25/08/08В индустриалната и научната обработка на изображения, заснемането на бързо движещи се обекти при условия на слаба светлина представлява постоянно предизвикателство. Именно тук се намесват камерите с интеграция на времевото закъснение (TDI). Технологията TDI комбинира синхронизация на движението и множество експозиции, за да осигури изключителна чувствителност и яснота на изображението, особено в среда с висока скорост.
Какво е TDI камера?
TDI камерата е специализирана камера с линейно сканиране, която заснема изображения на движещи се обекти. За разлика от стандартните камери с площно сканиране, които експонират цял кадър наведнъж, TDI камерите изместват заряда от един ред пиксели към следващия синхронно с движението на обекта. Всеки ред пиксели натрупва светлина, докато обектът се движи, като по този начин ефективно увеличава времето на експозиция и подобрява силата на сигнала, без да се внася размазване от движението.
Тази интеграция на заряда драстично увеличава съотношението сигнал/шум (SNR), което прави TDI камерите идеални за приложения с висока скорост или слаба светлина.
Как работи TDI камера?
Работата на TDI камера е илюстрирана на Фигура 1.
Фигура 1: Работа на сензори с интегриране на времево закъснение (TDI)
ЗАБЕЛЕЖКА: TDI камерите преместват придобитите заряди през множество „етапи“ в синхрон с движещ се обект на изображението. Всеки етап предоставя допълнителна възможност за излагане на светлина. Илюстрирано чрез ярка „T“, движеща се през камерата, със сегмент от 5 колони на 5 етапа на TDI сензор. Tucsen Dhyana 9KTDI с хибридно движение на заряда в стил CCD, но паралелно отчитане в стил CMOS.
TDI камерите са ефективно камери с линейно сканиране, с една важна разлика: вместо един ред пиксели, които събират данни, докато камерите се сканират по обекта на заснемане, TDI камерите имат множество редове, известни като „етапи“, обикновено до 256.
Тези редове обаче не формират двуизмерно изображение, както при камера за сканиране на площ. Вместо това, когато сканираният обект на изображението се движи през сензора на камерата, засечените фотоелектрони във всеки пиксел се преместват към следващия ред синхронно с движението на обекта на изображението, без все още да бъдат прочетени. Всеки допълнителен ред предоставя допълнителна възможност за излагане на обекта на изображението на светлина. Едва след като срез от изображението достигне последния ред пиксели на сензора, този ред се предава към архитектурата за отчитане за измерване.
Следователно, въпреки множеството измервания, извършвани в различните етапи на камерата, се появява само един случай на шум от четене от камерата. 256-степенна TDI камера задържа пробата в полезрението 256 пъти по-дълго и следователно има 256 пъти по-дълго време на експозиция от еквивалентната камера с линейно сканиране. Еквивалентно време на експозиция с камера с площно сканиране би довело до екстремно размазване от движение, което би направило изображението безполезно.
Кога може да се използва TDI?
TDI камерите са отлично решение за всяко приложение за изображения, където обектът на заснемане се движи спрямо камерата, при условие че движението е равномерно в целия зрителен ъгъл на камерата.
Приложенията на TDI изображенията следователно включват, от една страна, всички онези от линейното сканиране, където се формират двуизмерни изображения, като същевременно се осигуряват по-големи скорости, много подобрена чувствителност при слаба светлина, по-добро качество на изображението или и трите едновременно. От друга страна, има много техники за изображения, които използват камери с площно сканиране, където могат да се използват TDI камери.
За високочувствителна sCMOS TDI, изобразяването „плочки и шевове“ в биологичната флуоресцентна микроскопия може да се извърши с помощта на непрекъснато сканиране на предметната маса вместо плочки. Или всички TDI могат да бъдат подходящи за приложения за инспекция. Друго важно приложение на TDI е образната флоуцитометрия, при която флуоресцентни изображения на клетките се получават, докато преминават през камера, докато текат през микрофлуиден канал.
Плюсове и минуси на sCMOS TDI
Плюсове
● Може да заснема двуизмерни изображения с произволен размер с висока скорост при сканиране върху обект на изображение.
● Множеството TDI етапи, ниският шум и високото QE могат да доведат до драстично по-висока чувствителност в сравнение с линейно сканиращите камери.
● Могат да се постигнат много високи скорости на четене, например до 510 000 Hz (редове в секунда), за изображение с ширина 9 072 пиксела.
●Осветлението трябва да бъде само едномерно и не може да изисква корекции на плоско поле или други корекции във второто (сканирано) измерение. Освен това, по-дългите времена на експозиция в сравнение с линейното сканиране могат да „изгладят“ трептенето, дължащо се на променливотокови източници на светлина.
● Движещи се изображения могат да бъдат заснети без размазване от движението и с висока скорост и чувствителност.
●Сканирането на големи площи може да бъде драстично по-бързо от камерите за сканиране на площи.
● С усъвършенстван софтуер или настройки за задействане, режим, подобен на „сканиране на площ“, може да осигури общ преглед на сканирането на площ за фокусиране и подравняване.
Недостатъци
● Все още по-висок шум от конвенционалните sCMOS камери, което означава, че приложенията с ултра-слаба светлина са недостъпни.
● Изисква специализирани настройки с усъвършенствано задействане за синхронизиране на движението на обекта на заснемане със сканирането на камерата, много фин контрол върху скоростта на движение или точно прогнозиране на скоростта, за да се осигури синхронизация.
● Като нова технология, в момента съществуват малко решения за хардуерна и софтуерна имплементация.
sCMOS TDI, способен на работа при слаба светлина
Въпреки че TDI като техника за изображения предшества цифровото изображение и отдавна е надминала линейното сканиране по производителност, едва през последните няколко години TDI камерите са придобили чувствителността, необходима за достигане до приложения със слаба светлина, които обикновено биха изисквали чувствителност от научен клас.sCMOS камери.
„sCMOS TDI“ комбинира движението на заряди по сензора, подобно на CCD, с отчитане в sCMOS стил, като са налични сензори с подсветка. Предишните CCD-базирани или изцяло CMOS* TDI камери имаха драстично по-бавно отчитане, по-малък брой пиксели, по-малко каскади и шум при отчитане между 30e- и >100e-. За разлика от тях, sCMOS TDI, като например Tucsen...Dhyana 9KTDI sCMOS камерапредлага шум при четене от 7.2e-, комбиниран с по-висока квантова ефективност чрез задно осветление, което позволява използването на TDI в приложения със значително по-ниско ниво на светлина, отколкото е било възможно преди.
В много приложения, по-дългите времена на експозиция, осигурени от TDI процеса, могат да компенсират увеличението на шума при четене в сравнение с висококачествените sCMOS камери с площно сканиране с шум при четене, близък до 1e-.
Често срещани приложения на TDI камери
TDI камерите се срещат в много индустрии, където прецизността и скоростта са еднакво важни:
● Инспекция на полупроводникови пластини
● Тестване на плосък дисплей (FPD)
● Инспекция на хартия (хартия, филм, фолио, текстил)
● Рентгеново сканиране при медицинска диагностика или проверка на багаж
● Сканиране на предметни стъкла и многоямкови плаки в дигитална патология
● Хиперспектрално изобразяване в дистанционното наблюдение или селското стопанство
● Инспекция на печатни платки и електроника в SMT линии
Тези приложения се възползват от подобрения контраст, скорост и яснота, които TDI изображенията осигуряват при реални ограничения.
Пример: Сканиране на предметни стъкла и многоямкови плаки
Както бе споменато, едно приложение със значителен потенциал за sCMOS TDI камери са приложенията за сшиване, включително сканиране на предметни стъкла или многоямкови плаки. Сканирането на големи флуоресцентни или светлопоядни микроскопски проби с двуизмерни камери разчита на сшиване на мрежа от изображения, образувани от множество движения на XY микроскопска маса. Всяко изображение изисква масата да спре, да се установи и след това да се рестартира, заедно с всяко забавяне на подвижния затвор. TDI, от друга страна, може да заснема изображения, докато масата е в движение. След това изображението се формира от малък брой дълги „ленти“, всяка от които покрива цялата ширина на пробата. Това може потенциално да доведе до драстично по-високи скорости на заснемане и пропускателна способност на данните във всички приложения за сшиване, в зависимост от условията на изображението.
Скоростта, с която може да се движи предметната маса, е обратно пропорционална на общото време на експозиция на TDI камерата, така че кратките времена на експозиция (1-20 ms) предлагат най-голямо подобрение в скоростта на заснемане в сравнение с камерите с площно сканиране, което може да доведе до намаляване на общото време за заснемане с порядък или по-голямо намаление. При по-дълги времена на експозиция (напр. > 100 ms), площното сканиране обикновено може да запази времево предимство.
Пример за много голямо (2 гигапиксела) флуоресцентно микроскопско изображение, формирано само за десет секунди, е показан на Фигура 2. Еквивалентно изображение, формирано с камера за сканиране на площ, може да отнеме до няколко минути.
Фигура 2: 2-гигапикселово изображение, формирано за 10 секунди чрез TDI сканиране и сглобяване
ЗАБЕЛЕЖКА: Изображение с 10-кратно увеличение, получено с помощта на маркер Tucsen Dhyana 9kTDI, на точки, наблюдавани с флуоресцентна микроскопия. Получено за 10 секунди с време на експозиция 3,6 ms. Размери на изображението: 30 мм x 17 мм, 58 000 x 34 160 пиксела.
Синхронизиране на TDI
Синхронизацията на TDI камерата с обекта на заснемане (с точност до няколко процента) е от съществено значение – несъответствието в скоростта ще доведе до ефект на „размазване от движение“. Тази синхронизация може да се осъществи по два начина:
ПредсказващСкоростта на камерата се задава така, че да съответства на скоростта на движение, въз основа на познания за скоростта на движение на пробата, оптиката (увеличение) и размера на пикселите на камерата. Или метод на проба-грешка.
ЗадействаноМного микроскопски масички, портали и друго оборудване за преместване на обекти за изобразяване могат да включват енкодери, които изпращат задействащ импулс към камерата за дадено разстояние на движение. Това позволява масичката/порталата и камерата да останат синхронизирани, независимо от скоростта на движение.
TDI камери срещу камери с линейно сканиране и камери с площно сканиране
Ето как TDI се сравнява с други популярни технологии за изображения:
| Функция | TDI камера | Линейна сканираща камера | Камера за сканиране на площ |
| Чувствителност | Много високо | Среден | Ниско до средно |
| Качество на изображението (движение) | Отлично | Добре | Замъглено при високи скорости |
| Изисквания за осветление | Ниско | Среден | Високо |
| Съвместимост с движение | Отлично (ако е синхронизирано) | Добре | Слаб |
| Най-добро за | Висока скорост, слаба светлина | Бързо движещи се обекти | Статични или бавни сцени |
TDI е ясният избор, когато сцената се движи бързо и нивата на светлина са ограничени. Линейното сканиране е стъпка надолу в чувствителността, докато площното сканиране е по-добро за прости или стационарни настройки.
Избор на правилната TDI камера
Когато избирате TDI камера, имайте предвид следното:
● Брой етапи на TDI: Повече етапи увеличават съотношението сигнал/шум, но също така и разходите и сложността.
● Тип сензор: sCMOS е предпочитан заради скоростта и ниския си шум; CCD може все още да е подходящ за някои по-стари системи.
● Интерфейс: Осигурете съвместимост с вашата система – Camera Link, CoaXPress и 10GigE са често срещани опции, а 100G CoF и 40G CoF се очертават като нови тенденции.
● Спектрален отговор: Изберете между монохромен, цветен или близък инфрачервен (NIR) диапазон въз основа на нуждите на приложението.
● Опции за синхронизация: Потърсете функции като входове за енкодер или поддръжка на външни тригери за по-добро подравняване на движението.
Ако вашето приложение включва деликатни биологични проби, високоскоростна инспекция или среда със слаба светлина, sCMOS TDI вероятно е правилният избор.
Заключение
TDI камерите представляват мощна еволюция в технологията за изображения, особено когато са изградени върху sCMOS сензори. Чрез комбиниране на синхронизация на движението с многолинейна интеграция, те предлагат несравнима чувствителност и яснота за динамични сцени със слаба светлина.
Независимо дали инспектирате пластини, сканирате слайдове или извършвате високоскоростни инспекции, разбирането как работи TDI може да ви помогне да изберете най-доброто решение измежду...научни камериза вашите предизвикателства с изображенията.
ЧЗВ
Могат ли TDI камерите да работят в режим на сканиране на зона?
TDI камерите могат да създават (много тънки) двуизмерни изображения в режим, подобен на „сканиране на площ“, постигнат чрез трик с синхронизацията на сензора. Това може да бъде полезно за задачи като фокусиране и подравняване.
За да започне „експозиция с площно сканиране“, сензорът първо се „изчиства“ чрез придвижване на TDI с поне толкова стъпки, колкото етапи има камерата, възможно най-бързо, след което спира. Това се постига или чрез софтуерно управление, или чрез хардуерно задействане и в идеалния случай се извършва на тъмно. Например, камера с 256 етапа трябва да прочете поне 256 реда, след което да спре. Тези 256 реда данни се изтриват.
Докато камерата не се задейства или не се четат линии, сензорът се държи точно като сензор за сканиране на площ, който експонира изображение.
Желаното време на експозиция трябва да изтече, докато камерата е в покой, преди отново да се премести напред поне с необходимия брой етапи, като се прочита всеки ред от току-що заснетото изображение. Отново, в идеалния случай тази фаза на „четене“ трябва да се извършва на тъмно.
Тази техника може да се повтори, за да се осигури „предварителен преглед на живо“ или поредица от изображения с площно сканиране с минимално изкривяване и размазване от TDI операцията.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Всички права запазени. При цитиране, моля, посочете източника:www.tucsen.com
