22.07.13 г.Интегрирането на времево закъснение (TDI) е техника за изображения, която предшества цифровото изображение, но все още предоставя огромни предимства на върха на изображенията днес. Има две обстоятелства, при които TDI камерите могат да се справят отлично – и двете, когато обектът на заснемане е в движение:
1 – Обектът на изобразяване по своята същност се движи с постоянна скорост, както при инспекция на мрежа (като сканиране на движещи се листове хартия, пластмаса или плат за дефекти и повреди), монтажни линии или микрофлуидика и флуидни потоци.
2 – Статични изображения на обекти, които могат да бъдат заснети с камера, преместена от зона на зона, чрез преместване на обекта или на камерата. Примери за това са сканиране на предметни стъкла, инспекция на материали, инспекция на плоски панели и др.
Ако някое от тези обстоятелства може да се отнася за вашите изображения, тази уеб страница ще ви помогне да прецените дали преминаването от конвенционални двуизмерни камери с „площно сканиране“ към линейно сканиращи TDI камери може да подобри качеството на вашите изображения.
Проблемът с Area-Scan и движещите се цели
● Размазване от движение
Някои обекти на изображения се движат по необходимост, например при инспекция на флуиден поток или мрежа. В други приложения, като сканиране на диапозитиви и инспекция на материали, поддържането на обекта в движение може да бъде значително по-бързо и по-ефективно от спирането на движението за всяко получено изображение. Въпреки това, за камерите с площно сканиране, ако обектът на изображението се движи спрямо камерата, това може да представлява предизвикателство.
Размазване от движение, изкривяващо изображение на движещо се превозно средство
В ситуации с ограничено осветление или където се изисква високо качество на изображението, може да е желателно дълго време на експозиция на камерата. Движението на обекта обаче ще разпространи светлината си върху множество пиксели на камерата по време на експозицията, което ще доведе до „размазване от движение“. Това може да се сведе до минимум, като експозициите се поддържат много кратки – под времето, необходимо на точка от обекта да премине през пиксел на камерата. Това е...unобикновено за сметка на тъмни, шумни, често неизползваеми изображения.
●Шиене
Освен това, обикновено заснемането на големи или непрекъснати обекти с камери за сканиране на площ изисква заснемане на множество изображения, които след това се сглобяват. Това сглобяване изисква припокриващи се пиксели между съседни изображения, което намалява ефективността и увеличава изискванията за съхранение и обработка на данни.
●Неравномерно осветление
Нещо повече, осветлението рядко ще бъде достатъчно равномерно, за да се избегнат проблеми и артефакти по границите между слепените изображения. Също така, за да се осигури осветление върху достатъчно голяма площ за камерата за сканиране на площ с достатъчен интензитет, често се изисква използването на мощни и скъпи източници на постоянен ток.
Неравномерно осветление при зашиване на множество изображения на мозък на мишка. Изображение от Уотсън и др. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Какво е TDI камера и как помага?
В конвенционалните двуизмерни камери за сканиране на площ има три фази на получаване на изображение: нулиране на пикселите, експозиция и отчитане. По време на експозицията се откриват фотони от сцената, което води до фотоелектрони, които се съхраняват в пикселите на камерата до края на експозицията. След това стойностите от всеки пиксел се отчитат и се формира двуизмерно изображение. След това пикселите се нулират и всички заряди се изчистват, за да започне следващата експозиция.
Както бе споменато обаче, ако обектът на заснемане се движи спрямо камерата, светлината от обекта може да се разпространи върху множество пиксели по време на тази експозиция, което води до размазване от движение. TDI камерите преодоляват това ограничение, използвайки иновативна техника. Това е демонстрирано в [Анимация 1].
●Как работят TDI камерите
TDI камерите работят по коренно различен начин от камерите с площно сканиране. Докато обектът на снимане се движи през камерата по време на експозицията, електронните заряди, съставляващи полученото изображение, също се движат, оставайки синхронно. По време на експозицията TDI камерите са способни да разместват всички придобити заряди от един ред пиксели към следващия, по протежение на камерата, синхронизирано с движението на обекта на снимане. Докато обектът се движи през камерата, всеки ред (известен като „TDI сцена“) предоставя нова възможност за експониране на камерата към обекта и натрупване на сигнал.
След като редица от придобити заряди достигне края на камерата, едва тогава стойностите се отчитат и съхраняват като едноизмерен сегмент от изображението. Двуизмерното изображение се формира чрез слепване на всеки следващ сегмент от изображението, докато камерата го отчита. Всеки ред пиксели в полученото изображение проследява и изобразява един и същ „секция“ от обекта на заснемане, което означава, че въпреки движението, няма размазване.
●256 пъти по-дълга експозиция
При TDI камерите ефективното време на експозиция на изображението се определя от общото време, необходимо на точка от обекта да премине през всеки ред пиксели, като при някои TDI камери са налични до 256 етапа. Това означава, че наличното време на експозиция е ефективно 256 пъти по-голямо от това, което може да постигне камера с площно сканиране.
Това може да доведе до едно от две подобрения или до баланс между двете. Първо, може да се постигне значително увеличение на скоростта на заснемане. В сравнение с камера за сканиране на площ, обектът на заснемане може да се движи до 256 пъти по-бързо, като същевременно улавя същото количество сигнал, при условие че линейната скорост на камерата е достатъчно бърза, за да се справи с това.
От друга страна, ако е необходима по-голяма чувствителност, по-дългото време на експозиция може да позволи получаване на изображения с много по-високо качество, по-нисък интензитет на осветление или и двете.
●Голям пропусквателен капацитет на данни без сливане
Тъй като TDI камерата създава двуизмерно изображение от последователни едноизмерни срезове, полученото изображение може да бъде с произволен размер. Докато броят на пикселите в „хоризонталната“ посока се определя от ширината на камерата, например 9072 пиксела, „вертикалният“ размер на изображението е неограничен и се определя просто от това колко дълго работи камерата. С честота на линията до 510kHz, това може да осигури огромен капацитет за пренос на данни.
В комбинация с това, TDI камерите могат да предложат много широки зрителни полета. Например, камера с 9072 пиксела и 5µm пиксели осигурява хоризонтално зрително поле от 45 мм с висока резолюция. За да се постигне същата ширина на изображението с камера за сканиране с площ на пиксела 5µm, биха били необходими до три 4K камери една до друга.
●Подобрения спрямо линейните сканиращи камери
TDI камерите не предлагат само подобрения в сравнение с камерите с площно сканиране. Линейните камери, които заснемат само един ред пиксели, също страдат от много от същите проблеми с интензитета на осветлението и кратките експозиции като камерите с площно сканиране.
Въпреки че подобно на TDI камерите, линейните камери предлагат по-равномерно осветление с по-проста настройка и избягват необходимостта от слепване на изображения, те често могат да изискват много интензивно осветление и/или бавно движение на обекта, за да уловят достатъчно сигнал за висококачествено изображение. По-дългите експозиции и по-бързите скорости на обекта, които TDI камерите позволяват, означават, че може да се използва по-нискоинтензивно и по-евтино осветление, като същевременно се подобрява ефективността на изображенията. Например, производствена линия може да премине от скъпи халогенни лампи с висока консумация на енергия, изискващи постояннотоково захранване, към LED осветление.
Как работят TDI камерите?
Съществуват три общи стандарта за постигане на TDI изображения на сензор на камера.
● CCD TDI– CCD камерите са най-старият тип цифрови фотоапарати. Поради електронния им дизайн, постигането на TDI поведение на CCD е сравнително много лесно, като много сензори на камерите по своята същност са способни да работят по този начин. Следователно TDI CCD-тата се използват от десетилетия.
CCD технологията обаче има своите ограничения. Най-малкият размер на пиксела, обикновено достъпен за CCD TDI камери, е около 12µm x 12µm – това, заедно с малкия брой пиксели, ограничава способността на камерите да разрешават фини детайли. Нещо повече, скоростта на заснемане е по-ниска от другите технологии, докато шумът при четене – основен ограничаващ фактор при изображения при слаба светлина – е висок. Консумацията на енергия също е висока, което е основен фактор в някои приложения. Това доведе до желанието за създаване на TDI камери, базирани на CMOS архитектура.
●Ранен CMOS TDI: Сумиране в напреженов домейн и цифрово сумиране
CMOS камерите преодоляват много от ограниченията по отношение на шума и скоростта на CCD камерите, като същевременно използват по-малко енергия и предлагат по-малки размери на пикселите. Въпреки това, TDI поведението е много по-трудно за постигане при CMOS камерите поради техния пикселен дизайн. Докато CCD-тата физически преместват фотоелектроните от пиксел на пиксел, за да управляват сензора, CMOS камерите преобразуват сигналите във фотоелектроните в напрежения във всеки пиксел, преди да бъдат отчетени.
Поведението на TDI върху CMOS сензор се изследва от 2001 г. насам, но предизвикателството как да се справи с „натрупването“ на сигнала, когато експозицията се движи от един ред към следващия, беше значително. Два ранни метода за CMOS TDI, които все още се използват в търговските камери днес, са натрупване на напрежение в домейн и цифрово сумиране на TDI CMOS. В камерите с натрупване на напрежение в домейн, когато всеки ред сигнал се придобива, докато обектът на заснемане се движи покрай него, придобитото напрежение се добавя електронно към общото придобито напрежение за тази част от изображението. Натрупването на напрежения по този начин въвежда допълнителен шум за всеки добавен TDI етап, ограничавайки предимствата на допълнителните етапи. Проблеми с линейността също така затрудняват използването на тези камери за прецизни приложения.
Вторият метод е цифрово сумиране на TDI. При този метод CMOS камерата работи ефективно в режим на сканиране на площ с много кратка експозиция, съобразена с времето, необходимо на обекта на изображението да се премести през един ред пиксели. Редовете от всеки следващ кадър обаче се сумират цифрово по такъв начин, че да се получи TDI ефект. Тъй като цялата камера трябва да бъде прочетена за всеки ред пиксели в полученото изображение, това цифрово сумиране добавя и шума от четенето за всеки ред и ограничава скоростта на събиране на данни.
●Съвременният стандарт: TDI CMOS с домен на заряд или CCD-върху CMOS TDI
Ограниченията на CMOS TDI сензорите, посочени по-горе, бяха преодолени наскоро чрез въвеждането на TDI CMOS сензори с натрупване на заряд в домейн, известни още като CCD-on-CMOS TDI. Работата на тези сензори е демонстрирана в [Анимация 1]. Както подсказва името, тези сензори предлагат подобно на CCD движение на заряди от един пиксел към следващия, натрупвайки сигнал на всеки етап на TDI чрез добавяне на фотоелектрони на ниво отделни заряди. Това е ефективно без шум. Ограниченията на CCD TDI сензорите обаче се преодоляват чрез използването на CMOS архитектура за отчитане, което позволява високи скорости, нисък шум и ниска консумация на енергия, характерни за CMOS камерите.
Спецификации на TDI: какво е важно?
●Технология:Най-важният фактор е каква сензорна технология се използва, както беше обсъдено по-горе. CMOS TDI сензорите с домен на заряд ще осигурят най-добра производителност.
●Етапи на TDI:Това е броят редове на сензора, върху които може да се натрупа сигнал. Колкото повече TDI етапи има една камера, толкова по-дълго може да бъде ефективното ѝ време на експозиция. Или толкова по-бързо може да се движи обектът на заснемане, при условие че камерата има достатъчна линейна скорост.
●Линейна тарифа:Колко реда може да прочете камерата в секунда. Това определя максималната скорост на движение, с която камерата може да се справи.
●Квантова ефективност: Това показва чувствителността на камерата към светлина с различни дължини на вълните, определена от вероятността падащ фотон да бъде засечен и да произведе фотоелектрон. По-високата квантова ефективност може да предложи по-ниска сила на осветяване или по-бърза работа, като същевременно се поддържат същите нива на сигнала.
Освен това, камерите се различават по диапазона на дължините на вълните, при който може да се постигне добра чувствителност, като някои камери предлагат чувствителност чак до ултравиолетовия (UV) край на спектъра, около 200 nm дължина на вълната.
●Прочетете шум:Шумът при четене е другият важен фактор за чувствителността на камерата, определящ минималния сигнал, който може да бъде засечен над нивото на шума на камерата. При висок шум при четене, тъмните обекти не могат да бъдат засечени и динамичният диапазон е силно намален, което означава, че трябва да се използва по-ярко осветление или по-дълги времена на експозиция и по-ниски скорости на движение.
Спецификации на TDI: какво е важно?
В момента TDI камерите се използват за инспекция на мрежи, електроника и производство, както и за други приложения с машинно зрение. Наред с това съществуват и сложни приложения при слаба светлина, като например флуоресцентно изобразяване и сканиране на диапозитиви.
Въпреки това, с въвеждането на високоскоростни, нискошумови и високочувствителни TDI CMOS камери, съществува голям потенциал за повишаване на скоростта и ефективността в нови приложения, които преди използваха само камери с площно сканиране. Както представихме в началото на статията, TDI камерите може да са най-добрият избор за постигане на високи скорости и високо качество на изображението, както за заснемане на обекти в постоянно движение, така и за случаи, когато камерата може да сканира статични обекти.
Например, в микроскопско приложение, можем да сравним теоретичната скорост на заснемане на 9K пикселна TDI камера с 256 предметни масички и 5 µm пиксели с 12MP камера за сканиране на площ с 5 µm пиксели. Нека разгледаме заснемането на област 10 x 10 mm с 20x увеличение чрез преместване на предметната масичка.
1. Използването на обектив с 20x увеличение с камерата за сканиране на площ би осигурило зрително поле от 1,02 x 0,77 мм.
2. С TDI камерата може да се използва 10x обектив с 2x допълнително увеличение, за да се преодолее всяко ограничение в зрителното поле на микроскопа, за да се осигури хоризонтално зрително поле от 2,3 мм.
3. Ако приемем 2% припокриване на пикселите между изображенията за целите на сглобяването, 0,5 секунди за преместване на масата до зададено място и време на експозиция от 10 ms, можем да изчислим времето, което би отнело на камерата за сканиране на площ. По подобен начин можем да изчислим времето, което би отнело на TDI камерата, ако масата се движеше постоянно, за да сканира в посока Y, със същото време на експозиция на ред.
4. В този случай, камерата за сканиране на площта ще изисква заснемане на 140 изображения, като преместването на платформата ще отнема 63 секунди. TDI камерата ще заснеме само 5 дълги изображения, като преместването на платформата към следващата колона ще отнема само 2 секунди.
5. Общото време, прекарано в заснемане на площ 10 x 10 mm, ще бъде64,4 секунди за камерата за сканиране на площта,и просто9,9 секунди за TDI камерата.
Ако искате да видите дали TDI камера може да отговаря на вашето приложение и да отговори на вашите нужди, свържете се с нас още днес.
