22.07.13Інтэграцыя з часовай затрымкай (TDI) — гэта метад візуалізацыі, які з'явіўся раней за лічбавую візуалізацыю, але які ўсё яшчэ забяспечвае велізарныя перавагі на пярэднім краі візуалізацыі сёння. Існуюць дзве сітуацыі, у якіх камеры TDI могуць дасягнуць поспеху — абедзве, калі аб'ект здымкі знаходзіцца ў руху:
1 – Аб'ект візуалізацыі па сваёй сутнасці рухаецца з пастаяннай хуткасцю, як пры інспекцыі павуціння (напрыклад, сканаванні рухомых аркушаў паперы, пластыка або тканіны на наяўнасць дэфектаў і пашкоджанняў), зборачных лініях або мікрафлюідыцы і патоках вадкасці.
2 – Статычныя аб'екты візуалізацыі, якія можна адлюстроўваць камерай, што перамяшчаецца з месца ў месца, шляхам перамяшчэння аб'екта або камеры. Прыкладамі з'яўляюцца сканаванне прадметных шкла, праверка матэрыялаў, праверка плоскіх панэляў і г.д.
Калі любая з гэтых абставін можа тычыцца вашай візуалізацыі, гэтая вэб-старонка дапаможа вам разгледзець, ці можа пераход ад звычайных двухмерных камер з «плошчавым сканаваннем» да камер з лінейным сканаваннем TDI палепшыць якасць вашай візуалізацыі.
Праблема са сканаваннем зоны і рухомымі мэтамі
● Размыццё руху
Некаторыя аб'екты выявы рухаюцца па неабходнасці, напрыклад, пры праверцы патоку вадкасці або павуціння. У іншых выпадках, такіх як сканаванне слайдаў і праверка матэрыялаў, падтрыманне аб'екта ў руху можа быць значна хутчэйшым і больш эфектыўным, чым спыненне руху для кожнага атрыманага малюнка. Аднак для камер з плошчавым сканаваннем, калі аб'ект выявы рухаецца адносна камеры, гэта можа ствараць праблемы.
Размытасць руху скажае выяву рухомага транспартнага сродку
У сітуацыях з абмежаваным асвятленнем або калі патрабуецца высокая якасць выявы, можа спатрэбіцца працяглы час экспазіцыі камеры. Аднак рух аб'екта будзе распаўсюджваць святло на некалькі пікселяў камеры падчас экспазіцыі, што прывядзе да «размыцця руху». Гэта можна мінімізаваць, выкарыстоўваючы вельмі кароткія экспазіцыі — меншыя за час, неабходны кропцы на аб'екце, каб пераадолець піксель камеры. Гэта...unзвычайна за кошт цёмных, шумных, часта непрыдатных для выкарыстання малюнкаў.
●Шыццё
Акрамя таго, звычайна для візуалізацыі вялікіх або бесперапынных аб'ектаў з дапамогай камер з плошчавым сканаваннем патрабуецца атрыманне некалькіх малюнкаў, якія затым аб'ядноўваюцца. Гэта аб'яднанне патрабуе перакрыцця пікселяў паміж суседнімі малюнкамі, што зніжае эфектыўнасць і павялічвае патрабаванні да захоўвання і апрацоўкі дадзеных.
●Нераўнамернае асвятленне
Больш за тое, асвятлення рэдка бывае дастаткова роўным, каб пазбегнуць праблем і артэфактаў на межах паміж злучанымі выявамі. Акрамя таго, каб забяспечыць асвятленне дастаткова вялікай плошчы для камеры сканавання плошчы з дастатковай інтэнсіўнасцю, часта патрабуецца выкарыстанне магутных і дарагіх крыніц пастаяннага току.
Нераўнамернае асвятленне пры сшыванні некалькіх малюнкаў мозгу мышы. Выява з працы Уотсана і інш., 2017 г.: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Што такое TDI-камера і як яна дапамагае?
У звычайных двухмерных камерах з плоскім сканаваннем існуе тры фазы атрымання выявы: скід пікселяў, экспазіцыя і зчытванне. Падчас экспазіцыі выяўляюцца фатоны са сцэны, у выніку чаго ўтвараюцца фотаэлектроны, якія захоўваюцца ў пікселях камеры да канца экспазіцыі. Затым значэнні з кожнага пікселя зчытваюцца і фармуецца двухмернае выява. Затым пікселі скідаюцца, і ўсе зарады ачышчаюцца, каб пачаць наступную экспазіцыю.
Аднак, як ужо згадвалася, калі аб'ект здымкі рухаецца адносна камеры, святло ад аб'екта можа распаўсюджвацца на некалькі пікселяў падчас экспазіцыі, што прыводзіць да размыцця пры руху. Камеры TDI пераадольваюць гэтае абмежаванне з дапамогай інавацыйнай тэхнікі. Гэта паказана ў [Анімацыя 1].
●Як працуюць камеры TDI
Камеры TDI працуюць прынцыпова інакш, чым камеры з плошчавым сканаваннем. Па меры таго, як аб'ект здымкі рухаецца па камеры падчас экспазіцыі, электронныя зарады, якія складаюць атрыманы малюнак, таксама рухаюцца, застаючыся сінхранізаванымі. Падчас экспазіцыі камеры TDI здольныя перамяшчаць усе атрыманыя зарады з аднаго рада пікселяў у наступны ўздоўж камеры, сінхранізуючыся з рухам аб'екта здымкі. Па меры руху аб'екта здымкі па камеры кожны рад (вядомы як «TDI-сцэна») дае новую магчымасць для экспазіцыі камеры на аб'ект і назапашвання сігналу.
Толькі пасля таго, як радок атрыманых зарадаў дасягае канца камеры, значэнні счытваюцца і захоўваюцца ў выглядзе аднамернага зрэзу выявы. Двухмерны відарыс фарміруецца шляхам склейвання кожнага наступнага зрэзу выявы па меры іх счытвання камерай. Кожны радок пікселяў у атрыманым відарысе адсочвае і адлюстроўвае адзін і той жа «зрэз» аб'екта здымкі, гэта значыць, што, нягледзячы на рух, размыцця няма.
●У 256 разоў даўжэйшая экспазіцыя
У TDI-камерах эфектыўны час экспазіцыі выявы задаецца агульным часам, неабходным для таго, каб кропка на аб'екце прайшла праз кожны радок пікселяў, прычым на некаторых TDI-камерах даступна да 256 этапаў. Гэта азначае, што даступны час экспазіцыі фактычна ў 256 разоў большы, чым можа дасягнуць камера з плошчавым сканаваннем.
Гэта можа прывесці да аднаго з двух паляпшэнняў або да балансу паміж імі. Па-першае, можна дасягнуць значнага павелічэння хуткасці візуалізацыі. У параўнанні з камерай з плоскім сканаваннем, аб'ект візуалізацыі можа рухацца да 256 разоў хутчэй, захоўваючы пры гэтым тую ж колькасць сігналу, пры ўмове, што хуткасць перадачы дадзеных камеры дастаткова высокая, каб паспяваць за гэтым.
З іншага боку, калі патрабуецца большая адчувальнасць, большы час экспазіцыі можа дазволіць атрымаць значна больш высокую якасць малюнкаў, меншую інтэнсіўнасць асвятлення або і тое, і другое.
●Вялікая прапускная здольнасць дадзеных без зшывання
Паколькі TDI-камера стварае двухмернае выява з паслядоўных аднамерных зрэзаў, атрыманая выява можа быць любой патрэбы. У той час як колькасць пікселяў у «гарызантальным» кірунку задаецца шырынёй камеры, напрыклад, 9072 пікселі, «вертыкальны» памер выявы неабмежаваны і проста вызначаецца працягласцю працы камеры. Пры хуткасці лініі да 510 кГц гэта можа забяспечыць велізарную прапускную здольнасць дадзеных.
У спалучэнні з гэтым камеры TDI могуць прапаноўваць вельмі шырокія палі зроку. Напрыклад, камера з разрозненнем 9072 пікселяў і памерам пікселяў 5 мкм забяспечвае гарызантальнае поле зроку 45 мм з высокім разрозненнем. Каб дасягнуць такой жа шырыні выявы з дапамогай камеры з плошчай сканавання пікселяў 5 мкм, спатрэбіцца да трох камер 4K побач.
●Паляпшэнні ў параўнанні з камерамі лінейнага сканавання
Камеры TDI не толькі прапануюць паляпшэнні ў параўнанні з камерамі з плоскасным сканаваннем. Лінейныя камеры, якія захопліваюць толькі адзін радок пікселяў, таксама пакутуюць ад многіх тых жа праблем з інтэнсіўнасцю асвятлення і кароткімі вытрымкамі, што і камеры з плоскасным сканаваннем.
Нягледзячы на тое, што, як і камеры TDI, камеры лінейнага сканавання забяспечваюць больш раўнамернае асвятленне з больш простай наладай і пазбягаюць неабходнасці зшывання малюнкаў, яны часта могуць патрабаваць вельмі інтэнсіўнага асвятлення і/або павольнага руху аб'екта, каб захапіць дастаткова сігналу для атрымання высакаякаснага малюнка. Чым даўжэйшая вытрымка і большая хуткасць аб'екта, тым большая магчымасць выкарыстання асвятлення з меншай інтэнсіўнасцю і больш нізкім коштам, адначасова павышаючы эфектыўнасць візуалізацыі. Напрыклад, вытворчая лінія можа перайсці ад дарагіх галагенавых лямпаў з высокім спажываннем энергіі, якія патрабуюць харчавання пастаяннага току, да святлодыёднага асвятлення.
Як працуюць камеры TDI?
Існуюць тры агульныя стандарты таго, як дасягнуць TDI-візуалізацыі на датчыку камеры.
● ПЗС-TDI– CCD-камеры — найстарэйшы тып лічбавых камер. Дзякуючы іх электроннай канструкцыі, дасягнуць характарыстык TDI на CCD-матрыцы адносна вельмі проста, бо многія датчыкі камеры па сваёй сутнасці здольныя працаваць такім чынам. Таму TDI CCD-матрыцы выкарыстоўваюцца ўжо некалькі дзесяцігоддзяў.
Аднак тэхналогія CCD мае свае абмежаванні. Найменшы памер пікселя, які звычайна даступны для CCD TDI-камер, складае каля 12 мкм x 12 мкм — гэта, разам з невялікай колькасцю пікселяў, абмяжоўвае здольнасць камер вызначаць дробныя дэталі. Больш за тое, хуткасць збору дадзеных ніжэйшая, чым у іншых тэхналогій, а шум чытання — галоўны абмежавальны фактар пры здымцы пры слабым асвятленні — высокі. Спажыванне энергіі таксама высокае, што з'яўляецца асноўным фактарам у некаторых ужываннях. Гэта прывяло да жадання стварыць TDI-камеры на аснове архітэктуры CMOS.
●Ранні CMOS TDI: сумаванне ў вобласці напружання і лічбавае сумаванне
CMOS-камеры пераадольваюць многія абмежаванні па шуме і хуткасці, характэрныя для CCD-камер, спажываючы пры гэтым менш энергіі і прапаноўваючы меншыя памеры пікселяў. Аднак дасягнуць характарыстык TDI было значна цяжэй на CMOS-камерах з-за іх піксельнай канструкцыі. У той час як CCD-матрыцы фізічна перамяшчаюць фотаэлектроны ад пікселя да пікселя для кіравання сэнсарам, CMOS-камеры пераўтвараюць сігналы ў фотаэлектронах у напружанне ў кожным пікселі перад зчытваннем.
Паводзіны TDI на CMOS-датчыку даследуюцца з 2001 года, аднак праблема таго, як справіцца з «назапашваннем» сігналу пры пераходзе экспазіцыі з аднаго радка ў наступны, была значнай. Два раннія метады для CMOS TDI, якія дагэтуль выкарыстоўваюцца ў камерцыйных камерах, - гэта назапашванне ў вобласці напружання і лічбавае сумаванне TDI CMOS. У камерах з назапашваннем у вобласці напружання, калі кожны радок сігналу набываецца па меры праходжання аб'екта здымкі міма яго, набытае напружанне дадаецца электронным шляхам да агульнага назапашвання для гэтай часткі выявы. Назапашванне напружання такім чынам уносіць дадатковы шум для кожнага дадатковага дададзенага каскаду TDI, што абмяжоўвае перавагі дадатковых каскадаў. Праблемы з лінейнасцю таксама абцяжарваюць выкарыстанне гэтых камер для дакладных задач.
Другі метад — лічбавае сумаванне TDI. Пры гэтым метадзе CMOS-камера фактычна працуе ў рэжыме сканавання плошчы з вельмі кароткай экспазіцыяй, якая адпавядае часу, неабходнаму для перамяшчэння аб'екта здымкі па адным радку пікселяў. Але радкі з кожнага наступнага кадра сумуюцца лічбава такім чынам, што дасягаецца эфект TDI. Паколькі для кожнага радка пікселяў у атрыманым малюнку неабходна зчытваць усю камеру, гэта лічбавае складанне таксама дадае шум зчытвання для кожнага радка і абмяжоўвае хуткасць збору дадзеных.
●Сучасны стандарт: зарадава-даменная TDI CMOS або CCD-на-CMOS TDI
Вышэйзгаданыя абмежаванні CMOS TDI былі нядаўна пераадолены дзякуючы ўкараненню TDI CMOS з назапашваннем зарадавых даменаў, таксама вядомага як CCD-on-CMOS TDI. Праца гэтых датчыкаў прадэманстравана ў [анімацыі 1]. Як вынікае з назвы, гэтыя датчыкі забяспечваюць падобнае да CCD перамяшчэнне зарадаў ад аднаго пікселя да наступнага, назапашваючы сігнал на кожным этапе TDI шляхам дадання фотаэлектронаў на ўзроўні асобных зарадаў. Гэта фактычна без шуму. Аднак абмежаванні CCD TDI пераадольваюцца дзякуючы выкарыстанню архітэктуры счытвання CMOS, што дазваляе дасягнуць высокай хуткасці, нізкага ўзроўню шуму і нізкага спажывання энергіі, характэрных для CMOS-камер.
Спецыфікацыі TDI: што мае значэнне?
●Тэхналогія:Найважнейшым фактарам з'яўляецца выкарыстоўваная тэхналогія датчыка, як абмяркоўвалася вышэй. Зарадна-даменная CMOS TDI забяспечыць найлепшую прадукцыйнасць.
●Этапы TDI:Гэта колькасць радкоў датчыка, на якіх можа назапашвацца сігнал. Чым больш этапаў TDI мае камера, тым даўжэйшым можа быць яе эфектыўны час экспазіцыі. Або тым хутчэй можа рухацца аб'ект здымкі, пры ўмове, што камера мае дастатковую хуткасць перадачы ліній.
●Лінейная стаўка:Колькі радкоў камера можа прачытаць у секунду. Гэта вызначае максімальную хуткасць руху, з якой можа справіцца камера.
●Квантавая эфектыўнасцьГэта паказвае адчувальнасць камеры да святла розных даўжынь хваль, якая вызначаецца верагоднасцю выяўлення падаючага фатона і стварэння фотаэлектрона. Больш высокая квантавая эфектыўнасць можа забяспечыць меншую сілу асвятлення або больш хуткую працу пры захаванні таго ж узроўню сігналу.
Акрамя таго, камеры адрозніваюцца дыяпазонам даўжынь хваль, у якім можна дасягнуць добрай адчувальнасці, прычым некаторыя камеры прапануюць адчувальнасць аж да ультрафіялетавага (УФ) канца спектру, каля 200 нм.
●Шум чытання:Шум чытання — яшчэ адзін важны фактар адчувальнасці камеры, які вызначае мінімальны сігнал, які можна выявіць вышэй за ўзровень шуму камеры. Пры высокім узроўні шуму чытання цёмныя элементы немагчыма выявіць, а дынамічны дыяпазон значна зніжаецца, што азначае, што неабходна выкарыстоўваць больш яркае асвятленне або больш працяглы час экспазіцыі і меншую хуткасць руху.
Спецыфікацыі TDI: што мае значэнне?
У цяперашні час камеры TDI выкарыстоўваюцца для інспекцыі павуціння, інспекцыі электронікі і вытворчасці, а таксама для іншых задач машыннага зроку. Акрамя таго, існуюць складаныя прымяненні пры слабым асвятленні, такія як флуарэсцэнтная візуалізацыя і сканаванне слайдаў.
Аднак з з'яўленнем высакахуткасных, нізкашумных і высокаадчувальных TDI CMOS-камер існуе вялікі патэнцыял для павышэння хуткасці і эфектыўнасці ў новых прыкладаннях, у якіх раней выкарыстоўваліся толькі камеры з плошчавым сканаваннем. Як мы ўжо адзначалі ў пачатку артыкула, TDI-камеры могуць быць найлепшым выбарам для дасягнення высокай хуткасці і высокай якасці выявы як для здымкі аб'ектаў, якія пастаянна рухаюцца, так і для здымкі статычных аб'ектаў.
Напрыклад, у мікраскапіі мы маглі б параўнаць тэарэтычную хуткасць здымкі 9K-піксельнай TDI-камеры з 256 прадметнымі сталамі і памерам пікселяў 5 мкм з 12-мегапіксельнай камерай з плошчай сканавання і памерам пікселяў 5 мкм. Давайце разгледзім атрыманне здымкаў з плошчы 10 x 10 мм з 20-кратным павелічэннем шляхам перамяшчэння прадметнага стала.
1. Выкарыстанне аб'ектыва з 20-кратным павелічэннем разам з камерай сканавання плошчай паверхні забяспечыць поле зроку візуалізацыі 1,02 x 0,77 мм.
2. З дапамогай камеры TDI можна выкарыстоўваць 10-кратны аб'ектыў з 2-кратным дадатковым павелічэннем, каб пераадолець любыя абмежаванні поля зроку мікраскопа і забяспечыць гарызантальнае поле зроку 2,3 мм.
3. Калі выказаць здагадку, што перакрыццё пікселяў паміж выявамі для сшывання складае 2%, што перамяшчэнне стала ў зададзенае месца займае 0,5 секунды, а час экспазіцыі — 10 мс, можна вылічыць час, які спатрэбіцца камеры для сканавання плошчы. Аналагічна, можна вылічыць час, які спатрэбіцца камеры TDI, калі стала пастаянна рухаецца для сканавання ў напрамку Y з аднолькавым часам экспазіцыі на радок.
4. У гэтым выпадку камера сканавання плошчай патрабавала б атрымання 140 здымкаў, прычым на перамяшчэнне платформы спатрэбілася б 63 секунды. Камера TDI атрымала б толькі 5 доўгіх здымкаў, прычым на перамяшчэнне платформы да наступнай калоны спатрэбілася б толькі 2 секунды.
5. Агульны час, затрачаны на атрыманне плошчы 10 х 10 мм, складзе64,4 секунды для камеры сканавання плошчы,і проста9,9 секунды для камеры TDI.
Калі вы хочаце даведацца, ці падыдзе камера TDI для вашага прымянення і задаволіць вашыя патрэбы, звяжыцеся з намі сёння.
