25/08/08في التصوير الصناعي والعلمي، يُمثل تصوير الأجسام سريعة الحركة في ظروف الإضاءة المنخفضة تحديًا مستمرًا. وهنا يأتي دور كاميرات دمج التأخير الزمني (TDI). تجمع تقنية TDI بين مزامنة الحركة والتعريضات المتعددة لتوفير حساسية ووضوح استثنائيين للصورة، خاصةً في البيئات عالية السرعة.
ما هي كاميرا TDI؟
كاميرا TDI هي كاميرا متخصصة بمسح خطي، تلتقط صورًا للأجسام المتحركة. بخلاف كاميرات المسح المساحية القياسية التي تعرض إطارًا كاملًا دفعةً واحدة، تنقل كاميرات TDI الشحنة من صف من البكسلات إلى التالي بالتزامن مع حركة الجسم. يتراكم الضوء في كل صف من البكسلات مع حركة الجسم، مما يزيد من وقت التعرض ويعزز قوة الإشارة دون التسبب في ضبابية الحركة.
يعمل تكامل الشحن هذا على تعزيز نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) بشكل كبير، مما يجعل كاميرات TDI مثالية للتطبيقات عالية السرعة أو منخفضة الإضاءة.
كيف تعمل كاميرا TDI؟
يتم توضيح عملية تشغيل كاميرا TDI في الشكل 1.
الشكل 1: تشغيل أجهزة استشعار تكامل التأخير الزمني (TDI)
ملحوظة: تُحرّك كاميرات TDI الشحنات المُكتسبة عبر مراحل مُتعددة بالتزامن مع موضوع التصوير المُتحرك. تُتيح كل مرحلة فرصة إضافية للتعرض للضوء. يُوضّح ذلك من خلال حرف "T" ساطع يتحرك عبر الكاميرا، مع مقطع من 5 أعمدة و5 مراحل لمستشعر TDI. Tucsen Dhyana 9KTDI مع حركة شحن هجينة بنمط CCD وقراءة متوازية بنمط CMOS.
كاميرات TDI هي في الواقع كاميرات مسح خطي، مع تمييز مهم واحد: بدلاً من صف واحد من وحدات البكسل التي تكتسب 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 ككاميرا مسح المنطقة. بل، عندما يتحرك موضوع التصوير الممسوح ضوئيًا عبر مستشعر الكاميرا، تنتقل الإلكترونات الضوئية المكتشفة داخل كل بكسل إلى الصف التالي بالتزامن مع حركة موضوع التصوير، دون أن تُقرأ بعد. يُتيح كل صف إضافي فرصة إضافية لتعريض موضوع التصوير للضوء. بمجرد وصول شريحة الصورة إلى الصف الأخير من بكسلات المستشعر، يُمرر هذا الصف إلى بنية القراءة للقياس.
لذا، على الرغم من إجراء قياسات متعددة عبر مراحل الكاميرا، لا يُسجّل سوى حالة واحدة من تشويش قراءة الكاميرا. تُبقي كاميرا TDI ذات 256 مرحلة العينة في مجال الرؤية لمدة أطول بـ 256 مرة، وبالتالي يكون وقت تعريضها أطول بـ 256 مرة من كاميرا المسح الخطي المكافئة. سيؤدي وقت تعريض مكافئ مع كاميرا مسح مساحي إلى ضبابية حركة شديدة، مما يجعل الصورة عديمة الفائدة.
متى يمكن استخدام TDI؟
تمثل كاميرات TDI حلاً ممتازًا لأي تطبيق تصوير حيث يكون موضوع التصوير متحركًا بالنسبة للكاميرا، بشرط أن تكون الحركة موحدة عبر رؤية الكاميرا.
لذلك، تشمل تطبيقات تصوير TDI، من جهة، جميع تطبيقات المسح الخطي التي تُكوّن صورًا ثنائية الأبعاد، مع توفير سرعات أعلى، وحساسية مُحسّنة للضوء المنخفض، وجودة صورة أفضل، أو كل هذه الميزات مجتمعةً. من جهة أخرى، هناك العديد من تقنيات التصوير التي تستخدم كاميرات مسح المنطقة حيث يُمكن استخدام كاميرات TDI.
بالنسبة لمجهر sCMOS TDI عالي الحساسية، يُمكن إجراء تصوير "البلاط والغرز" في المجهر الفلوري البيولوجي باستخدام مسح مستمر للمنصة بدلاً من التبليط. أو يُمكن استخدام جميع مجاهر TDI في تطبيقات الفحص. ومن التطبيقات المهمة الأخرى لمجاهر TDI قياس التدفق الخلوي بالتصوير، حيث تُلتقط صور فلورية للخلايا أثناء مرورها أمام كاميرا أثناء تدفقها عبر قناة ميكروفلويدية.
إيجابيات وسلبيات sCMOS TDI
الايجابيات
● يمكن التقاط صور ثنائية الأبعاد ذات حجم عشوائي بسرعة عالية عند المسح عبر موضوع التصوير.
● يمكن أن تؤدي مراحل TDI المتعددة والضوضاء المنخفضة وكفاءة الجودة العالية إلى حساسية أعلى بشكل كبير من كاميرات المسح الخطي.
● يمكن تحقيق سرعات قراءة عالية للغاية، على سبيل المثال، تصل إلى 510,000 هرتز (خطوط في الثانية)، لصورة بعرض 9,072 بكسل.
●الإضاءة أحادية البعد فقط، ولا تتطلب أي تصحيحات في المجال المسطح أو أي تصحيحات أخرى في البعد الثاني (الممسوح ضوئيًا). بالإضافة إلى ذلك، فإن فترات التعرض الأطول، مقارنةً بالمسح الخطي، تُخفف من الوميض الناتج عن مصادر ضوء التيار المتردد.
● يمكن التقاط الصور المتحركة دون ضبابية الحركة وبسرعة وحساسية عالية.
●يمكن أن يكون مسح المناطق الكبيرة أسرع بكثير من كاميرات مسح المنطقة.
● باستخدام برامج متقدمة أو إعدادات تشغيل، يمكن أن يوفر وضع "يشبه مسح المنطقة" نظرة عامة على مسح المنطقة للتركيز والمحاذاة.
سلبيات
● لا تزال الضوضاء أعلى من كاميرات sCMOS التقليدية، مما يعني أن التطبيقات ذات الإضاءة المنخفضة للغاية تكون بعيدة عن متناول الكاميرات.
● يتطلب إعدادات متخصصة مع تشغيل متقدم لمزامنة حركة موضوع التصوير مع مسح الكاميرا، والتحكم الدقيق للغاية في سرعة الحركة، أو التنبؤ الدقيق بالسرعة لتمكين المزامنة.
● باعتبارها تقنية جديدة، لا يوجد حاليًا سوى عدد قليل من الحلول لتطبيقها على الأجهزة والبرامج.
sCMOS TDI القادرة على الإضاءة المنخفضة
في حين أن تقنية TDI للتصوير سبقت التصوير الرقمي، وتجاوزت منذ فترة طويلة المسح الخطي في الأداء، إلا أنه في السنوات القليلة الماضية فقط اكتسبت كاميرات TDI الحساسية المطلوبة للوصول إلى تطبيقات الإضاءة المنخفضة التي تتطلب عادةً حساسية الدرجة العلمية.كاميرات sCMOS.
يجمع sCMOS TDI بين حركة الشحنات عبر المستشعر على غرار CCD وقراءة sCMOS، مع توفر مستشعرات بإضاءة خلفية. كانت كاميرات TDI السابقة القائمة على CCD أو CMOS فقط* تتميز بقراءة أبطأ بكثير، وعدد بكسلات أقل، ومراحل أقل، وضوضاء قراءة تتراوح بين 30e و>100e. على النقيض من ذلك، فإن sCMOS TDI مثل Tucsenكاميرا Dhyana 9KTDI sCMOSتقدم ضوضاء قراءة تبلغ 7.2e-، جنبًا إلى جنب مع كفاءة كمية أعلى من خلال الإضاءة الخلفية، مما يتيح استخدام TDI في تطبيقات مستوى الضوء المنخفض بشكل كبير مما كان ممكنًا في السابق.
في العديد من التطبيقات، يمكن لأوقات التعرض الأطول التي تتيحها عملية TDI أن تعوض أكثر من الزيادة في ضوضاء القراءة مقارنة بكاميرات المسح الضوئي عالية الجودة sCMOS مع ضوضاء قراءة قريبة من 1e-.
التطبيقات الشائعة لكاميرات TDI
تُستخدم كاميرات TDI في العديد من الصناعات حيث تكون الدقة والسرعة على نفس القدر من الأهمية:
● فحص رقاقة أشباه الموصلات
● اختبار شاشة العرض المسطحة (FPD)
● فحص الويب (الورق والأفلام والرقائق والمنسوجات)
● المسح بالأشعة السينية في التشخيص الطبي أو فحص الأمتعة
● مسح الشرائح واللوحات متعددة الآبار في علم الأمراض الرقمي
● التصوير الطيفي الفائق في الاستشعار عن بعد أو الزراعة
● فحص PCB والإلكترونيات في خطوط SMT
تستفيد هذه التطبيقات من التباين المعزز والسرعة والوضوح الذي توفره تقنية التصوير TDI في ظل القيود الواقعية.
مثال: مسح الشرائح واللوحات متعددة الآبار
كما ذُكر سابقًا، يُعدّ دمج الصور أحد التطبيقات الواعدة لكاميرات sCMOS TDI، بما في ذلك مسح الشرائح أو الصفائح متعددة الآبار. يعتمد مسح عينات المجهر الفلوري أو المجهر الضوئي كبير الحجم باستخدام كاميرات ثنائية الأبعاد على دمج شبكة من الصور تتكون من حركات متعددة لمنصة المجهر XY. تتطلب كل صورة توقف المنصة واستقرارها ثم إعادة تشغيلها، مع أي تأخير في دوران الغالق. من ناحية أخرى، يمكن لكاميرات TDI التقاط الصور أثناء حركة المنصة. ثم تُكوّن الصورة من عدد صغير من "الشرائط" الطويلة، يغطي كل منها عرض العينة بالكامل. يمكن أن يؤدي هذا إلى سرعات التقاط أعلى بكثير ومعدل نقل بيانات أعلى في جميع تطبيقات الدمج، حسب ظروف التصوير.
تتناسب سرعة حركة المنصة عكسيًا مع إجمالي زمن التعريض لكاميرا TDI، لذا تُوفر أوقات التعريض القصيرة (1-20 مللي ثانية) أفضل تحسين في سرعة التصوير مقارنةً بكاميرات المسح المساحي، مما قد يؤدي إلى انخفاض كبير في زمن الاستحواذ الإجمالي. أما بالنسبة لأوقات التعريض الأطول (مثلاً > 100 مللي ثانية)، فعادةً ما يحتفظ المسح المساحي بميزة زمنية.
يظهر في الشكل 2 مثال لصورة مجهرية فلورية كبيرة جدًا (2 جيجا بكسل) تم تكوينها في عشر ثوانٍ فقط. ومن المتوقع أن تستغرق الصورة المكافئة التي تم تكوينها باستخدام كاميرا مسح المنطقة ما يصل إلى عدة دقائق.
الشكل 2: صورة بدقة 2 جيجا بكسل تم تشكيلها في 10 ثوانٍ من خلال مسح TDI والخياطة
ملحوظة: صورة مُكبَّرة ١٠ مرات باستخدام جهاز Tucsen Dhyana 9kTDI لنقاط قلم التمييز، مُشاهدة بمجهر فلورسنتي. التُقطت في ١٠ ثوانٍ بزمن تعريض ٣.٦ مللي ثانية. أبعاد الصورة: ٣٠ مم × ١٧ مم، ٥٨٠٠٠ × ٣٤١٦٠ بكسل.
مزامنة TDI
مزامنة كاميرا TDI مع موضوع التصوير (بنسبة ضئيلة) ضرورية، إذ يؤدي عدم تطابق السرعة إلى تأثير "ضبابية الحركة". يمكن إجراء هذه المزامنة 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 تشغيلهيمكن أن تتضمن العديد من منصات المجهر والرافعات وغيرها من المعدات المخصصة لنقل الأجسام المصورة أجهزة ترميز تُرسل نبضة تحفيز إلى الكاميرا لمسافة حركة محددة. هذا يسمح للمنصة/الرافعة والكاميرا بالتزامن بغض النظر عن سرعة الحركة.
كاميرات TDI مقابل كاميرات المسح الخطي وكاميرات المسح المساحية
فيما يلي كيفية مقارنة TDI بتقنيات التصوير الشائعة الأخرى:
| ميزة | كاميرا TDI | كاميرا المسح الخطي | كاميرا مسح المنطقة |
| حساسية | عالية جدًا | 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 | الأشياء سريعة الحركة | المشاهد الثابتة أو البطيئة |
يُعدّ TDI الخيار الأمثل عند حركة المشهد بسرعة ومستويات الإضاءة محدودة. يُخفّض مسح الخطّ الحساسية، بينما يُعدّ مسح المنطقة أفضل للإعدادات البسيطة أو الثابتة.
اختيار كاميرا TDI المناسبة
عند اختيار كاميرا TDI، ضع ما يلي في الاعتبار:
● عدد مراحل TDI: تؤدي زيادة المراحل إلى زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، ولكن أيضًا إلى زيادة التكلفة والتعقيد.
● نوع المستشعر: يُفضل استخدام sCMOS نظرًا لسرعته وانخفاض مستوى الضوضاء؛ وقد يكون CCD مناسبًا لبعض الأنظمة القديمة.
● الواجهة: تأكد من التوافق مع نظامك - تعد Camera Link وCoaXPress و10GigE خيارات شائعة، كما ظهرت 100G CoF و40G CoF كتوجهات جديدة.
● الاستجابة الطيفية: اختر بين أحادي اللون، أو الملون، أو الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) استنادًا إلى 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 تفتيش عالي السرعة، أو بيئات ذات إضاءة منخفضة، فمن المرجح أن يكون sCMOS TDI هو الخيار المناسب.
خاتمة
تُمثل كاميرات TDI تطورًا جذريًا في تكنولوجيا التصوير، خاصةً عند استخدامها مع مستشعرات sCMOS. بفضل دمج مزامنة الحركة مع التكامل متعدد الخطوط، توفر هذه الكاميرات حساسية ووضوحًا لا مثيل لهما للمشاهد الديناميكية منخفضة الإضاءة.
سواء كنت تقوم بفحص الرقائق أو مسح الشرائح أو إجراء عمليات تفتيش عالية السرعة، فإن فهم كيفية عمل TDI يمكن أن يساعدك في اختيار الحل الأفضل من بينالكاميرات العلميةلتحديات التصوير الخاصة بك.
التعليمات
هل يمكن لكاميرات TDI العمل في وضع مسح المنطقة؟
تستطيع كاميرات TDI إنشاء صور ثنائية الأبعاد (رفيعة جدًا) بتقنية مسح المنطقة، وذلك من خلال خدعة توقيت المستشعر. وهذا مفيد لمهام مثل التركيز والمحاذاة.
لبدء "مسح المنطقة"، يُمسح المستشعر أولاً بتحريك مؤشر TDI بخطوات مساوية لعدد مراحل الكاميرا، بأسرع ما يمكن، ثم التوقف. يتم ذلك إما من خلال التحكم البرمجي أو التشغيل الآلي، ويُفضل إجراؤه في الظلام. على سبيل المثال، يجب أن تقرأ كاميرا ذات 256 مرحلة 256 سطرًا على الأقل، ثم تتوقف. يتم تجاهل هذه الـ 256 سطرًا من البيانات.
في حين لا يتم تشغيل الكاميرا أو قراءة الخطوط، يتصرف المستشعر تمامًا مثل مستشعر مسح المنطقة الذي يعرض صورة.
يجب أن ينقضي وقت التعريض المطلوب والكاميرا في وضع الخمول، قبل تحريك الكاميرا مرة أخرى بنفس عدد المراحل، لقراءة كل سطر من الصورة الملتقطة. ومن الأفضل أن تتم هذه المرحلة في الظلام.
يمكن تكرار هذه التقنية لتوفير "معاينة مباشرة" أو سلسلة من صور مسح المنطقة مع الحد الأدنى من التشويه والضبابية من عملية TDI.
جميع الحقوق محفوظة لشركة توكسين فوتونيكس المحدودة. يُرجى ذكر المصدر عند الاقتباس.www.tucsen.com
