنات في نطاق الشحنة، والمعروفة أيضًا باسم CCD-on-CMOS TDI. يوضح [الرسم المتحرك 1] آلية عمل هذه المستشعرات. وكما يوحي الاسم، توفر هذه المستشعرات حركة الشحنات من بكسل إلى آخر، على غرار تقنية CCD، حيث تتراكم الإشارة في كل مرحلة من مراحل TDI من خلال إضافة الإلكترونات الضوئية على مستوى الشحنات الفردية. وهذا يضمن خلو الصورة من التشويش بشكل فعال. ومع ذلك، يتم التغلب على قيود تقنية CCD TDI باستخدام بنية قراءة CMOS، مما يتيح السرعات العالية والتشويش المنخفض واستهلاك الطاقة المنخفض، وهي خصائص شائعة في كاميرات CMOS.
مواصفات محركات الديزل TDI: ما هو المهم؟
●تكنولوجيا:العامل الأهم هو نوع تقنية الاستشعار المستخدمة كما ذُكر سابقاً. سيُقدّم مستشعر CMOS TDI ذو نطاق الشحن أفضل أداء.
●مراحل TDI:هذا هو عدد صفوف المستشعر التي يمكن تجميع الإشارة عليها. كلما زاد عدد مراحل TDI في الكاميرا، زاد وقت التعريض الفعال. أو بعبارة أخرى، زادت سرعة حركة الهدف المراد تصويره، شريطة أن تتمتع الكاميرا بمعدل خط كافٍ.
●معدل الخط:عدد الصفوف التي تستطيع الكاميرا قراءتها في الثانية الواحدة. وهذا يحدد أقصى سرعة حركة يمكن للكاميرا مواكبتها.
●الكفاءة الكميةيشير هذا إلى حساسية الكاميرا للضوء بأطوال موجية مختلفة، وذلك بناءً على احتمالية رصد الفوتون الساقط وإنتاج إلكترون ضوئي. ويمكن أن توفر الكفاءة الكمية الأعلى شدة إضاءة أقل، أو سرعة تشغيل أعلى مع الحفاظ على نفس مستويات الإشارة.
بالإضافة إلى ذلك، تختلف الكاميرات في نطاق الطول الموجي الذي يمكن عنده تحقيق حساسية جيدة، حيث توفر بعض الكاميرات حساسية تصل إلى نهاية الأشعة فوق البنفسجية (UV) من الطيف، عند طول موجي يبلغ حوالي 200 نانومتر.
●اقرأ الضوضاء:يُعدّ تشويش القراءة العامل المهم الآخر في حساسية الكاميرا، فهو يُحدد الحد الأدنى للإشارة التي يمكن رصدها فوق مستوى تشويش الكاميرا. مع ارتفاع تشويش القراءة، يتعذر رصد المناطق المظلمة، ويقل النطاق الديناميكي بشكل كبير، مما يستلزم استخدام إضاءة أكثر سطوعًا أو أوقات تعريض أطول وسرعات حركة أبطأ.
مواصفات محركات الديزل TDI: ما هو المهم؟
تُستخدم كاميرات TDI حاليًا في فحص المواد الخام، وفحص الإلكترونيات والتصنيع، وتطبيقات الرؤية الآلية الأخرى. إلى جانب ذلك، تُستخدم في تطبيقات تتطلب ظروف إضاءة منخفضة، مثل التصوير الفلوري ومسح الشرائح.
مع ذلك، ومع ظهور كاميرات TDI CMOS عالية السرعة ومنخفضة التشويش وعالية الحساسية، تبرز إمكانات هائلة لزيادة السرعة والكفاءة في التطبيقات الجديدة التي كانت تعتمد سابقًا على كاميرات المسح المساحي فقط. وكما ذكرنا في بداية المقال، قد تكون كاميرات TDI الخيار الأمثل لتحقيق سرعات عالية وجودة صور فائقة، سواءً لتصوير الأجسام المتحركة باستمرار، أو لتصوير الأجسام الثابتة.
على سبيل المثال، في تطبيقات المجهر، يمكننا مقارنة سرعة الالتقاط النظرية لكاميرا TDI ذات 9000 بكسل و256 مرحلة وبكسلات بحجم 5 ميكرومتر، بكاميرا مسح مساحة بدقة 12 ميجابكسل وبكسلات بحجم 5 ميكرومتر. لنفترض الآن إمكانية التقاط صورة لمنطقة 10 × 10 مم بتكبير 20 ضعفًا عن طريق تحريك المنصة.
1. استخدام عدسة موضوعية 20x مع كاميرا المسح المساحي سيوفر مجال رؤية تصوير 1.02 × 0.77 مم.
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.
3. بافتراض تداخل بنسبة 2% بين البكسلات في الصور لأغراض التجميع، و0.5 ثانية لتحريك المنصة إلى موقع محدد، وزمن تعريض 10 مللي ثانية، يمكننا حساب الوقت الذي تستغرقه كاميرا المسح المساحي. وبالمثل، يمكننا حساب الوقت الذي تستغرقه كاميرا TDI إذا ظلت المنصة في حركة مستمرة للمسح في الاتجاه Y، مع نفس زمن التعريض لكل سطر.
4. في هذه الحالة، تتطلب كاميرا المسح المساحي التقاط 140 صورة، مع 63 ثانية لتحريك المنصة. أما كاميرا TDI فتلتقط 5 صور طويلة فقط، مع ثانيتين فقط لتحريك المنصة إلى العمود التالي.
5. إجمالي الوقت المستغرق في الحصول على مساحة 10 × 10 مم سيكون64.4 ثانية لكاميرا المسح المساحي،وفقط9.9 ثانية لكاميرا TDI.
إذا كنت ترغب في معرفة ما إذا كانت كاميرا TDI تناسب تطبيقك وتلبي احتياجاتك، فاتصل بنا اليوم.
