22/07/13La integració de retard de temps (TDI) és una tècnica d'imatge anterior a la imatge digital, però que encara ofereix enormes avantatges a l'avantguarda de la imatge actual. Hi ha dues circumstàncies en què les càmeres TDI poden destacar, ambdues quan el subjecte de la imatge està en moviment:
1 – El subjecte d'imatge està inherentment en moviment amb una velocitat constant, com en la inspecció web (com ara l'escaneig de fulls de paper, plàstic o tela en moviment per detectar defectes i danys), les línies de muntatge o la microfluídica i els fluxos de fluids.
2 – Imatges estàtiques de subjectes que podrien ser fotografiats per una càmera que es mou d'una zona a una altra, movent el subjecte o la càmera. Alguns exemples inclouen l'escaneig de portaobjectes de microscopi, la inspecció de materials, la inspecció de panells plans, etc.
Si alguna d'aquestes circumstàncies es pot aplicar a les vostres imatges, aquesta pàgina web us ajudarà a considerar si un canvi de càmeres convencionals de "escaneig d'àrea" bidimensionals a càmeres TDI de rastreig lineal podria millorar les vostres imatges.
El problema amb l'escaneig d'àrea i els objectius mòbils
● Desenfocament de moviment
Alguns subjectes d'imatge estan en moviment per necessitat, per exemple en el flux de fluids o la inspecció de webs. En altres aplicacions, com ara l'escaneig de diapositives i la inspecció de materials, mantenir el subjecte en moviment pot ser considerablement més ràpid i eficient que aturar el moviment per a cada imatge adquirida. Tanmateix, per a les càmeres d'escaneig d'àrea, si el subjecte d'imatge està en moviment en relació amb la càmera, això pot presentar un repte.
Desenfocament de moviment que distorsiona la imatge d'un vehicle en moviment
En situacions amb il·luminació limitada o on es requereixen altes qualitats d'imatge, pot ser desitjable un temps d'exposició de la càmera llarg. Tanmateix, el moviment del subjecte distribuirà la seva llum per diversos píxels de la càmera durant l'exposició, cosa que provocarà un "desenfocament de moviment". Això es pot minimitzar mantenint exposicions molt curtes, per sota del temps que trigaria un punt del subjecte a travessar un píxel de la càmera. Això és elunnormalment a costa d'imatges fosques, sorolloses i sovint inutilitzables.
●Costura
A més, normalment, la imatge de subjectes grans o d'imatges contínues amb càmeres d'escaneig d'àrea requereix l'adquisició de múltiples imatges, que després s'uneixen. Aquesta unió requereix la superposició de píxels entre imatges veïnes, cosa que redueix l'eficiència i augmenta els requisits d'emmagatzematge i processament de dades.
●Il·luminació desigual
A més, la il·luminació poques vegades serà suficient per evitar problemes i artefactes a les vores entre les imatges unides. A més, per proporcionar il·luminació sobre una àrea prou gran per a la càmera d'escaneig d'àrea amb prou intensitat, sovint cal utilitzar fonts de llum de CC d'alta potència i cost elevat.
Il·luminació desigual en la costura d'una adquisició de múltiples imatges d'un cervell de ratolí. Imatge de Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Què és una càmera TDI i com ajuda?
En les càmeres convencionals d'escaneig d'àrea bidimensional, hi ha tres fases per adquirir una imatge: reinici de píxels, exposició i lectura. Durant l'exposició, es detecten fotons de l'escena, donant lloc a fotoelectrons, que s'emmagatzemen als píxels de la càmera fins al final de l'exposició. Aleshores es llegeixen els valors de cada píxel i es forma una imatge 2D. Aleshores, els píxels es reinicien i esborren totes les càrregues per començar la següent exposició.
Tanmateix, com s'ha esmentat, si el subjecte de la imatge es mou en relació amb la càmera, la llum del subjecte es pot estendre per diversos píxels durant aquesta exposició, cosa que provoca un desenfocament de moviment. Les càmeres TDI superen aquesta limitació mitjançant una tècnica innovadora. Això es demostra a [Animació 1].
●Com funcionen les càmeres TDI
Les càmeres TDI funcionen d'una manera fonamentalment diferent a les càmeres d'escaneig d'àrea. A mesura que el subjecte de la imatge es mou per la càmera durant l'exposició, les càrregues electròniques que componen la imatge adquirida també es mouen, mantenint-se sincronitzades. Durant l'exposició, les càmeres TDI poden barrejar totes les càrregues adquirides d'una fila de píxels a la següent, al llarg de la càmera, sincronitzades amb el moviment del subjecte de la imatge. A mesura que el subjecte es mou per la càmera, cada fila (coneguda com a "etapa TDI") ofereix una nova oportunitat per exposar la càmera al subjecte i acumular senyal.
Un cop una fila de càrregues adquirides arriba al final de la càmera, només llavors es llegeixen els valors i s'emmagatzemen com una llesca unidimensional de la imatge. La imatge bidimensional es forma enganxant cada llesca successiva de la imatge a mesura que la càmera la llegeix. Cada fila de píxels de la imatge resultant rastreja i captura la mateixa "llesca" del subjecte de la imatge, la qual cosa significa que, malgrat el moviment, no hi ha desenfoque.
●Exposició 256 vegades més llarga
Amb les càmeres TDI, el temps d'exposició efectiu de la imatge es calcula amb el temps total que triga un punt del subjecte a recórrer cada fila de píxels, amb fins a 256 etapes disponibles en algunes càmeres TDI. Això significa que el temps d'exposició disponible és efectivament 256 vegades més gran que el que podria aconseguir una càmera d'escaneig d'àrea.
Això pot oferir dues millores o un equilibri de totes dues. En primer lloc, es pot aconseguir un augment significatiu de la velocitat d'imatge. En comparació amb una càmera d'escaneig d'àrea, el subjecte que s'imatge es pot moure fins a 256 vegades més ràpid i alhora capturar la mateixa quantitat de senyal, sempre que la velocitat de línia de la càmera sigui prou ràpida per mantenir el ritme.
D'altra banda, si es requereix una major sensibilitat, un temps d'exposició més llarg podria permetre imatges de molta més qualitat, una intensitat d'il·luminació més baixa o ambdues coses.
●Gran rendiment de dades sense costura
Com que la càmera TDI produeix una imatge bidimensional a partir de talls unidimensionals successius, la imatge resultant pot ser tan gran com calgui. Mentre que el nombre de píxels en la direcció "horitzontal" ve donat per l'amplada de la càmera, per exemple 9072 píxels, la mida "vertical" de la imatge és il·limitada i simplement es determina per quant de temps està en funcionament la càmera. Amb velocitats de línia de fins a 510 kHz, això pot oferir un rendiment de dades massiu.
Combinat amb això, les càmeres TDI poden oferir camps de visió molt amplis. Per exemple, una càmera de 9072 píxels amb píxels de 5 µm proporciona un camp de visió horitzontal de 45 mm amb alta resolució. Per aconseguir la mateixa amplada d'imatge amb una càmera d'escaneig d'àrea de píxel de 5 µm, caldrien fins a tres càmeres 4K una al costat de l'altra.
●Millores respecte a les càmeres d'escaneig lineal
Les càmeres TDI no només ofereixen millores respecte a les càmeres d'escaneig d'àrea. Les càmeres d'escaneig lineal, que capturen només una línia de píxels, també pateixen molts dels mateixos problemes amb la intensitat de la il·luminació i les exposicions curtes que les càmeres d'escaneig d'àrea.
Tot i que, com les càmeres TDI, les càmeres d'escaneig lineal ofereixen una il·luminació més uniforme amb una configuració més senzilla i eviten la necessitat d'unir imatges, sovint poden requerir una il·luminació molt intensa i/o un moviment lent del subjecte per capturar prou senyal per a una imatge d'alta qualitat. Les exposicions més llargues i les velocitats de subjecte més ràpides que permeten les càmeres TDI permeten utilitzar una il·luminació de menor intensitat i menor cost, alhora que es millora l'eficiència de la imatge. Per exemple, una línia de producció pot passar de llums halògenes d'alt cost i consum d'energia que requereixen alimentació de CC a il·luminació LED.
Com funcionen les càmeres TDI?
Hi ha tres estàndards comuns sobre com aconseguir imatges TDI en un sensor de càmera.
● CCD TDI– Les càmeres CCD són el tipus de càmera digital més antic. A causa del seu disseny electrònic, aconseguir el comportament TDI en un CCD és comparativament molt senzill, ja que molts sensors de càmera són inherentment capaços de funcionar d'aquesta manera. Per tant, els CCD TDI s'han utilitzat durant dècades.
Tanmateix, la tecnologia CCD té les seves limitacions. La mida de píxel més petita disponible habitualment per a les càmeres CCD TDI és d'uns 12 µm x 12 µm; això, juntament amb el nombre reduït de píxels, limita la capacitat de les càmeres per resoldre detalls fins. A més, la velocitat d'adquisició és inferior a la d'altres tecnologies, mentre que el soroll de lectura, un factor limitant important en les imatges amb poca llum, és elevat. El consum d'energia també és elevat, cosa que és un factor important en algunes aplicacions. Això va portar al desig de crear càmeres TDI basades en l'arquitectura CMOS.
●CMOS TDI primerenc: domini de voltatge i suma digital
Les càmeres CMOS superen moltes de les limitacions de soroll i velocitat de les càmeres CCD, alhora que utilitzen menys energia i ofereixen mides de píxel més petites. Tanmateix, el comportament TDI era molt més difícil d'aconseguir a les càmeres CMOS, a causa del seu disseny de píxels. Mentre que els CCD mouen físicament els fotoelectrons de píxel a píxel per gestionar el sensor, les càmeres CMOS converteixen els senyals dels fotoelectrons en voltatges a cada píxel abans de la lectura.
El comportament del TDI en un sensor CMOS s'ha explorat des del 2001, però el repte de com gestionar l'"acumulació" de senyal a mesura que l'exposició es mou d'una fila a la següent va ser significatiu. Dos dels primers mètodes per al TDI CMOS que encara s'utilitzen en càmeres comercials avui dia són l'acumulació de domini de voltatge i el TDI CMOS de suma digital. En les càmeres d'acumulació de domini de voltatge, a mesura que s'adquireix cada fila de senyal a mesura que el subjecte de la imatge passa, el voltatge adquirit s'afegeix electrònicament a l'adquisició total per a aquesta part de la imatge. L'acumulació de voltatges d'aquesta manera introdueix soroll addicional per cada etapa TDI addicional que s'afegeix, limitant els beneficis de les etapes addicionals. Els problemes de linealitat també desafien l'ús d'aquestes càmeres per a aplicacions precises.
El segon mètode és la suma digital TDI. En aquest mètode, una càmera CMOS funciona efectivament en mode d'escaneig d'àrea amb una exposició molt curta que coincideix amb el temps que triga el subjecte de la imatge a moure's per una sola fila de píxels. Però, les files de cada fotograma successiu s'afegeixen digitalment de manera que es produeix un efecte TDI. Com que s'ha de llegir tota la càmera per a cada fila de píxels de la imatge resultant, aquesta suma digital també afegeix el soroll de lectura per a cada fila i limita la velocitat d'adquisició.
●L'estàndard modern: CMOS TDI de domini de càrrega o CCD-on-CMOS TDI
Les limitacions del CMOS TDI esmentades anteriorment s'han superat recentment mitjançant la introducció del CMOS TDI d'acumulació en el domini de càrrega, també conegut com a CCD-on-CMOS TDI. El funcionament d'aquests sensors es demostra a l'[Animació 1]. Com el seu nom indica, aquests sensors ofereixen el moviment de càrregues similar al CCD d'un píxel al següent, acumulant el senyal a cada etapa TDI mitjançant l'addició de fotoelectrons al nivell de càrregues individuals. Això és efectivament lliure de soroll. Tanmateix, les limitacions del CCD TDI se superen mitjançant l'ús de l'arquitectura de lectura CMOS, que permet les altes velocitats, el baix soroll i el baix consum d'energia comuns a les càmeres CMOS.
Especificacions TDI: què importa?
●Tecnologia:El factor més important és quina tecnologia de sensors s'utilitza, tal com s'ha comentat anteriorment. El CMOS TDI de domini de càrrega oferirà el millor rendiment.
●Etapes de TDI:Aquest és el nombre de files del sensor sobre les quals es pot acumular el senyal. Com més etapes TDI tingui una càmera, més llarg pot ser el seu temps d'exposició efectiu. O bé, més ràpid es pot moure el subjecte de la imatge, sempre que la càmera tingui una velocitat de línia suficient.
●Velocitat de línia:Quantes files pot llegir la càmera per segon. Això determina la velocitat màxima de moviment que la càmera pot mantenir.
●Eficiència quànticaAixò indica la sensibilitat de la càmera a la llum a diferents longituds d'ona, donada per la probabilitat que es detecti un fotó incident i produeixi un fotoelectró. Una major eficiència quàntica pot oferir una intensitat d'il·luminació més baixa o un funcionament més ràpid mantenint els mateixos nivells de senyal.
A més, les càmeres difereixen en el rang de longitud d'ona en què es pot aconseguir una bona sensibilitat, i algunes càmeres ofereixen sensibilitat fins a l'extrem ultraviolat (UV) de l'espectre, a una longitud d'ona d'uns 200 nm.
●Llegir soroll:El soroll de lectura és l'altre factor significatiu en la sensibilitat d'una càmera, que determina el senyal mínim que es pot detectar per sobre del soroll de fons de la càmera. Amb un soroll de lectura elevat, no es poden detectar les característiques fosques i el rang dinàmic es redueix considerablement, cosa que significa que s'ha d'utilitzar una il·luminació més brillant o temps d'exposició més llargs i velocitats de moviment més lentes.
Especificacions TDI: què importa?
Actualment, les càmeres TDI s'utilitzen per a la inspecció web, la inspecció d'electrònica i fabricació, i altres aplicacions de visió artificial. A més d'això, hi ha aplicacions desafiadores amb poca llum, com ara imatges de fluorescència i escaneig de diapositives.
Tanmateix, amb la introducció de càmeres CMOS TDI d'alta velocitat, baix soroll i alta sensibilitat, hi ha un gran potencial per augmentar la velocitat i l'eficiència en noves aplicacions que anteriorment només utilitzaven càmeres d'escaneig d'àrea. Com vam introduir al principi de l'article, les càmeres TDI poden ser la millor opció per aconseguir altes velocitats i altes qualitats d'imatge, ja sigui per a imatges de subjectes en moviment constant o on la càmera es pot escanejar a través de subjectes d'imatges estàtiques.
Per exemple, en una aplicació de microscòpia, podríem comparar la velocitat d'adquisició teòrica d'una càmera TDI de 9K píxels i 256 etapes amb píxels de 5 µm amb una càmera d'escaneig d'àrea de càmera de 12MP amb píxels de 5 µm. Examinem l'adquisició d'una àrea de 10 x 10 mm amb un augment de 20x movent la platina.
1. L'ús d'un objectiu de 20x amb la càmera d'escaneig d'àrea proporcionaria un camp de visió d'imatge d'1,02 x 0,77 mm.
2. Amb la càmera TDI, es podria utilitzar un objectiu de 10x amb un augment addicional de 2x per superar qualsevol limitació en el camp de visió del microscopi, per oferir un camp de visió d'imatge horitzontal de 2,3 mm.
3. Suposant un 2% de superposició de píxels entre imatges per a la unió, 0,5 segons per moure l'escenari a una ubicació determinada i un temps d'exposició de 10 ms, podem calcular el temps que trigaria la càmera d'escaneig d'àrea. De la mateixa manera, podem calcular el temps que trigaria la càmera TDI si l'escenari es mantingués en moviment constant per escanejar en la direcció Y, amb el mateix temps d'exposició per línia.
4. En aquest cas, la càmera d'escaneig d'àrea necessitaria adquirir 140 imatges, amb 63 segons dedicats a moure l'escenari. La càmera TDI només adquiriria 5 imatges llargues, amb només 2 segons dedicats a moure l'escenari a la columna següent.
5. El temps total dedicat a adquirir l'àrea de 10 x 10 mm seria64,4 segons per a la càmera d'escaneig d'àrea,i només9,9 segons per a la càmera TDI.
Si voleu veure si una càmera TDI s'adapta a la vostra aplicació i satisfà les vostres necessitats, poseu-vos en contacte amb nosaltres avui mateix.
