25/08/08U industrijskom i naučnom snimanju, snimanje brzo pokretnih objekata u uslovima slabog osvjetljenja predstavlja stalan izazov. Tu nastupaju kamere sa integracijom vremenskog kašnjenja (TDI). TDI tehnologija kombinuje sinhronizaciju pokreta i višestruke ekspozicije kako bi pružila izuzetnu osjetljivost i jasnoću slike, posebno u okruženjima velike brzine.
Šta je TDI kamera?
TDI kamera je specijalizirana kamera s linijskim skeniranjem koja snima slike objekata u pokretu. Za razliku od standardnih kamera s površinskim skeniranjem koje odjednom eksponiraju cijeli kadar, TDI kamere prebacuju naboj iz jednog reda piksela u sljedeći u sinhronizaciji s kretanjem objekta. Svaki red piksela akumulira svjetlost dok se subjekt kreće, efektivno povećavajući vrijeme ekspozicije i poboljšavajući jačinu signala bez uvođenja zamućenja pokreta.
Ova integracija naboja dramatično povećava odnos signal-šum (SNR), što TDI kamere čini idealnim za primjene velike brzine ili u uslovima slabog osvjetljenja.
Kako funkcioniše TDI kamera?
Rad TDI kamere je ilustrovan na Slici 1.
Slika 1: Rad senzora integracije vremenskog kašnjenja (TDI)
NAPOMENA: TDI kamere pomiču stečena naboja kroz više 'faza' sinhronizovano sa pokretnim subjektom snimanja. Svaka faza pruža dodatnu priliku da budu izložene svjetlosti. Ilustrovano svijetlim 'T' koji se kreće preko kamere, sa segmentom TDI senzora od 5 kolona sa 5 faza. Tucsen Dhyana 9KTDI sa hibridnim kretanjem naboja u CCD stilu, ali paralelnim očitavanjem u CMOS stilu.
TDI kamere su efektivno kamere sa linijskim skeniranjem, sa jednom važnom razlikom: umjesto jednog reda piksela koji prikupljaju podatke dok se kamere skeniraju preko objekta snimanja, TDI kamere imaju više redova, poznatih kao 'faze', obično do 256.
Međutim, ovi redovi ne formiraju dvodimenzionalnu sliku kao kamera sa površinskim skeniranjem. Umjesto toga, kako se skenirani objekat snimanja kreće preko senzora kamere, detektovani fotoelektroni unutar svakog piksela se prebacuju u sljedeći red sinhronizovano sa kretanjem objekta snimanja, bez da se još očitaju. Svaki dodatni red tada pruža dodatnu priliku da se objekat snimanja izloži svjetlosti. Tek kada dio slike dostigne posljednji red piksela senzora, taj red se zatim prosljeđuje arhitekturi očitavanja na mjerenje.
Dakle, uprkos višestrukim mjerenjima koja se provode na različitim lokacijama kamere, uvodi se samo jedan slučaj šuma očitavanja kamere. TDI kamera sa 256 lokacija drži uzorak u vidnom polju 256 puta duže, te stoga ima 256 puta duže vrijeme ekspozicije od ekvivalentne kamere sa linijskim skeniranjem. Ekvivalentno vrijeme ekspozicije sa kamerom sa površinskim skeniranjem bi dovelo do ekstremnog zamućenja pokreta, čineći sliku beskorisnom.
Kada se TDI može koristiti?
TDI kamere su odlično rješenje za bilo koju primjenu snimanja gdje se subjekt snimanja kreće u odnosu na kameru, pod uslovom da je kretanje ravnomjerno u cijelom vidnom polju kamere.
Primjene TDI snimanja stoga uključuju, s jedne strane, sve one linije skeniranja gdje se formiraju dvodimenzionalne slike, a istovremeno donose veće brzine, znatno poboljšanu osjetljivost pri slabom osvjetljenju, bolji kvalitet slike ili sve tri odjednom. S druge strane, postoje mnoge tehnike snimanja koje koriste kamere za površinsko skeniranje gdje se mogu koristiti TDI kamere.
Za visokoosjetljivi sCMOS TDI, snimanje 'pločica i šivanja' u biološkoj fluorescentnoj mikroskopiji može se izvesti korištenjem neprekidnog skeniranja stolića umjesto popločavanja. Ili svi TDI mogu biti dobro prilagođeni za inspekcijske primjene. Druga važna primjena za TDI je protočna citometrija snimanja, gdje se fluorescentne slike ćelija dobijaju dok prolaze pored kamere dok teku kroz mikrofluidni kanal.
Prednosti i mane sCMOS TDI-ja
Prednosti
● Može snimati dvodimenzionalne slike proizvoljne veličine velikom brzinom prilikom skeniranja preko objekta snimanja.
● Višestruki TDI stepeni, nizak šum i visoki kvantni efekt (QE) mogu dovesti do drastično veće osjetljivosti u odnosu na kamere s linijskim skeniranjem.
● Mogu se postići vrlo velike brzine očitavanja, na primjer, do 510.000 Hz (linija u sekundi), za sliku širine 9.072 piksela.
●Osvjetljenje treba biti samo jednodimenzionalno i ne zahtijeva korekcije ravnog polja ili druge korekcije u drugoj (skeniranoj) dimenziji. Osim toga, duža vremena ekspozicije u poređenju sa linijskim skeniranjem mogu 'izgladiti' treperenje uzrokovano AC izvorima svjetlosti.
● Pokretne slike mogu se snimiti bez zamućenja pokreta i s velikom brzinom i osjetljivošću.
●Skeniranje velikih područja može biti drastično brže od kamera za skeniranje područja.
● S naprednim softverom ili postavkama okidanja, način rada sličan 'skeniranju područja' može pružiti pregled skeniranja područja za fokusiranje i poravnanje.
Nedostaci
● I dalje veći šum od konvencionalnih sCMOS kamera, što znači da su primjene u uvjetima ultra slabog osvjetljenja nedostižne.
● Zahtijeva specijalizirana podešavanja s naprednim okidanjem za sinhronizaciju kretanja subjekta snimanja sa skeniranjem kamere, vrlo finu kontrolu brzine kretanja ili precizno predviđanje brzine radi omogućavanja sinhronizacije.
● S obzirom na to da je riječ o novoj tehnologiji, trenutno postoji malo rješenja za implementaciju hardvera i softvera.
sCMOS TDI otporan na slabu svjetlost
Iako TDI kao tehnika snimanja prethodi digitalnom snimanju i odavno je nadmašio linijsko skeniranje po performansama, tek su u posljednjih nekoliko godina TDI kamere stekle osjetljivost potrebnu za primjenu u uvjetima slabog osvjetljenja koja bi inače zahtijevala osjetljivost naučnog nivoa.sCMOS kamere.
'sCMOS TDI' kombinuje kretanje naboja preko senzora u CCD stilu sa očitavanjem u sCMOS stilu, sa dostupnim senzorima sa pozadinskim osvjetljenjem. Prethodne TDI kamere zasnovane na CCD-u ili isključivo CMOS-u* imale su drastično sporije očitavanje, manji broj piksela, manje faza i šum očitavanja između 30e- i >100e-. Nasuprot tome, sCMOS TDI kamere kao što je Tucsen...Dhyana 9KTDI sCMOS kameranudi šum očitavanja od 7.2e-, u kombinaciji s većom kvantnom efikasnošću putem pozadinskog osvjetljenja, omogućavajući upotrebu TDI-a u aplikacijama sa znatno nižim nivoom osvjetljenja nego što je to ranije bilo moguće.
U mnogim primjenama, duža vremena ekspozicije koja omogućava TDI proces mogu više nego kompenzirati povećanje šuma pri čitanju u poređenju sa visokokvalitetnim sCMOS kamerama sa površinskim skeniranjem sa šumom pri čitanju blizu 1e-.
Uobičajene primjene TDI kamera
TDI kamere se nalaze u mnogim industrijama gdje su preciznost i brzina podjednako važni:
● Inspekcija poluprovodničkih pločica
● Testiranje ravnih ekrana (FPD)
● Inspekcija rolne (papir, film, folija, tekstil)
● Rendgensko skeniranje u medicinskoj dijagnostici ili pregledu prtljaga
● Skeniranje pločica i višejažnih ploča u digitalnoj patologiji
● Hiperspektralno snimanje u daljinskom istraživanju ili poljoprivredi
● Inspekcija PCB-a i elektronike u SMT linijama
Ove primjene imaju koristi od poboljšanog kontrasta, brzine i jasnoće koju TDI snimanje pruža u stvarnim ograničenjima.
Primjer: Skeniranje pločica i višejažnih ploča
Kao što je spomenuto, jedna od značajnih primjena za sCMOS TDI kamere su aplikacije spajanja slika, uključujući skeniranje pločica ili višejažnih ploča. Skeniranje velikih fluorescentnih ili uzoraka mikroskopije svijetlog polja dvodimenzionalnim kamerama oslanja se na spajanje mreže slika formiranih višestrukim pokretima XY mikroskopskog stolića. Svaka slika zahtijeva da se stolić zaustavi, smiri, a zatim ponovo pokrene, zajedno sa bilo kakvim kašnjenjem rotirajućeg zatvarača. S druge strane, TDI može snimati slike dok se stolić kreće. Slika se zatim formira od malog broja dugih 'traka', od kojih svaka pokriva cijelu širinu uzorka. Ovo potencijalno može dovesti do drastično većih brzina akvizicije i protoka podataka u svim primjenama spajanja, ovisno o uvjetima snimanja.
Brzina kojom se pozornica može kretati obrnuto je proporcionalna ukupnom vremenu ekspozicije TDI kamere, tako da kratka vremena ekspozicije (1-20ms) nude najveće poboljšanje brzine snimanja u poređenju sa kamerama za skeniranje područja, što zatim može dovesti do smanjenja ukupnog vremena akvizicije za red veličine ili čak i veće smanjenje. Za duža vremena ekspozicije (npr. > 100ms), skeniranje područja obično može zadržati vremensku prednost.
Primjer vrlo velike (2 gigapiksela) slike fluorescentne mikroskopije formirane za samo deset sekundi prikazan je na Slici 2. Za ekvivalentnu sliku formiranu kamerom za skeniranje područja može se očekivati da će biti potrebno i do nekoliko minuta.
Slika 2: Slika od 2 gigapiksela formirana za 10 sekundi putem TDI skeniranja i spajanja
NAPOMENA: Slika uvećana 10x, dobijena korištenjem Tucsen Dhyana 9kTDI markera, posmatranog fluorescentnom mikroskopijom. Snimljena za 10 sekundi uz vrijeme ekspozicije od 3,6 ms. Dimenzije slike: 30 mm x 17 mm, 58.000 x 34.160 piksela.
Sinhronizacija TDI-ja
Sinhronizacija TDI kamere sa subjektom snimanja (unutar nekoliko postotaka) je neophodna – neusklađenost brzine će dovesti do efekta 'zamućenja pokreta'. Ova sinhronizacija se može izvršiti na dva načina:
PrediktivniBrzina kamere se podešava tako da odgovara brzini kretanja na osnovu poznavanja brzine kretanja uzorka, optike (uvećanja) i veličine piksela kamere. Ili metodom pokušaja i grešaka.
PokrenutoMnogi mikroskopski stolići, portali i druga oprema za pomicanje subjekata snimanja mogu uključivati enkodere koji šalju okidački impuls kameri za određenu udaljenost kretanja. To omogućava da stolić/portal i kamera ostanu sinhronizovani bez obzira na brzinu kretanja.
TDI kamere u odnosu na kamere za linijsko skeniranje i kamere za površinsko skeniranje
Evo kako se TDI poredi s drugim popularnim tehnologijama snimanja:
| Značajka | TDI kamera | Kamera za linijsko skeniranje | Kamera za skeniranje područja |
| Osjetljivost | Vrlo visoko | Srednji | Nisko do srednje |
| Kvalitet slike (pokret) | Odlično | Dobro | Zamućeno pri velikim brzinama |
| Zahtjevi za osvjetljenje | Nisko | Srednji | Visoko |
| Kompatibilnost pokreta | Odlično (ako je sinhronizovano) | Dobro | Siromašno |
| Najbolje za | Velika brzina, slabo osvjetljenje | Brzo pokretni objekti | Statične ili spore scene |
TDI je jasan izbor kada se scena brzo kreće i kada je nivo svjetlosti ograničen. Linijsko skeniranje predstavlja smanjenje osjetljivosti, dok je površinsko skeniranje bolje za jednostavne ili stacionarne postavke.
Odabir prave TDI kamere
Prilikom odabira TDI kamere, uzmite u obzir sljedeće:
● Broj TDI faza: Više faza povećava SNR, ali i troškove i složenost.
● Tip senzora: sCMOS je poželjniji zbog svoje brzine i niskog šuma; CCD i dalje može biti pogodan za neke starije sisteme.
● Interfejs: Osigurajte kompatibilnost sa vašim sistemom—Camera Link, CoaXPress i 10GigE su uobičajene opcije, dok su se 100G CoF i 40G CoF pojavili kao novi trendovi.
● Spektralni odziv: Izaberite između monohromatskog, kolornog ili bliskog infracrvenog (NIR) spektra na osnovu potreba aplikacije.
● Opcije sinhronizacije: Potražite funkcije poput ulaza za enkoder ili podrške za eksterni okidač za bolje poravnanje kretanja.
Ako vaša primjena uključuje osjetljive biološke uzorke, brzu inspekciju ili okruženja sa slabim osvjetljenjem, sCMOS TDI je vjerovatno pravi izbor.
Zaključak
TDI kamere predstavljaju snažnu evoluciju u tehnologiji snimanja, posebno kada su izgrađene na sCMOS senzorima. Kombinacijom sinhronizacije pokreta s višelinijskom integracijom, nude neusporedivu osjetljivost i jasnoću za dinamične scene sa slabim osvjetljenjem.
Bez obzira da li pregledavate pločice, skenirate slajdove ili vršite inspekcije velikom brzinom, razumijevanje načina na koji TDI funkcioniše može vam pomoći da odaberete najbolje rješenje među...naučne kamereza vaše izazove sa snimanjem.
Često postavljana pitanja
Mogu li TDI kamere raditi u režimu skeniranja područja?
TDI kamere mogu kreirati (vrlo tanke) dvodimenzionalne slike u režimu 'slično skeniranju područja', što se postiže trikom podešavanja vremena senzora. Ovo može biti korisno za zadatke poput fokusiranja i poravnanja.
Da bi se započela 'ekspozicija skeniranjem područja', senzor se prvo 'čisti' pomicanjem TDI-ja za najmanje onoliko koraka koliko kamera ima faza, što je brže moguće, a zatim zaustavljanjem. To se postiže ili softverskom kontrolom ili hardverskim okidanjem, a idealno se izvodi u mraku. Na primjer, kamera sa 256 faza treba da pročita najmanje 256 linija, a zatim da se zaustavi. Ovih 256 linija podataka se odbacuje.
Dok se kamera ne aktivira niti se linije očitavaju, senzor se ponaša baš kao senzor za skeniranje područja koji eksponira sliku.
Željeno vrijeme ekspozicije treba da prođe dok je kamera u mirovanju, prije nego što se ponovo pomakne naprijed za barem određeni broj koraka, očitavajući svaki red upravo snimljene slike. Idealno bi bilo ponovo da se ova faza 'očitavanja' odvija u mraku.
Ova tehnika se može ponoviti kako bi se dobio 'pregled uživo' ili niz slika skeniranih područja s minimalnim izobličenjem i zamućenjem uzrokovanim TDI operacijom.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Sva prava pridržana. Prilikom citiranja, molimo navedite izvor:www.tucsen.com
