30/09/2025في مجال التصوير الصناعي والعلمي، يُمثل التقاط صور للأجسام سريعة الحركة في ظروف الإضاءة المنخفضة تحديًا مستمرًا. وهنا يأتي دور كاميرات تكامل التأخير الزمني (TDI). تجمع تقنية TDI بين مزامنة الحركة والتعريضات المتعددة لتقديم حساسية استثنائية ووضوح صورة فائق، خاصة في البيئات عالية السرعة.
ما هي كاميرا TDI؟
كاميرا TDI هي كاميرا متخصصة تعمل بتقنية المسح الخطي، وتلتقط صورًا للأجسام المتحركة. على عكس كاميرات المسح المساحي القياسية التي تعرض الإطار بأكمله دفعة واحدة، تقوم كاميرات TDI بنقل الشحنة من صف بكسل إلى آخر بالتزامن مع حركة الجسم. يتراكم الضوء في كل صف بكسل مع حركة الجسم، مما يزيد من زمن التعريض ويعزز قوة الإشارة دون إحداث تشويش ناتج عن الحركة.
يعمل هذا التكامل للشحنة بشكل كبير على تعزيز نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، مما يجعل كاميرات TDI مثالية للتطبيقات عالية السرعة أو تطبيقات الإضاءة المنخفضة.
كيف تعمل كاميرا TDI؟
يوضح الشكل طريقة عمل كاميرا TDI.
ملحوظة:تقوم كاميرات TDI بتحريك الشحنات المُلتقطة عبر مراحل متعددة بالتزامن مع حركة الهدف المراد تصويره. توفر كل مرحلة فرصة إضافية للتعرض للضوء. يوضح ذلك حرف "T" ساطع يتحرك عبر الكاميرا، مع جزء من مستشعر TDI مكون من 5 أعمدة و5 مراحل. كاميرا Tucsen Dhyana 9KTDI مزودة بحركة شحنة هجينة على غرار CCD وقراءة متوازية على غرار CMOS.
كاميرات TDI هي في الواقع كاميرات مسح خطي، مع وجود فرق مهم واحد: فبدلاً من صف واحد من البكسلات التي تلتقط البيانات أثناء مسح الكاميرات عبر موضوع التصوير، تحتوي كاميرات TDI على صفوف متعددة، تُعرف باسم "المراحل"، تصل عادةً إلى 256.
مع ذلك، لا تُشكّل هذه الصفوف صورة ثنائية الأبعاد كما في كاميرا المسح المساحي. فبدلاً من ذلك، عندما يتحرك الجسم المراد تصويره عبر مستشعر الكاميرا، تنتقل الإلكترونات الضوئية المُكتشفة داخل كل بكسل إلى الصف التالي بالتزامن مع حركة الجسم، دون أن تُقرأ بعد. يوفر كل صف إضافي فرصة أخرى لتعريض الجسم للضوء. وعندما تصل شريحة الصورة إلى الصف الأخير من بكسلات المستشعر، يُمرر هذا الصف إلى بنية القراءة للقياس.
وبالتالي، على الرغم من إجراء قياسات متعددة عبر مراحل الكاميرا، لا يظهر سوى ضوضاء قراءة واحدة. تحافظ كاميرا TDI ذات 256 مرحلة على العينة في مجال الرؤية لمدة أطول بـ 256 مرة، وبالتالي يكون زمن التعريض أطول بـ 256 مرة من كاميرا المسح الخطي المكافئة. أما زمن التعريض المكافئ مع كاميرا المسح المساحي فسيؤدي إلى ضبابية حركة شديدة، مما يجعل الصورة غير قابلة للاستخدام.
متى يمكن استخدام TDI؟
تُعد كاميرات TDI حلاً ممتازاً لأي تطبيق تصوير يكون فيه موضوع التصوير متحركاً بالنسبة للكاميرا، بشرط أن تكون هذه الحركة موحدة عبر مجال رؤية الكاميرا.
لذا، تشمل تطبيقات التصوير بتقنية TDI، من جهة، جميع تطبيقات المسح الخطي التي تُشكّل صورًا ثنائية الأبعاد، مع توفير سرعات أعلى، وحساسية محسّنة بشكل كبير في الإضاءة المنخفضة، وجودة صورة أفضل، أو كل هذه الميزات مجتمعة. ومن جهة أخرى، هناك العديد من تقنيات التصوير التي تستخدم كاميرات المسح المساحي، حيث يمكن استخدام كاميرات TDI.
للحصول على صور عالية الحساسية بتقنية التصوير الزمني المتزامن (TDI) باستخدام مستشعر sCMOS، يمكن إجراء تصوير "التجانب والدمج" في المجهر الفلوري البيولوجي باستخدام مسح متواصل للمنصة بدلاً من التجانب. كما أن تقنية TDI مناسبة تمامًا لتطبيقات الفحص. ومن التطبيقات المهمة الأخرى لتقنية TDI تصوير قياس التدفق الخلوي، حيث يتم الحصول على صور فلورية للخلايا أثناء مرورها أمام الكاميرا وتدفقها عبر قناة ميكروفلويدية.
مزايا وعيوب تقنية sCMOS TDI
الإيجابيات
● يمكنه التقاط صور ثنائية الأبعاد بأحجام عشوائية وبسرعة عالية عند المسح الضوئي لموضوع التصوير.
● يمكن أن تؤدي مراحل TDI المتعددة والضوضاء المنخفضة وكفاءة الكم العالية إلى حساسية أعلى بكثير من كاميرات المسح الخطي.
● يمكن تحقيق سرعات قراءة عالية جدًا، على سبيل المثال، تصل إلى 510000 هرتز (خطوط في الثانية)، لصورة بعرض 9072 بكسل.
● يكفي أن يكون الإضاءة أحادية البعد، وقد لا تتطلب تصحيحات المجال المسطح أو غيرها في البعد الثاني (الممسوح ضوئيًا). إضافةً إلى ذلك، يمكن لأوقات التعريض الأطول مقارنةً بالمسح الخطي أن تُخفف من الوميض الناتج عن مصادر الإضاءة المترددة.
● يمكن التقاط الصور المتحركة بدون تشويش الحركة وبسرعة وحساسية عاليتين.
● يمكن أن يكون مسح المناطق الكبيرة أسرع بكثير من كاميرات مسح المناطق.
● باستخدام البرامج المتقدمة أو إعدادات التشغيل، يمكن أن يوفر وضع "المسح الضوئي للمنطقة" نظرة عامة على المسح الضوئي للمنطقة من أجل التركيز والمحاذاة.
السلبيات
● لا تزال نسبة الضوضاء أعلى من كاميرات sCMOS التقليدية، مما يعني أن تطبيقات الإضاءة المنخفضة للغاية غير متاحة.
● يتطلب إعدادات متخصصة مع تشغيل متقدم لمزامنة حركة موضوع التصوير مع مسح الكاميرا، وتحكم دقيق للغاية في سرعة الحركة، أو تنبؤ دقيق بالسرعة لتمكين المزامنة.
● باعتبارها تقنية جديدة، لا توجد حاليًا سوى حلول قليلة لتنفيذ الأجهزة والبرامج.
مستشعر sCMOS TDI قادر على التصوير في الإضاءة المنخفضة
على الرغم من أن تقنية التصوير TDI تسبق التصوير الرقمي، وتفوقت منذ زمن طويل على تقنية المسح الخطي من حيث الأداء، إلا أن كاميرات TDI لم تكتسب الحساسية المطلوبة للوصول إلى تطبيقات الإضاءة المنخفضة التي تتطلب عادةً حساسية من الدرجة العلمية إلا في السنوات القليلة الماضية.كاميرات sCMOS.
تجمع تقنية sCMOS TDI بين حركة الشحنات عبر المستشعر على غرار تقنية CCD وقراءة البيانات على غرار تقنية sCMOS، مع توفر مستشعرات بإضاءة خلفية. كانت كاميرات TDI السابقة القائمة على تقنية CCD أو CMOS* تعاني من بطء شديد في القراءة، وعدد أقل من البكسلات، وعدد مراحل أقل، وضوضاء قراءة تتراوح بين 30 إلكترونًا وأكثر من 100 إلكترون. في المقابل، تتميز كاميرات sCMOS TDI مثل Tucsenكاميرا ديانا 9KTDI sCMOSيوفر ضوضاء قراءة تبلغ 7.2 إلكترون، بالإضافة إلى كفاءة كمية أعلى من خلال الإضاءة الخلفية، مما يتيح استخدام TDI في تطبيقات ذات مستوى إضاءة أقل بكثير مما كان ممكنًا سابقًا.
في العديد من التطبيقات، يمكن لأوقات التعريض الأطول التي تتيحها عملية TDI أن تعوض بشكل أكبر عن الزيادة في ضوضاء القراءة مقارنة بكاميرات المسح الضوئي sCMOS عالية الجودة ذات ضوضاء قراءة قريبة من 1e-.
الاستخدامات الشائعة لكاميرات TDI
تُستخدم كاميرات TDI في العديد من الصناعات التي تُعد فيها الدقة والسرعة على حد سواء أمراً بالغ الأهمية:
●فحص رقائق أشباه الموصلات
●شاشة عرض مسطحة(FPD)الاختبار
● فحص الويب(ورق، فيلم، رقائق معدنية، منسوجات)
● التصوير بالأشعة السينية في التشخيص الطبي أو فحص الأمتعة
● مسح الشرائح والصفائح متعددة الآبار في علم الأمراض الرقمي
● التصوير الطيفي الفائق في الاستشعار عن بعد أو الزراعة
● فحص لوحات الدوائر المطبوعة والإلكترونيات في خطوط التجميع السطحي
تستفيد هذه التطبيقات من التباين المحسن والسرعة والوضوح الذي يوفره التصوير بتقنية TDI في ظل قيود العالم الحقيقي.
مثال: مسح الشرائح واللوحات متعددة الآبار
كما ذكرنا، يُعدّ دمج الصور أحد التطبيقات الواعدة لكاميرات sCMOS TDI، بما في ذلك مسح الشرائح أو الألواح متعددة الآبار. يعتمد مسح عينات المجهر الفلوري أو المجهر ذي المجال المضيء الكبيرة باستخدام كاميرات ثنائية الأبعاد على دمج شبكة من الصور الناتجة عن حركات متعددة لمنصة مجهر XY. تتطلب كل صورة توقف المنصة واستقرارها ثم إعادة تشغيلها، بالإضافة إلى أي تأخير في الغالق الدوار. من ناحية أخرى، تستطيع تقنية TDI التقاط الصور أثناء حركة المنصة. تتكون الصورة بعد ذلك من عدد قليل من "الشرائح" الطويلة، تغطي كل منها عرض العينة بالكامل. قد يؤدي هذا إلى سرعات التقاط أعلى بكثير وإنتاجية بيانات أكبر في جميع تطبيقات دمج الصور، وذلك بحسب ظروف التصوير.
تتناسب سرعة حركة المنصة عكسيًا مع زمن التعريض الكلي لكاميرا TDI، لذا فإن أزمنة التعريض القصيرة (1-20 مللي ثانية) تُحسّن سرعة التصوير بشكل ملحوظ مقارنةً بكاميرات المسح المساحي، مما قد يُؤدي إلى تقليل زمن الالتقاط الكلي بمقدار عشرة أضعاف أو أكثر. أما في حالة أزمنة التعريض الطويلة (أكثر من 100 مللي ثانية مثلاً)، فعادةً ما يحتفظ المسح المساحي بميزة زمنية.
يُظهر الشكل مثالاً على صورة مجهرية فلورية كبيرة جدًا (2 جيجابكسل) تم التقاطها في غضون عشر ثوانٍ فقط. ومن المتوقع أن تستغرق صورة مماثلة تم التقاطها باستخدام كاميرا مسح مساحي عدة دقائق.
ملحوظة:صورة مكبرة ١٠ أضعاف، تم التقاطها باستخدام جهاز Tucsen Dhyana 9kTDI، لنقاط قلم التظليل، تم فحصها بالمجهر الفلوري. تم التقاطها في ١٠ ثوانٍ باستخدام زمن تعريض ٣.٦ مللي ثانية. أبعاد الصورة: ٣٠ مم × ١٧ مم، ٥٨٠٠٠ × ٣٤١٦٠ بكسل.
مزامنة TDI
يُعدّ تزامن كاميرا التصوير الزمني مع الهدف المراد تصويره (بنسبة خطأ لا تتجاوز بضعة بالمئة) أمرًا بالغ الأهمية، إذ يؤدي عدم تطابق السرعة إلى ظهور تأثير "ضبابية الحركة". ويمكن تحقيق هذا التزامن بطريقتين:
تنبؤي:يتم ضبط سرعة الكاميرا لتتوافق مع سرعة الحركة بناءً على معرفة سرعة حركة العينة، والبصريات (التكبير)، وحجم بكسل الكاميرا. أو عن طريق التجربة والخطأ.
تم التفعيل:تتضمن العديد من منصات المجهر، والرافعات، وغيرها من المعدات المستخدمة لتحريك الأجسام المراد تصويرها، أجهزة تشفير ترسل نبضة تحفيزية إلى الكاميرا عند بلوغ مسافة حركة محددة. وهذا يسمح للمنصة/الرافعة والكاميرا بالبقاء متزامنتين بغض النظر عن سرعة الحركة.
كاميرات TDI مقابل كاميرات المسح الخطي وكاميرات المسح المساحي
إليك كيفية مقارنة تقنية التصوير بالتصوير المقطعي المحوسب (TDI) بتقنيات التصوير الشائعة الأخرى:
| ميزة | كاميرات TDI | كاميرا المسح الخطي | كاميرا المسح المساحي |
| حساسية | مرتفع جداً | واسطة | منخفض إلى متوسط |
| جودة الصورة (الحركة) | ممتاز | جيد | ضبابية عند السرعات العالية |
| متطلبات الإضاءة | قليل | واسطة | عالي |
| توافق الحركة | ممتاز (إذا كان متزامنًا) | جيد | فقير |
| الأفضل لـ | سرعة عالية، إضاءة منخفضة | الأجسام سريعة الحركة | مشاهد ثابتة أو بطيئة |
يُعدّ وضع TDI الخيار الأمثل عندما يكون المشهد سريع الحركة ومستويات الإضاءة محدودة. أما وضع المسح الخطي فهو أقل حساسية، بينما يُعدّ وضع المسح المساحي أفضل للإعدادات البسيطة أو الثابتة.
اختيار كاميرا TDI المناسبة
عند اختيار كاميرا TDI، ضع في اعتبارك ما يلي:
●عدد مراحل TDI:تؤدي المراحل الإضافية إلى زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء، ولكنها تزيد أيضًا من التكلفة والتعقيد.
●نوع المستشعر:يفضل استخدام تقنية sCMOS لسرعتها وانخفاض مستوى الضوضاء فيها؛ وقد تظل تقنية CCD مناسبة لبعض الأنظمة القديمة.
●واجهة المستخدم:تأكد من التوافق مع نظامك - تعتبر Camera Link و CoaXPress و 10GigE خيارات شائعة، بينما ظهرت 100G CoF و 40G CoF كاتجاهات جديدة.
●الاستجابة الطيفية:اختر بين الألوان الأحادية أو الملونة أو الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) بناءً على احتياجات التطبيق.
●خيارات المزامنة:ابحث عن ميزات مثل مدخلات التشفير أو دعم المشغل الخارجي لتحسين محاذاة الحركة.
إذا كان تطبيقك يتضمن عينات بيولوجية حساسة، أو فحصًا عالي السرعة، أو بيئات ذات إضاءة منخفضة، فمن المرجح أن يكون sCMOS TDI هو الخيار الأمثل.
خاتمة
تمثل كاميرات TDI تطوراً هائلاً في تكنولوجيا التصوير، لا سيما عند اعتمادها على مستشعرات sCMOS. فمن خلال الجمع بين مزامنة الحركة والتكامل متعدد الخطوط، توفر هذه الكاميرات حساسية ووضوحاً لا مثيل لهما في المشاهد الديناميكية ذات الإضاءة المنخفضة.
سواء كنت تفحص الرقائق، أو تمسح الشرائح ضوئيًا، أو تجري عمليات فحص عالية السرعة، فإن فهم كيفية عمل تقنية TDI يمكن أن يساعدك في اختيار الحل الأمثل من بين الحلول المتاحة.الكاميرات العلميةلتحديات التصوير الخاصة بك.
التعليمات
هل يمكن لكاميرات TDI العمل في وضع المسح المساحي؟
تستطيع كاميرات TDI إنشاء صور ثنائية الأبعاد (رقيقة جدًا) في وضع يشبه مسح المنطقة، وذلك من خلال تقنية توقيت المستشعر. وهذا مفيد لمهام مثل التركيز والمحاذاة.
لبدء عملية "التعريض الضوئي للمسح المساحي"، يتم أولاً "مسح" المستشعر عن طريق تحريك مؤشر TDI بمقدار خطوات لا تقل عن عدد مراحل الكاميرا، بأسرع ما يمكن، ثم إيقافه. يتم ذلك إما عن طريق التحكم البرمجي أو التشغيل المادي، ويُفضل إجراؤه في الظلام. على سبيل المثال، يجب على كاميرا ذات 256 مرحلة قراءة 256 سطرًا على الأقل، ثم تتوقف. يتم تجاهل هذه الأسطر الـ 256 من البيانات.
بينما لا يتم تشغيل الكاميرا أو قراءة الخطوط، يتصرف المستشعر تمامًا مثل مستشعر المسح المساحي الذي يعرض صورة.
ينبغي بعد ذلك انقضاء وقت التعريض المطلوب مع بقاء الكاميرا في وضع الخمول، قبل تحريك الكاميرا مرة أخرى بعدد مراحلها على الأقل، وقراءة كل سطر من الصورة الملتقطة. ومرة أخرى، من الأفضل أن تتم مرحلة "القراءة" هذه في الظلام.
يمكن تكرار هذه التقنية لتوفير "معاينة مباشرة" أو سلسلة من صور مسح المنطقة بأقل قدر من التشوه والضبابية الناتجة عن عملية TDI.
جميع الحقوق محفوظة لشركة توسن فوتونيكس المحدودة. عند الاستشهاد، يرجى ذكر المصدر.www.tucsen.com
