22.07.2013.Integracija vremenskog kašnjenja (TDI) je tehnika snimanja koja prethodi digitalnom snimanju, ali i dalje pruža ogromne prednosti na samom vrhuncu današnjeg snimanja. Postoje dvije okolnosti u kojima TDI kamere mogu zablistati – obje kada je subjekt snimanja u pokretu:
1 – Subjekt snimanja se inherentno kreće konstantnom brzinom, kao kod inspekcije mreže (kao što je skeniranje pokretnih listova papira, plastike ili tkanine radi otkrivanja nedostataka i oštećenja), montažnih traka ili mikrofluidike i tokova fluida.
2 – Statičko snimanje objekata koji se mogu snimiti kamerom koja se pomiče s područja na područje, bilo pomicanjem objekta ili kamere. Primjeri uključuju skeniranje mikroskopskih pločica, inspekciju materijala, inspekciju ravnih panela itd.
Ako bi se bilo koja od ovih okolnosti mogla primijeniti na vaše snimanje, ova web stranica će vam pomoći da razmotrite da li bi prelazak s konvencionalnih dvodimenzionalnih kamera za 'površinsko skeniranje' na TDI kamere s linijskim skeniranjem mogao poboljšati vaše snimanje.
Problem sa skeniranjem područja i pokretnim ciljevima
● Zamućenje pokreta
Neki subjekti snimanja se kreću iz nužde, na primjer pri inspekciji protoka fluida ili web-stranica. U drugim primjenama, kao što su skeniranje slajdova i inspekcija materijala, održavanje subjekta u pokretu može biti znatno brže i efikasnije od zaustavljanja kretanja za svaku snimljenu sliku. Međutim, za kamere za površinsko skeniranje, ako se subjekt snimanja kreće u odnosu na kameru, ovo može predstavljati izazov.
Zamućenje pokreta koje iskrivljuje sliku vozila u pokretu
U situacijama sa ograničenim osvjetljenjem ili tamo gdje je potreban visok kvalitet slike, može biti poželjno dugo vrijeme ekspozicije kamere. Međutim, kretanje subjekta će proširiti svjetlost na više piksela kamere tokom ekspozicije, što dovodi do "zamućenja pokreta". Ovo se može smanjiti održavanjem ekspozicije vrlo kratkim - ispod vremena koje bi bilo potrebno da tačka na subjektu pređe piksel kamere. Ovo je...unobično na štetu tamnih, bučnih, često neupotrebljivih slika.
●Šivanje
Osim toga, snimanje velikih ili kontinuiranih subjekata snimanja kamerama za skeniranje područja obično zahtijeva akviziciju više slika, koje se zatim spajaju. Ovo spajanje zahtijeva preklapanje piksela između susjednih slika, što smanjuje efikasnost i povećava zahtjeve za pohranu i obradu podataka.
●Neravnomjerno osvjetljenje
Štaviše, osvjetljenje će rijetko biti dovoljno ravnomjerno da se izbjegnu problemi i artefakti na granicama između spojenih slika. Također, da bi se osiguralo osvjetljenje dovoljno velikog područja za kameru za skeniranje područja s dovoljnim intenzitetom, često je potrebna upotreba snažnih i skupih DC izvora svjetlosti.
Neravnomjerno osvjetljenje prilikom spajanja višeslojnih snimaka mozga miša. Slika iz rada Watsona i ostalih, 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Šta je TDI kamera i kako pomaže?
Kod konvencionalnih dvodimenzionalnih kamera za skeniranje područja, postoje tri faze dobijanja slike: resetovanje piksela, ekspozicija i očitavanje. Tokom ekspozicije, detektuju se fotoni sa scene, što rezultira fotoelektronima, koji se pohranjuju u pikselima kamere do kraja ekspozicije. Vrijednosti sa svakog piksela se zatim očitavaju i formira se dvodimenzionalna slika. Pikseli se zatim resetuju i sva naboja se brišu kako bi se započela sljedeća ekspozicija.
Međutim, kao što je spomenuto, ako se subjekt snimanja kreće u odnosu na kameru, svjetlost sa subjekta se može proširiti na više piksela tokom ove ekspozicije, što dovodi do zamućenja pokreta. TDI kamere prevazilaze ovo ograničenje korištenjem inovativne tehnike. To je demonstrirano u [Animacija 1].
●Kako TDI kamere funkcionišu
TDI kamere rade na fundamentalno drugačiji način od kamera sa površinskim skeniranjem. Kako se objekat snimanja kreće preko kamere tokom ekspozicije, elektronski naboji koji čine snimljenu sliku se također pomjeraju, ostajući sinhronizovani. Tokom ekspozicije, TDI kamere su u stanju da premjeste sva prikupljena naboja iz jednog reda piksela u sljedeći, duž kamere, sinhronizovano sa kretanjem objekta snimanja. Kako se objekat kreće preko kamere, svaki red (poznat kao 'TDI faza') pruža novu priliku za eksponiranje kamere prema objektu i akumuliranje signala.
Tek kada niz prikupljenih naboja stigne do kraja kamere, vrijednosti se očitavaju i pohranjuju kao jednodimenzionalni dio slike. Dvodimenzionalna slika se formira spajanjem svakog sljedećeg dijela slike dok ih kamera očitava. Svaki red piksela na rezultirajućoj slici prati i snima isti 'dijelj' subjekta snimanja, što znači da uprkos kretanju nema zamućenja.
●256x duža ekspozicija
Kod TDI kamera, efektivno vrijeme ekspozicije slike dato je ukupnim vremenom potrebnim da tačka na subjektu prođe kroz svaki red piksela, pri čemu je na nekim TDI kamerama dostupno do 256 faza. To znači da je dostupno vrijeme ekspozicije efektivno 256 puta veće nego što bi to mogla postići kamera sa površinskim skeniranjem.
Ovo može donijeti jedno od dva poboljšanja ili ravnotežu između oba. Prvo, može se postići značajno povećanje brzine snimanja. U poređenju sa kamerom za skeniranje područja, objekat snimanja može se kretati do 256 puta brže, a istovremeno snimati istu količinu signala, pod uslovom da je brzina linije kamere dovoljno brza da prati tempo.
S druge strane, ako je potrebna veća osjetljivost, duže vrijeme ekspozicije može omogućiti slike mnogo većeg kvaliteta, niži intenzitet osvjetljenja ili oboje.
●Veliki protok podataka bez spajanja
Budući da TDI kamera proizvodi dvodimenzionalnu sliku iz uzastopnih jednodimenzionalnih slojeva, rezultujuća slika može biti onoliko velika koliko je potrebno. Dok je broj piksela u 'horizontalnom' smjeru određen širinom kamere, na primjer 9072 piksela, 'vertikalna' veličina slike je neograničena i jednostavno se određuje vremenom rada kamere. Sa brzinama linije do 510kHz, ovo može pružiti ogroman protok podataka.
U kombinaciji s ovim, TDI kamere mogu ponuditi vrlo široka vidna polja. Na primjer, kamera od 9072 piksela s 5µm piksela pruža horizontalno vidno polje od 45 mm s visokom rezolucijom. Da bi se postigla ista širina snimanja s kamerom za skeniranje s površinom piksela od 5µm, bile bi potrebne do tri 4K kamere jedna pored druge.
●Poboljšanja u odnosu na kamere sa linijskim skeniranjem
TDI kamere ne nude samo poboljšanja u odnosu na kamere sa površinskim skeniranjem. Kamere sa linijskim skeniranjem, koje snimaju samo jednu liniju piksela, također pate od mnogih istih problema s intenzitetom osvjetljenja i kratkim ekspozicijama kao i kamere sa površinskim skeniranjem.
Iako, poput TDI kamera, kamere s linijskim skeniranjem nude ravnomjernije osvjetljenje s jednostavnijim podešavanjem i izbjegavaju potrebu za spajanjem slika, često mogu zahtijevati vrlo intenzivno osvjetljenje i/ili sporo kretanje subjekta kako bi snimile dovoljno signala za visokokvalitetnu sliku. Duže ekspozicije i veće brzine subjekta koje TDI kamere omogućavaju znače da se može koristiti niži intenzitet i jeftinija rasvjeta, a istovremeno se poboljšava efikasnost snimanja. Na primjer, proizvodna linija bi mogla preći sa skupih halogenih svjetala s visokom potrošnjom energije koja zahtijevaju istosmjernu struju na LED rasvjetu.
Kako funkcionišu TDI kamere?
Postoje tri uobičajena standarda za postizanje TDI snimanja na senzoru kamere.
● CCD TDI– CCD kamere su najstariji tip digitalnih fotoaparata. Zbog svog elektronskog dizajna, postizanje TDI ponašanja na CCD-u je relativno vrlo jednostavno, a mnogi senzori kamere inherentno mogu raditi na ovaj način. TDI CCD-ovi se stoga koriste već decenijama.
Međutim, CCD tehnologija ima svoja ograničenja. Najmanja veličina piksela koja je obično dostupna za CCD TDI kamere je oko 12µm x 12µm – ovo, zajedno s malim brojem piksela, ograničava sposobnosti kamera da razluče fine detalje. Štaviše, brzina akvizicije je niža nego kod drugih tehnologija, dok je šum pri očitavanju – glavni ograničavajući faktor pri snimanju pri slabom osvjetljenju – visok. Potrošnja energije je također visoka, što je glavni faktor u nekim primjenama. To je dovelo do želje za stvaranjem TDI kamera zasnovanih na CMOS arhitekturi.
●Rani CMOS TDI: Sumiranje u naponskom domenu i digitalno sumiranje
CMOS kamere prevazilaze mnoga ograničenja šuma i brzine CCD kamera, a istovremeno troše manje energije i nude manje veličine piksela. Međutim, TDI ponašanje je bilo mnogo teže postići na CMOS kamerama zbog njihovog dizajna piksela. Dok CCD-ovi fizički premještaju fotoelektrone od piksela do piksela kako bi upravljali senzorom, CMOS kamere pretvaraju signale u fotoelektronima u napone u svakom pikselu prije očitavanja.
Ponašanje TDI-ja na CMOS senzoru istražuje se od 2001. godine, međutim, izazov u vezi s tim kako se nositi s 'akumulacijom' signala kako se ekspozicija pomiče iz jednog reda u sljedeći bio je značajan. Dvije rane metode za CMOS TDI koje se i danas koriste u komercijalnim kamerama su akumulacija naponskog domena i digitalno sumiranje TDI CMOS-a. U kamerama s akumulacijom naponskog domena, kako se svaki red signala prikuplja dok se subjekt snimanja kreće, prikupljeni napon se elektronički dodaje ukupnom prikupljanju za taj dio slike. Akumuliranje napona na ovaj način uvodi dodatni šum za svaku dodatnu TDI fazu koja se dodaje, ograničavajući prednosti dodatnih faza. Problemi s linearnošću također otežavaju korištenje ovih kamera za precizne primjene.
Druga metoda je digitalno sumiranje TDI-a. Kod ove metode, CMOS kamera efektivno radi u režimu skeniranja područja s vrlo kratkom ekspozicijom koja je usklađena s vremenom potrebnim da se subjekt snimanja pomjeri preko jednog reda piksela. Međutim, redovi iz svakog sljedećeg kadra se digitalno sabiraju na takav način da se postiže TDI efekat. Budući da se cijela kamera mora očitati za svaki red piksela na rezultirajućoj slici, ovo digitalno sabiranje također dodaje šum očitavanja za svaki red i ograničava brzinu akvizicije.
●Moderni standard: TDI CMOS sa domenom naboja ili CCD-na-CMOS TDI
Gore navedena ograničenja CMOS TDI senzora su nedavno prevaziđena uvođenjem TDI CMOS senzora sa akumulacijom naboja u domenu, poznatog i kao CCD-on-CMOS TDI. Rad ovih senzora je demonstriran u [Animacija 1]. Kao što i samo ime govori, ovi senzori nude kretanje naboja od jednog piksela do drugog slično CCD-u, akumulirajući signal u svakoj TDI fazi dodavanjem fotoelektrona na nivou pojedinačnih naboja. Ovo je efektivno bez šuma. Međutim, ograničenja CCD TDI senzora su prevaziđena korištenjem CMOS arhitekture očitavanja, omogućavajući velike brzine, nizak šum i nisku potrošnju energije uobičajene za CMOS kamere.
TDI specifikacije: šta je važno?
●Tehnologija:Najvažniji faktor je koja se tehnologija senzora koristi, kao što je gore objašnjeno. CMOS TDI senzori s domenom naboja će pružiti najbolje performanse.
●TDI faze:Ovo je broj redova senzora preko kojih se signal može akumulirati. Što više TDI faza kamera ima, to duže može biti njeno efektivno vrijeme ekspozicije. Ili, brže se subjekt snimanja može kretati, pod uslovom da kamera ima dovoljnu linijsku brzinu.
●Cijena linije:Koliko redova kamera može pročitati u sekundi. Ovo određuje maksimalnu brzinu kretanja koju kamera može pratiti.
●Kvantna efikasnostOvo ukazuje na osjetljivost kamere na svjetlost različitih talasnih dužina, datu vjerovatnoćom detekcije upadnog fotona i stvaranja fotoelektrona. Veća kvantna efikasnost može ponuditi nižu jačinu osvjetljenja ili brži rad uz održavanje istih nivoa signala.
Osim toga, kamere se razlikuju po rasponu valnih duljina na kojima se može postići dobra osjetljivost, pri čemu neke kamere nude osjetljivost sve do ultraljubičastog (UV) kraja spektra, na valnoj duljini od oko 200 nm.
●Čitanje buke:Šum pri čitanju je drugi značajan faktor osjetljivosti kamere, koji određuje minimalni signal koji se može detektovati iznad praga šuma kamere. S visokim šumom pri čitanju, tamne karakteristike se ne mogu detektovati i dinamički raspon je znatno smanjen, što znači da se mora koristiti jače osvjetljenje ili duže vrijeme ekspozicije i sporije brzine kretanja.
TDI specifikacije: šta je važno?
Trenutno se TDI kamere koriste za inspekciju web stranica, inspekciju elektronike i proizvodnje, te za druge primjene mašinskog vida. Uz to, postoje i izazovne primjene u uvjetima slabog osvjetljenja poput fluorescentnog snimanja i skeniranja slajdova.
Međutim, s uvođenjem TDI CMOS kamera velike brzine, niskog šuma i visoke osjetljivosti, postoji veliki potencijal za povećanje brzine i efikasnosti u novim primjenama koje su ranije koristile samo kamere sa površinskim skeniranjem. Kao što smo naveli na početku članka, TDI kamere mogu biti najbolji izbor za postizanje velikih brzina i visokog kvaliteta slike, bilo za snimanje subjekata koji su već u stalnom pokretu, bilo tamo gdje bi kamera mogla skenirati statične subjekte snimanja.
Na primjer, u mikroskopskoj primjeni, mogli bismo uporediti teorijsku brzinu akvizicije TDI kamere od 9K piksela, 256 slikovnih postolja i 5 µm piksela sa kamerom za skeniranje područja od 12MP i 5 µm piksela. Ispitajmo akviziciju područja od 10 x 10 mm sa 20x uvećanjem pomicanjem slikovnog postolja.
1. Korištenjem objektiva sa 20x uvećanjem i kamerom za skeniranje područja, dobilo bi se vidno polje od 1,02 x 0,77 mm.
2. Sa TDI kamerom, objektiv od 10x sa dodatnim uvećanjem od 2x mogao bi se koristiti za prevazilaženje bilo kakvog ograničenja u vidnom polju mikroskopa, te bi se dobilo horizontalno vidno polje od 2,3 mm.
3. Pod pretpostavkom preklapanja piksela od 2% između slika radi spajanja, 0,5 sekundi za pomicanje pozornice na određenu lokaciju i vremena ekspozicije od 10 ms, možemo izračunati vrijeme koje bi bilo potrebno kameri za skeniranje područja. Slično tome, možemo izračunati vrijeme koje bi bilo potrebno TDI kameri da se pozornica stalno kreće za skeniranje u Y smjeru, s istim vremenom ekspozicije po liniji.
4. U ovom slučaju, kamera za skeniranje područja bi zahtijevala 140 slika za snimanje, sa 63 sekunde utrošene za pomicanje pozornice. TDI kamera bi snimila samo 5 dugih slika, sa samo 2 sekunde utrošene za pomicanje pozornice u sljedeću kolonu.
5. Ukupno vrijeme utrošeno na akviziciju površine 10 x 10 mm bilo bi64,4 sekunde za kameru za skeniranje područja,i samo9,9 sekundi za TDI kameru.
Ako želite vidjeti da li TDI kamera može odgovarati vašoj primjeni i ispuniti vaše potrebe, kontaktirajte nas još danas.
