23.10.10Часавая затрымка і інтэграцыя (TDI) — гэта метад захопу выявы, пабудаваны на прынцыпе лінейнага сканавання, пры якім серыя аднамерных выяваў захопліваецца для стварэння выявы шляхам сінхранізацыі руху ўзору і захопу зрэзу выявы шляхам запуску. Нягледзячы на тое, што гэтая тэхналогія існуе ўжо некалькі дзесяцігоддзяў, яна звычайна асацыюецца з нізкаадчувальнымі прымяненнямі, такімі як праверка павуціння.
Новае пакаленне камер спалучае адчувальнасць sCMOS-трафіку з хуткасцю TDI, што дазваляе атрымаць выяву такой жа якасці, як і пры сканаванні плошчай, але з патэнцыялам для на парадкі больш высокай прапускной здольнасці. Гэта асабліва відавочна ў сітуацыях, калі патрабуецца візуалізацыя вялікіх узораў ва ўмовах нізкай асветленасці. У гэтай тэхнічнай нататцы мы апісваем, як працуе сканаванне TDI, і параўноўваем час захопу выявы з параўнальнай тэхнікай сканавання вялікай плошчы - візуалізацыяй з выкарыстаннем пліткі і шыўкоў.
Ад лінейнага сканавання да TDI
Лінейнае сканаванне — гэта метад візуалізацыі, пры якім выкарыстоўваецца адзін радок пікселяў (які называецца слупком або платформай) для атрымання зрэзу выявы падчас руху ўзору. З дапамогай электрычных механізмаў запуску здымаецца адзін «зрэз» выявы, калі ўзор праходзіць міма датчыка. Маштабуючы частату запуску камеры для захопу выявы ў адпаведнасці з рухам узору і выкарыстоўваючы захопнік кадраў для захопу гэтых выяваў, іх можна аб'яднаць для рэканструкцыі выявы.
TDI-візуалізацыя заснавана на гэтым прынцыпе захопу выявы ўзору, аднак выкарыстоўвае некалькі этапаў для павелічэння колькасці захопленых фотаэлектронаў. Па меры праходжання ўзору кожнага этапу збіраецца больш інфармацыі, якая дадаецца да існуючых фотаэлектронаў, захопленых папярэднімі этапамі, і перамешваецца падобным чынам, як і ў прыладах CCD. Па меры праходжання ўзору праз апошні этап сабраныя фотаэлектроны адпраўляюцца на счытвальнік, і інтэграваны сігнал па ўсім дыяпазоне выкарыстоўваецца для стварэння зрэзу выявы. На малюнку 1 паказаны захоп выявы на прыладзе з пяццю TDI-слупкамі (этапамі).
Малюнак 1: аніміраваны прыклад захопу выявы з выкарыстаннем тэхналогіі TDI. Узор (сіні T) прапускаецца праз прыладу захопу выявы TDI (слупок з 5 пікселяў, 5 этапаў TDI), і фотаэлектроны захопліваюцца на кожным этапе і дадаюцца да ўзроўню сігналу. Счытванне пераўтварае гэта ў лічбавы малюнак.
1a: На сцэну ўводзіцца выява (сіняя літара Т); літара Т рухаецца, як паказана на прыладзе.
1b: Калі Т праходзіць першую стадыю, TDI-камера запускаецца для прыёму фотаэлектронаў, якія захопліваюцца пікселямі, калі яны трапляюць на першую стадыю на TDI-датчыку. Кожны слупок мае серыю пікселяў, якія асобна захопліваюць фотаэлектроны.
1c: Гэтыя захопленыя фотаэлектроны перамешваюцца на другую ступень, дзе кожны слупок перамяшчае свой узровень сігналу на наступную ступень.
1d: Паралельна з рухам узору на адлегласць аднаго пікселя, на другім этапе захопліваецца другі набор фотаэлектронаў, які дадаецца да раней захопленых, павялічваючы сігнал. На этапе 1 захопліваецца новы набор фотаэлектронаў, які адпавядае наступнаму фрагменту здымкі выявы.
1e: Працэсы захопу выявы, апісаныя на этапе 1d, паўтараюцца па меры праходжання выявы міма датчыка. Гэта стварае сігнал з фотаэлектронаў з этапаў. Сігнал падаецца на счытвальнік, які пераўтварае сігнал фотаэлектронаў у лічбавы счытвальнік.
1f: Лічбавы вынік адлюстроўваецца ў выглядзе выявы па слупках. Гэта дазваляе праводзіць лічбавую рэканструкцыю выявы.
Паколькі прылада TDI здольная адначасова перадаваць фотаэлектроны з адной стадыі на наступную і захопліваць новыя фотаэлектроны з першай стадыі падчас руху ўзору, колькасць захопленых радкоў выявы можа быць фактычна бясконцай. Частата спрацоўвання, якая вызначае колькасць разоў захопу выявы (мал. 1a), можа складаць парадак сотняў кГц.
У прыкладзе, паказаным на малюнку 2, прадметнае шкло памерам 29 х 17 мм было зроблена за 10,1 секунды з дапамогай 5-мікроннай TDI-камеры. Нават пры значных узроўнях павелічэння ўзровень размыцця мінімальны. Гэта з'яўляецца велізарным крокам наперад у параўнанні з папярэднімі пакаленнямі гэтай тэхналогіі.
Для атрымання дадатковай інфармацыі ў Табліцы 1 паказаны тыповы час візуалізацыі для серыі распаўсюджаных памераў узораў пры павелічэнні 10, 20 і 40 разоў.
Малюнак 2: Выява флуарэсцэнтнага ўзору, атрыманая з дапамогай Tucsen 9kTDI. Экспазіцыя 10 мс, час здымкі 10,1 с.
Табліца 1: Матрыца часу захопу розных памераў узораў (секунды) з выкарыстаннем камеры Tucsen 9kTDI на матарызаваным стале Zaber серыі MVR пры павелічэнні 10, 20 і 40 x для часу экспазіцыі 1 і 10 мс.
Візуалізацыя зоны сканавання
Плошчавая сканіроўка ў sCMOS-камерах прадугледжвае адначасовую фіксацыю ўсяго малюнка з выкарыстаннем двухмернага масіва пікселяў. Кожны піксель захоплівае святло, пераўтвараючы яго ў электрычныя сігналы для неадкладнай апрацоўкі і фарміравання поўнага малюнка з высокім разрозненнем і хуткасцю. Памер малюнка, які можна атрымаць за адну экспазіцыя, вызначаецца памерам пікселя, павелічэннем і колькасцю пікселяў у масіве на (1)
Для стандартнага масіва поле зроку задаецца як (2)
У выпадках, калі ўзор занадта вялікі для поля зроку камеры, выяву можна пабудаваць, падзяліўшы яе на сетку выяваў памерам з поле зроку. Захоп гэтых выяваў адбываецца па пэўным шаблоне: стол перамяшчаецца ў пэўнае становішча на сетцы, стабілізуецца, а затым адбываецца захоп выявы. У камерах з рухомым затворам ёсць дадатковы час чакання, пакуль затвор круціцца. Гэтыя выявы можна атрымаць, змяніўшы становішча камеры і злучыўшы іх разам. На малюнку 3 паказана вялікая выява чалавечай клеткі пад флуарэсцэнтнай мікраскапіяй, якая атрымала шляхам злучэння 16 меншых выяваў.
Малюнак 3: Слайд, на якім відаць клетка чалавека, знятая камерай павярхоўнага сканавання з выкарыстаннем тэхналогіі пліткавага і шывовага сканавання.
Увогуле, для вырашэння большай колькасці дэталяў спатрэбіцца стварыць больш малюнкаў і аб'яднаць іх такім чынам. Адным з рашэнняў гэтай праблемы з'яўляецца выкарыстаннесканаванне камерай вялікага фармату, які мае вялікія датчыкі з вялікай колькасцю пікселяў у спалучэнні са спецыялізаванай оптыкай, што дазваляе захопліваць большую колькасць дэталяў.
Параўнанне паміж TDI і сканаваннем па плошчы (Tile & Stitch)
Для сканавання вялікіх плошчаў узораў падыходзяць як сканаванне Tile & Stitch, так і сканаванне TDI, аднак, выбраўшы найлепшы метад, можна значна скараціць час, неабходны для сканавання ўзору. Гэтая эканомія часу дасягаецца здольнасцю сканавання TDI фіксаваць рухомы ўзор, ліквідуючы затрымкі, звязаныя з усталяваннем століка і часам прасоўвання засаўкі, якія ўзнікаюць пры сканаванні Tile & Stitch.
На малюнку 4 параўноўваюцца прыпынкі (зялёныя) і рухі (чорныя лініі), неабходныя для атрымання выявы клеткі чалавека пры сканаванні з выкарыстаннем схемы пліткі і шыўкоў (злева) і сканаванні з выкарыстаннем тэхналогіі TDI (справа). Выключыўшы неабходнасць прыпынку і перабудовы выявы пры сканаванні з выкарыстаннем тэхналогіі TDI, можна значна скараціць час атрымання выявы пры ўмове нізкай экспазіцыі <100 мс.
У табліцы 2 паказаны прапрацаваны прыклад сканавання паміж 9k TDI і стандартнай sCMOS-камерай.
Малюнак 4: Сканіруючы матыў захопу чалавечай клеткі пад флуарэсцэнцыяй, які паказвае візуалізацыю пліткай і шыўком (злева) і TDI (справа).
Табліца 2: Параўнанне сканавання плошчы і візуалізацыі TDI для ўзору памерам 15 x 15 мм з аб'ектывам 10x і часам экспазіцыі 10 мс.
Нягледзячы на тое, што TDI прапануе фантастычны патэнцыял для павелічэння хуткасці захопу выявы, у выкарыстанні гэтай тэхналогіі ёсць свае нюансы. Пры высокіх часах экспазіцыі (>100 мс) значнасць часу, страчанага на перамяшчэнне і ўсталёўку паверхні сканавання, змяншаецца ў параўнанні з часам экспазіцыі. У такіх выпадках камеры паверхні сканавання могуць прапаноўваць скарочаны час сканавання ў параўнанні з візуалізацыяй TDI. Каб даведацца, ці можа тэхналогія TDI прапанаваць вам перавагі ў параўнанні з вашай бягучай устаноўкай,звяжыцеся з намідля калькулятара параўнання.
Іншыя прыкладання
Многія даследчыя пытанні патрабуюць больш інфармацыі, чым аднаго малюнка, напрыклад, шматканальнае або шматфакуснае атрыманне малюнкаў.
Шматканальная візуалізацыя ў камеры з плоскасным сканаваннем прадугледжвае адначасовую здымку малюнкаў з выкарыстаннем некалькіх даўжынь хваль. Гэтыя каналы звычайна адпавядаюць розным даўжыням хваль святла, такім як чырвоны, зялёны і сіні. Кожны канал захоплівае пэўную даўжыню хвалі або спектральную інфармацыю са сцэны. Затым камера аб'ядноўвае гэтыя каналы для стварэння паўнакаляровага або мультыспектральнага малюнка, забяспечваючы больш поўнае ўяўленне аб сцэне з выразнымі спектральнымі дэталямі. У камерах з плоскасным сканаваннем гэта дасягаецца дыскрэтнай экспазіцыяй, аднак пры візуалізацыі з TDI для падзелу датчыка на некалькі частак можна выкарыстоўваць раздзяляльнік. Падзел 9kTDI (45 мм) на 3 датчыкі памерам 15,0 мм усё роўна будзе большым, чым стандартны датчык (шырыня пікселя 6,5 мкм, 2048 пікселяў) шырынёй 13,3 мм. Больш за тое, паколькі TDI патрабуе асвятлення толькі той часткі ўзору, якая візуалізуецца, сканаванне можна выконваць хутчэй.
Яшчэ адна вобласць, дзе гэта можа мець месца, — гэта шматфакусная візуалізацыя. Шматфакусная візуалізацыя ў камерах з плошчавым сканаваннем прадугледжвае захоп некалькіх малюнкаў на розных адлегласцях фокусу і іх змешванне для стварэння кампазітнага малюнка, на якім уся сцэна знаходзіцца ў рэзкім фокусе. Пры гэтым розныя адлегласці ў сцэне апрацоўваюцца шляхам аналізу і аб'яднання абласцей фокусу з кожнага малюнка, што прыводзіць да больш падрабязнага прадстаўлення выявы. Зноў жа, з дапамогайраздзяляльнікКаб падзяліць датчык TDI на дзве (22,5 мм) або тры (15,0 мм) часткі, можна атрымаць мультыфакусную выяву хутчэй, чым пры эквівалентным сканаванні па плошчы. Аднак для мультыфакуснай выявы больш высокага парадку (z-стэкі 6 або больш) сканаванне па плошчы, верагодна, застанецца самым хуткім метадам візуалізацыі.
Высновы
У гэтай тэхнічнай запісцы акрэслены адрозненні паміж сканаваннем па плошчы і тэхналогіяй TDI для сканавання вялікіх плошчаў. Аб'ядноўваючы лінейнае сканаванне і адчувальнасць sCMOS, TDI дасягае хуткай і якаснай візуалізацыі без перапынкаў, пераўзыходзячы традыцыйныя метады сканавання па плошчы, такія як пліткавае і шыўковае разбіванне. Ацаніце перавагі выкарыстання нашага онлайн-калькулятара, улічваючы розныя здагадкі, выкладзеныя ў гэтым дакуменце. TDI з'яўляецца магутным інструментам для эфектыўнай візуалізацыі з вялікім патэнцыялам для скарачэння часу візуалізацыі як пры стандартных, так і пры перадавых метадах візуалізацыі.Калі вы хочаце даведацца, ці падыдзе камера TDI або камера для сканавання паверхні для вашага прымянення і ці палепшыць час здымкі, звяжыцеся з намі сёння.
