25/08/08У прамысловай і навуковай візуалізацыі здымка хуткарухомых аб'ектаў ва ўмовах нізкай асветленасці ўяўляе сабой пастаянную праблему. Вось тут і прыходзяць на дапамогу камеры з інтэграцыяй часовай затрымкі (TDI). Тэхналогія TDI спалучае сінхранізацыю руху і шматразовую экспазіцыя, каб забяспечыць выключную адчувальнасць і выразнасць выявы, асабліва ва ўмовах высокай хуткасці.
Што такое TDI-камера?
TDI-камера — гэта спецыялізаваная камера з лінейным сканаваннем, якая захоплівае выявы рухомых аб'ектаў. У адрозненне ад стандартных камер з плошчавым сканаваннем, якія экспануюць увесь кадр адразу, TDI-камеры пераносяць зарад з аднаго рада пікселяў на наступны сінхранізавана з рухам аб'екта. Кожны рад пікселяў назапашвае святло па меры руху аб'екта, эфектыўна павялічваючы час экспазіцыі і ўзмацняючы сілу сігналу без размыцця пры руху.
Гэтая інтэграцыя зарада значна павялічвае суадносіны сігнал/шум (SNR), што робіць TDI-камеры ідэальнымі для выкарыстання ў высакахуткасных умовах або пры слабым асвятленні.
Як працуе TDI-камера?
Праца камеры TDI паказана на малюнку 1.
Малюнак 1: Праца датчыкаў інтэграцыі з затрымкай часу (TDI)
ЗАЎВАГА: Камеры TDI перамяшчаюць набытыя зарады па некалькіх «этапах» сінхронна з рухомым аб'ектам выявы. Кожны этап дае дадатковую магчымасць апынуцца пад уздзеяннем святла. Паказана ў выглядзе яркай літары «Т», якая рухаецца па камеры, з сегментам TDI-датчыка з 5 слупкоў на 5 этапаў. Tucsen Dhyana 9KTDI з гібрыдным рухам зарада ў стылі CCD, але паралельным счытваннем у стылі CMOS.
Камеры TDI — гэта фактычна камеры з лінейным сканаваннем, з адным важным адрозненнем: замест аднаго радка пікселяў, якія атрымліваюць дадзеныя па меры сканавання камер па аб'екце выявы, камеры TDI маюць некалькі радкоў, вядомых як «этапы», звычайна да 256.
Аднак гэтыя радкі не фарміруюць двухмерную выяву, як камера з плоскім сканаваннем. Замест гэтага, калі аб'ект сканавання рухаецца па датчыку камеры, выяўленыя фотаэлектроны ў кожным пікселі перамяшчаюцца ў наступны радок сінхронна з рухам аб'екта здымкі, яшчэ не счытваючыся. Кожны дадатковы радок дае дадатковую магчымасць асвятліць аб'ект здымкі. Толькі пасля таго, як зрэз выявы дасягае апошняга радка пікселяў датчыка, гэты радок перадаецца ў архітэктуру счытвання для вымярэння.
Такім чынам, нягледзячы на шматлікія вымярэнні, якія праводзіліся на розных этапах камеры, узнікае толькі адзін выпадак шуму счытвання камеры. 256-ступеністая TDI-камера ўтрымлівае ўзор у полі зроку ў 256 разоў даўжэй, і, такім чынам, мае ў 256 разоў большы час экспазіцыі, чым эквівалентная камера з лінейным сканаваннем. Эквівалентны час экспазіцыі з камерай з плошчавым сканаваннем прывядзе да моцнага размыцця руху, што зробіць выяву бескарыснай.
Калі можна выкарыстоўваць TDI?
Камеры TDI — выдатнае рашэнне для любой задачы візуалізацыі, дзе аб'ект здымкі рухаецца адносна камеры, пры ўмове, што рух раўнамерны па ўсёй вобласці зроку камеры.
Такім чынам, прымяненне TDI-візуалізацыі ўключае, з аднаго боку, усе віды лінейнага сканавання, дзе фармуюцца двухмерныя выявы, забяспечваючы пры гэтым большую хуткасць, значна палепшаную адчувальнасць пры слабым асвятленні, лепшую якасць выявы або ўсё тры адначасова. З іншага боку, існуе мноства метадаў візуалізацыі, якія выкарыстоўваюць камеры з плошчавым сканаваннем, дзе можна выкарыстоўваць TDI-камеры.
Для высокаадчувальнай sCMOS-матрыцы TDI можна выконваць візуалізацыю метадам «плітка-шыўка» ў біялагічнай флуарэсцэнтнай мікраскапіі з выкарыстаннем бесперапыннага сканавання прадметнага стала замест пліткавай візуалізацыі. Або ўсе TDI могуць добра падыходзіць для інспекцыйных задач. Яшчэ адным важным прымяненнем TDI з'яўляецца візуалізацыйная праточная цытаметрыя, пры якой флуарэсцэнтныя выявы клетак атрымліваюцца, калі яны праходзяць міма камеры падчас праходжання праз мікрафлюідны канал.
Плюсы і мінусы sCMOS TDI
Плюсы
● Можа здымаць двухмерныя выявы адвольнага памеру з высокай хуткасцю пры сканаванні па аб'екце выявы.
● Некалькі каскадаў TDI, нізкі ўзровень шуму і высокая эфектыўнасць квантавання могуць прывесці да значна больш высокай адчувальнасці, чым у камер лінейнага сканавання.
● Можна дасягнуць вельмі высокай хуткасці зчытвання, напрыклад, да 510 000 Гц (радкоў у секунду), для выявы шырынёй 9072 пікселя.
●Асвятленне павінна быць толькі аднамерным і не патрабуе карэкціровак плоскага поля або іншых карэкцый у другім (сканаваным) вымярэнні. Акрамя таго, больш працяглы час экспазіцыі ў параўнанні з лінейным сканаваннем можа «згладзіць» мігценне, выкліканае крыніцамі святла пераменнага току.
● Рухомыя выявы можна атрымліваць без размыцця пры руху, з высокай хуткасцю і адчувальнасцю.
●Сканаванне вялікіх плошчаў можа быць значна хутчэйшым, чым з дапамогай камер для сканавання плошчаў.
● З дапамогай пашыранага праграмнага забеспячэння або налад запуску рэжым, падобны да рэжыму сканавання плошчы, можа забяспечыць агляд сканавання плошчы для факусоўкі і выраўноўвання.
Мінусы
● Усё яшчэ большы шум, чым у звычайных sCMOS-камер, што азначае, што прымяненне ў рэжыме ультранізкай асветленасці недаступнае.
● Патрабуюцца спецыяльныя налады з пашыраным кіраваннем запускам для сінхранізацыі руху аб'екта здымкі са сканаваннем камеры, вельмі тонкае кіраванне хуткасцю руху або дакладнае прагназаванне хуткасці для забеспячэння сінхранізацыі.
● Паколькі гэта новая тэхналогія, у цяперашні час існуе няшмат рашэнняў для апаратнай і праграмнай рэалізацыі.
sCMOS TDI з магчымасцю працы ў слабым асвятленні
Нягледзячы на тое, што TDI як метад візуалізацыі апярэджвае лічбавую візуалізацыю і даўно пераўзыходзіць лінейную разгортку па прадукцыйнасці, толькі ў апошнія некалькі гадоў камеры TDI набылі адчувальнасць, неабходную для працы ў умовах нізкай асветленасці, якія звычайна патрабуюць адчувальнасці навуковага ўзроўню.sCMOS-камеры.
«sCMOS TDI» спалучае рух зарадаў па матрыцы ў стылі CCD са счытваннем у стылі sCMOS, прычым даступныя матрыцы з задняй падсветкай. Папярэднія камеры TDI на аснове CCD або выключна CMOS* мелі значна павольнейшае счытванне, меншую колькасць пікселяў, меншую колькасць каскадаў і шум счытвання ад 30e да >100e. У адрозненне ад гэтага, sCMOS TDI, такія як Tucsen...sCMOS-камера Dhyana 9KTDIпрапануе шум чытання 7,2e- ў спалучэнні з больш высокай квантавай эфектыўнасцю дзякуючы задняй падсветцы, што дазваляе выкарыстоўваць TDI ў прымяненнях са значна меншым узроўнем асветленасці, чым гэта было магчыма раней.
У многіх выпадках больш працяглы час экспазіцыі, які забяспечваецца працэсам TDI, можа з лішкам кампенсаваць павелічэнне шуму чытання ў параўнанні з высакаякаснымі sCMOS-камерамі з узроўнем шуму чытання, блізкім да 1e-.
Агульныя сферы прымянення камер TDI
Камеры TDI выкарыстоўваюцца ў многіх галінах прамысловасці, дзе дакладнасць і хуткасць маюць аднолькава важнае значэнне:
● Праверка паўправадніковых пласцін
● Тэставанне плоскіх дысплеяў (FPD)
● Інспекцыя рулоннай паперы (папера, плёнка, фальга, тэкстыль)
● Рэнтгенаўскае сканаванне ў медыцынскай дыягностыцы або для праверкі багажу
● Сканіраванне слайдаў і шматлункавых пласцін у лічбавай паталогіі
● Гіперспектральная візуалізацыя ў дыстанцыйным зандзіраванні або сельскай гаспадарцы
● Праверка друкаваных плат і электронікі на лініях паверхневага мантажу
Гэтыя праграмы атрымліваюць выгаду ад палепшанай кантраснасці, хуткасці і выразнасці, якія забяспечвае візуалізацыя TDI ва ўмовах рэальных абмежаванняў.
Прыклад: Сканіраванне слайдаў і шматлункавых пласцін
Як ужо згадвалася, адным з перспектыўных прымяненняў sCMOS TDI-камер з'яўляецца сшыванне выяваў, у тым ліку сканаванне слайдаў або шматлункавых пласцін. Сканаванне вялікіх узораў флуарэсцэнтнай або светлапольнай мікраскапіі з дапамогай двухмерных плошчавых камер абапіраецца на сшыванне сеткі выяваў, сфарміраваных з некалькіх рухаў XY-стацыянарнага мікраскопа. Кожная выява патрабуе, каб стацыянарны стол спыніўся, стабілізаваўся, а затым перазапусціўся, разам з любой затрымкай рухомага затвора. TDI, з іншага боку, можа атрымліваць выявы падчас руху стала. Затым выява фарміруецца з невялікай колькасці доўгіх «палосак», кожная з якіх пакрывае ўсю шырыню ўзору. Гэта патэнцыйна можа прывесці да значна большай хуткасці збору дадзеных і прапускной здольнасці дадзеных ва ўсіх прыкладаннях сшывання, у залежнасці ад умоў візуалізацыі.
Хуткасць, з якой можа рухацца стол, адваротна прапарцыйная агульнаму часу экспазіцыі камеры TDI, таму кароткі час экспазіцыі (1-20 мс) забяспечвае найбольшае паляпшэнне хуткасці візуалізацыі ў параўнанні з камерамі з плошчавым сканаваннем, што можа прывесці да скарачэння агульнага часу здымкі на парадак або больш. Пры больш працяглых часах экспазіцыі (напрыклад, > 100 мс) плошчавае сканаванне звычайна захоўвае перавагу ў часе.
На малюнку 2 паказаны прыклад вельмі вялікага (2 гігапікселі) выявы, атрыманай з дапамогай флуарэсцэнтнай мікраскапіі ўсяго за дзесяць секунд. Эквівалентная выява, атрыманая з дапамогай камеры плошчавага сканавання, можа атрымацься за некалькі хвілін.
Малюнак 2: 2-гігапіксельнае выява, сфарміраванае за 10 секунд з дапамогай TDI-сканавання і сшывання
ЗАЎВАГА: Здымак з 10-кратным павелічэннем, атрыманы з дапамогай флуарэсцэнтнай мікраскапіі з дапамогай маркера Tucsen Dhyana 9kTDI. Атрымана за 10 секунд з экспазіцыяй 3,6 мс. Памеры выявы: 30 мм х 17 мм, 58 000 х 34 160 пікселяў.
Сінхранізацыя TDI
Сінхранізацыя TDI-камеры з аб'ектам здымкі (з дакладнасцю да некалькіх працэнтаў) мае важнае значэнне — разыходжанне хуткасцей прывядзе да эфекту «размыцця руху». Гэтую сінхранізацыю можна ажыццявіць двума спосабамі:
ПрагназуемыХуткасць камеры ўсталёўваецца ў адпаведнасці з хуткасцю руху на аснове ведаў аб хуткасці руху ўзору, оптыцы (павелічэнні) і памеры пікселя камеры. Або метадам спроб і памылак.
СпрацоўваеМногія мікраскопы, партатыўныя столы і іншае абсталяванне для перамяшчэння аб'ектаў візуалізацыі могуць уключаць энкодэры, якія пасылаюць запускальны імпульс на камеру для зададзенай адлегласці перамяшчэння. Гэта дазваляе платформе/партатыўнаму столу і камеры заставацца сінхранізаванымі незалежна ад хуткасці руху.
TDI-камеры супраць камер лінейнага сканавання і камер плоскага сканавання
Вось як TDI параўноўваецца з іншымі папулярнымі тэхналогіямі візуалізацыі:
| Асаблівасць | TDI-камера | Лінейная сканавальная камера | Камера сканавання плошчы |
| Адчувальнасць | Вельмі высокі | Сярэдні | Нізкі да сярэдняга |
| Якасць выявы (рух) | Выдатна | Добра | Размыта на высокіх хуткасцях |
| Патрабаванні да асвятлення | Нізкі | Сярэдні | Высокі |
| Сумяшчальнасць з рухам | Выдатна (калі сінхранізавана) | Добра | Бедны |
| Лепш за ўсё падыходзіць для | Высокая хуткасць, нізкая асветленасць | Хуткарухомые аб'екты | Статычныя або павольныя сцэны |
TDI — відавочны выбар, калі сцэна хутка рухаецца, а ўзровень асветленасці абмежаваны. Лінейнае сканаванне — гэта крок ніжэй па адчувальнасці, у той час як плошчавае сканаванне лепш падыходзіць для простых або стацыянарных устаноўак.
Выбар правільнай камеры TDI
Пры выбары камеры TDI ўлічвайце наступнае:
● Колькасць каскадаў TDI: больш каскадаў павялічвае суадносіны сігнал/шум, але таксама павялічвае кошт і складанасць.
● Тып датчыка: sCMOS пераважней з-за хуткасці і нізкага ўзроўню шуму; CCD усё яшчэ можа падыходзіць для некаторых старых сістэм.
● Інтэрфейс: Забяспечце сумяшчальнасць з вашай сістэмай — Camera Link, CoaXPress і 10GigE з'яўляюцца распаўсюджанымі варыянтамі, 100G CoF і 40G CoF з'явіліся як новыя тэндэнцыі.
● Спектральная характарыстыка: выбірайце паміж манахромным, каляровым або блізкім інфрачырвоным (NIR) дыяпазонам у залежнасці ад патрэб прыкладання.
● Варыянты сінхранізацыі: для лепшага выраўноўвання руху звярніце ўвагу на такія функцыі, як уваходы энкодэра або падтрымка знешніх трыгераў.
Калі ваша прымяненне ўключае далікатныя біялагічныя ўзоры, высакахуткасны кантроль або асяроддзе з нізкім узроўнем асветленасці, sCMOS TDI, верагодна, падыдзе менавіта вам.
Выснова
Камеры TDI ўяўляюць сабой магутны прарыў у тэхналогіі візуалізацыі, асабліва калі яны пабудаваны на sCMOS-датчыках. Спалучаючы сінхранізацыю руху з шматлінейнай інтэграцыяй, яны забяспечваюць непераўзыдзеную адчувальнасць і выразнасць для дынамічных сцэн пры слабым асвятленні.
Незалежна ад таго, ці правяраеце вы пласціны, скануеце слайды ці выконваеце высакахуткасныя праверкі, разуменне таго, як працуе TDI, можа дапамагчы вам выбраць найлепшае рашэнне сярод...навуковыя камерыдля вашых задач з візуалізацыяй.
Часта задаваныя пытанні
Ці могуць камеры TDI працаваць у рэжыме сканавання зоны?
Камеры TDI могуць ствараць (вельмі тонкія) двухмерныя выявы ў рэжыме «плошчавага сканавання», што дасягаецца дзякуючы хітрасці сінхранізацыі датчыка. Гэта можа быць карысным для такіх задач, як факусоўка і выраўноўванне.
Каб пачаць «экспазіцыю з плошчавым сканаваннем», датчык спачатку «ачышчаецца», прасоўваючы TDI як мінімум на столькі крокаў, колькі крокаў мае камера, як мага хутчэй, а затым спыняецца. Гэта дасягаецца альбо з дапамогай праграмнага кіравання, альбо апаратнага запуску і ідэальна выконваецца ў цемры. Напрыклад, камера з 256 этапамі павінна прачытаць як мінімум 256 радкоў, а затым спыніцца. Гэтыя 256 радкоў дадзеных адкідаюцца.
Пакуль камера не спрацоўвае і радкі не зчытваюцца, датчык паводзіць сябе гэтак жа, як датчык плошчавага сканавання, які экспануе выяву.
Патрэбны час экспазіцыі павінен прайсці пры бяздзейнасці камеры, пасля чаго яна зноў павінна прасунуцца як мінімум на патрэбную колькасць этапаў, зчытваючы кожны радок толькі што атрыманага выявы. Зноў жа, ідэальна гэтая фаза «зчытвання» павінна адбывацца ў цемры.
Гэты метад можна паўтарыць, каб забяспечыць «жывы папярэдні прагляд» або паслядоўнасць малюнкаў сканавання плошчы з мінімальнымі скажэннямі і размыццём з-за аперацыі TDI.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усе правы абаронены. Пры цытаванні, калі ласка, спасылайцеся на крыніцу:www.tucsen.com
