22/07/13L'Integrazione di u Ritardu di Tempu (TDI) hè una tecnica d'imaghjini chì precede l'imaghjini digitale, ma chì offre sempre enormi vantaghji à l'avanguardia di l'imaghjini oghje. Ci sò duie circustanze in cui e camere TDI ponu brillà, tramindui quandu u sughjettu di l'imaghjini hè in muvimentu:
1 – U sughjettu di l'imaghjini hè intrinsecamente in muvimentu cù una velocità custante, cum'è in l'ispezione web (cum'è a scansione di fogli in muvimentu di carta, plastica o tela per difetti è danni), linee di assemblaggio, o microfluidica è flussi di fluidi.
2 – Sughjetti d'imaghjini statiche chì puderanu esse ripresi da una camera mossa da una zona à l'altra, muvendu u sughjettu o a camera. Esempi includenu a scansione di vetrini di microscopiu, l'ispezione di materiali, l'ispezione di pannelli piatti, ecc.
Sè una di queste circustanze puderia applicà si à a vostra imaging, sta pagina web vi aiuterà à cunsiderà se un cambiamentu da e camere cunvinziunali bidimensionali di "scansione d'area" à e camere Line Scan TDI puderia dà un impulsu à a vostra imaging.
U prublema cù Area-Scan è Bersagli Moventi
● Sfocatura di muvimentu
Certi sughjetti di l'imaghjini sò in muvimentu per necessità, per esempiu in u flussu di fluidi o l'ispezione di web. In altre applicazioni, cum'è a scansione di diapositive è l'ispezione di materiali, mantene u sughjettu in muvimentu pò esse considerablemente più veloce è più efficiente chè fermà u muvimentu per ogni imagine acquisita. Tuttavia, per e camere à scansione d'area, se u sughjettu di l'imaghjini hè in muvimentu in relazione à a camera, questu pò presentà una sfida.
Sfocatura di muvimentu chì distorce l'imagine di un veiculu in muvimentu
In situazioni cù illuminazione limitata o induve sò richieste qualità d'imagine elevate, puderia esse desideratu un tempu di esposizione di a camera longu. Tuttavia, u muvimentu di u sughjettu sparghjerà a so luce nantu à parechji pixel di a camera durante l'esposizione, purtendu à "sfocatura di muvimentu". Questu pò esse minimizatu mantenendu l'esposizioni assai corte - sottu à u tempu chì ci vuleria per chì un puntu nantu à u sughjettu attraversi un pixel di a camera. Questu hè uundi solitu à spese d'imagine scure, rumurose, spessu inutilizabili.
●Cucitura
Inoltre, l'imaghjini di sughjetti grandi o cuntinui cù camere di scansione d'area richiede tipicamente l'acquisizione di parechje imagine, chì sò poi cucite inseme. Questa cucitura richiede pixel sovrapposti trà imagine vicine, riducendu l'efficienza è aumentendu i requisiti di almacenamentu è trasfurmazione di dati.
●Illuminazione irregulare
Inoltre, l'illuminazione raramente serà ancu abbastanza per evità prublemi è artefatti à i cunfini trà l'imagine cucite. Inoltre, per furnisce l'illuminazione nantu à una zona abbastanza grande per a camera di scansione di zona cù una intensità sufficiente, spessu hè necessariu l'usu di fonti luminose DC di alta putenza è costu elevatu.
Illuminazione irregulare in a cucitura di una acquisizione multi-immagine di un cervellu di topu. Imagine da Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Chì ghjè una camera TDI, è cumu aiuta?
In e camere cunvinziunali di scansione di area bidimensionale, ci sò trè fasi di acquisizione di una maghjina: reset di pixel, esposizione è lettura. Durante l'esposizione, i fotoni di a scena sò rilevati, risultendu in fotoelettroni, chì sò almacenati in i pixel di a camera finu à a fine di l'esposizione. I valori di ogni pixel sò tandu letti, è si forma una maghjina 2D. I pixel sò tandu resettati è tutte e cariche sò eliminate per cumincià a prossima esposizione.
Tuttavia, cum'è digià dettu, se u sughjettu di l'imaghjini si move in relazione à a camera, a luce di u sughjettu pò sparghjesi nantu à parechji pixel durante sta esposizione, ciò chì porta à sfocatura di muvimentu. E camere TDI superanu sta limitazione aduprendu una tecnica innovativa. Questu hè dimustratu in [Animazione 1].
●Cumu funzionanu e camere TDI
E camere TDI funzionanu in un modu fundamentalmente differente da e camere di scansione d'area. Mentre u sughjettu di l'imaghjini si move attraversu a camera durante l'esposizione, e cariche elettroniche chì custituiscenu l'imagine acquistata sò ancu mosse, stendu sincronizate. Durante l'esposizione, e camere TDI sò capaci di mischjà tutte e cariche acquistate da una fila di pixel à l'altra, longu a camera, sincronizate cù u muvimentu di u sughjettu di l'imaghjini. Mentre u sughjettu si move attraversu a camera, ogni fila (cunnisciuta cum'è "Stadiu TDI"), furnisce una nova opportunità per espone a camera à u sughjettu, è accumulà u signale.
Una volta chì una fila di cariche acquistate ghjunghje à a fine di a camera, solu tandu i valori sò letti è almacenati cum'è una fetta unidimensionale di l'imagine. L'imagine 2D hè furmata incollandu inseme ogni fetta successiva di l'imagine mentre a camera a legge. Ogni fila di pixel in l'imagine risultante traccia è imagina a stessa "fetta" di u sughjettu di l'imaghjini, ciò chì significa chì malgradu u muvimentu, ùn ci hè sfocatura.
●Esposizione 256x più longa
Cù e camere TDI, u tempu di esposizione efficace di l'imagine hè datu da tuttu u tempu chì ci vole à un puntu nantu à u sughjettu per attraversà ogni fila di pixel, cù finu à 256 tappe dispunibili nantu à alcune camere TDI. Questu significa chì u tempu di esposizione dispunibule hè effettivamente 256 volte più grande di quellu chì una camera à scansione d'area puderia ottene.
Questu pò furnisce unu di dui miglioramenti, o un equilibriu di tramindui. Prima di tuttu, si pò ottene un aumentu significativu di a velocità di l'imaghjini. In paragone cù una camera di scansione d'area, u sughjettu di l'imaghjini pò spustassi finu à 256 volte più veloce mentre cattura sempre a stessa quantità di signale, à cundizione chì a velocità di linea di a camera sia abbastanza rapida per stà à u ritmu.
Da l’altra parte, s’ellu ci vole una più grande sensibilità, un tempu d’esposizione più longu puderia permette d’avè imagine di qualità assai più alta, una intensità d’illuminazione più bassa, o tramindui.
●Grande capacità di trasmissione di dati senza cucitura
Siccomu a camera TDI produce una maghjina bidimensionale da sezioni unidimensionali successive, l'imagine risultante pò esse grande quant'è necessariu. Mentre u numeru di pixel in a direzzione "orizzontale" hè datu da a larghezza di a camera, per esempiu 9072 pixel, a dimensione "verticale" di l'imagine hè illimitata, è hè semplicemente determinata da quantu tempu a camera hè in funzione. Cù velocità di linea finu à 510 kHz, questu pò furnisce un rendimentu di dati massivu.
Cumbinatu cù questu, e camere TDI ponu offre campi di vista assai larghi. Per esempiu, una camera di 9072 pixel cù pixel di 5 µm furnisce un campu di vista orizzontale di 45 mm cù alta risoluzione. Per ottene a stessa larghezza d'imaghjini cù una camera di scansione di area di pixel di 5 µm, ci vulerianu finu à trè camere 4K una accantu à l'altra.
●Migliuramenti rispetto à e camere di scansione lineare
E camere TDI ùn offrenu micca solu miglioramenti rispetto à e camere à scansione d'area. E camere à scansione lineare, chì catturanu solu una sola linea di pixel, soffrenu ancu di parechji di i stessi prublemi cù l'intensità di l'illuminazione è l'esposizioni corte cum'è e camere à scansione d'area.
Ancu s'è cum'è e camere TDI, e camere à scansione lineare offrenu un'illuminazione più uniforme cù una cunfigurazione più simplice, è evitanu a necessità di cucitura d'imagine, ponu spessu richiede un'illuminazione assai intensa è/o un muvimentu lentu di u sughjettu per catturà un segnale abbastanza per un'imagine di alta qualità. L'esposizioni più lunghe è e velocità di u sughjettu più veloci chì e camere TDI permettenu significanu chì si pò aduprà un'illuminazione à bassa intensità è à costu più bassu, migliurendu à tempu l'efficienza di l'imaghjini. Per esempiu, una linea di pruduzzione pò esse capace di passà da luci alogene à costu elevatu è à altu cunsumu energeticu chì richiedenu alimentazione CC, à l'illuminazione LED.
Cumu funzionanu e camere TDI?
Ci sò trè standard cumuni per cumu ottene l'imaghjini TDI nantu à un sensore di camera.
● CCD TDI– E camere CCD sò u tipu u più anticu di camere digitale. Per via di u so cuncepimentu elettronicu, ottene un cumpurtamentu TDI nantu à un CCD hè relativamente assai simplice, cù parechji sensori di camera intrinsecamente capaci di funziunà in questu modu. I CCD TDI sò dunque stati aduprati per decennii.
Tuttavia, a tecnulugia CCD hà i so limiti. A dimensione di pixel più chjuca cumunemente dispunibile per e camere CCD TDI hè intornu à 12µm x 12µm - questu, inseme cù u picculu numeru di pixel, limita a capacità di e camere di risolve i dettagli fini. Inoltre, a velocità di acquisizione hè più bassa chè altre tecnulugie, mentre chì u rumore di lettura - un fattore limitante maiò in l'imaghjini in poca luce - hè altu. U cunsumu energeticu hè ancu altu, chì hè un fattore maiò in alcune applicazioni. Questu hà purtatu à u desideriu di creà camere TDI basate nantu à l'architettura CMOS.
●CMOS TDI iniziale: Dominiu di tensione è somma digitale
E camere CMOS superanu parechje di e limitazioni di rumore è di velocità di e camere CCD, mentre utilizanu menu energia è offrenu dimensioni di pixel più chjuche. Tuttavia, u cumpurtamentu TDI era assai più difficiule da ottene nantu à e camere CMOS, per via di u so cuncepimentu di pixel. Mentre i CCD movenu fisicamente i fotoelettroni da pixel à pixel per gestisce u sensore, e camere CMOS cunvertenu i signali in fotoelettroni in tensioni in ogni pixel prima di a lettura.
U cumpurtamentu TDI nant'à un sensore CMOS hè statu esploratu dapoi u 2001, ma a sfida di cumu gestisce l'"accumulazione" di signale mentre l'esposizione si move da una fila à l'altra era significativa. Dui di i primi metudi per CMOS TDI sempre aduprati in e camere cummerciali oghje sò l'accumulazione di u duminiu di tensione è a somma digitale TDI CMOS. In e camere à accumulazione di u duminiu di tensione, mentre ogni fila di signale hè acquistata mentre u sughjettu di l'imaghjini si move, a tensione acquistata hè aghjunta elettronicamente à l'acquisizione tutale per quella parte di l'imagine. L'accumulazione di tensioni in questu modu introduce rumore supplementu per ogni stadiu TDI supplementu chì hè aghjuntu, limitendu i benefici di i stadii supplementari. I prublemi di linearità sfidanu ancu l'usu di queste camere per applicazioni precise.
U secondu metudu hè a somma digitale TDI. In questu metudu, una camera CMOS funziona effettivamente in modu di scansione di area cù una esposizione assai corta currispondente à u tempu impiegatu da u sughjettu di l'imaghjini per spustassi nantu à una sola fila di pixel. Ma, e righe di ogni quadru successivu sò aghjunte inseme digitalmente in modu tale da ottene un effettu TDI. Siccomu tutta a camera deve esse letta per ogni fila di pixel in l'immagine risultante, sta aghjunta digitale aghjusta ancu u rumore di lettura per ogni fila è limita a velocità di acquisizione.
●U standard mudernu: CMOS TDI à duminiu di carica, o CCD-on-CMOS TDI
I limiti di CMOS TDI sopra sò stati superati recentemente per via di l'introduzione di CMOS TDI à accumulazione di duminiu di carica, cunnisciutu ancu cum'è CCD-on-CMOS TDI. U funziunamentu di sti sensori hè dimustratu in [Animazione 1]. Cum'è u nome implica, sti sensori offrenu u muvimentu di cariche simile à CCD da un pixel à l'altru, accumulendu u signale à ogni tappa TDI per via di l'aghjunta di fotoelettroni à u livellu di e cariche individuali. Questu hè effettivamente senza rumore. Tuttavia, i limiti di CCD TDI sò superati per via di l'usu di l'architettura di lettura CMOS, chì permette l'alte velocità, u bassu rumore è u bassu cunsumu energeticu cumuni à e camere CMOS.
Specifiche TDI: ciò chì importa?
●Tecnulugia:U fattore u più impurtante hè a tecnulugia di sensori aduprata cum'è discrittu sopra. U CMOS TDI di duminiu di carica furnisce e migliori prestazioni.
●Stadii TDI:Questu hè u numeru di file di u sensore annantu à quale u signale pò esse accumulatu. Più stadii TDI hà una camera, più longu pò esse u so tempu di esposizione efficace. O, più veloce pò spustassi u sughjettu di l'imaghjini, basta chì a camera abbia una velocità di linea sufficiente.
●Tariffa di linea:Quante righe a camera pò leghje per seconda. Questu determina a velocità massima di muvimentu chì a camera pò mantene.
●Efficienza quanticaQuestu indica a sensibilità di a camera à a luce à diverse lunghezze d'onda, data da a probabilità chì un fotone incidente sia rilevatu è pruduci un fotoelettrone. Una maggiore efficienza quantica pò offre una forza d'illuminazione più bassa, o un funziunamentu più veloce mantenendu i stessi livelli di segnale.
Inoltre, e camere differiscenu in a gamma di lunghezze d'onda à a quale si pò ottene una bona sensibilità, cù alcune camere chì offrenu sensibilità finu à l'estremità ultravioletta (UV) di u spettru, à circa 200 nm di lunghezza d'onda.
●Leghje u rumore:U rumore di lettura hè l'altru fattore significativu in a sensibilità di una camera, determinendu u signale minimu chì pò esse rilevatu sopra u rumore di fondu di a camera. Cù un rumore di lettura elevatu, e caratteristiche scure ùn ponu esse rilevate è a gamma dinamica hè assai ridutta, ciò chì significa chì si deve aduprà un'illuminazione più luminosa o tempi di esposizione più lunghi è velocità di muvimentu più lente.
Specifiche TDI: ciò chì importa?
Attualmente, e camere TDI sò aduprate per l'ispezione web, l'ispezione elettronica è di fabricazione, è altre applicazioni di visione artificiale. In più di questu, ci sò applicazioni difficili in poca luce cum'è l'imaghjini à fluorescenza è a scansione di diapositive.
Tuttavia, cù l'introduzione di camere CMOS TDI à alta velocità, à bassu rumore è à alta sensibilità, ci hè un grande putenziale per aumenti di velocità è efficienza in nuove applicazioni chì prima utilizavanu solu camere à scansione d'area. Cum'è l'avemu introduttu à l'iniziu di l'articulu, e camere TDI ponu esse a megliu scelta per ottene alte velocità è alte qualità d'immagine sia per l'imaghjini di sughjetti digià in muvimentu custante, sia induve a camera puderia esse scansionata attraversu sughjetti d'imaghjini statiche.
Per esempiu, in una applicazione di microscopia, pudemu paragunà a velocità d'acquisizione teorica di una camera TDI di 9K pixel, 256 stadii cù pixel di 5 µm à una camera di scansione d'area di camera di 12MP cù pixel di 5 µm. Esaminemu l'acquisizione di una zona di 10 x 10 mm cù un ingrandimentu 20x muvendu u stadiu.
1. L'usu di un obiettivu 20x cù a camera di scansione di l'area furnirebbe un campu di vista d'imaghjini di 1,02 x 0,77 mm.
2. Cù a camera TDI, un obiettivu 10x cù un ingrandimentu supplementu 2x puderia esse adupratu per superà ogni limitazione in u campu di vista di u microscopiu, per furnisce un campu di vista d'imaghjini horizontale di 2,3 mm.
3. Suppunendu una sovrapposizione di pixel di 2% trà l'imagine per scopi di cucitura, 0,5 seconde per spustà u palcuscenicu in una pusizione definita, è un tempu di esposizione di 10 ms, pudemu calculà u tempu chì a camera di scansione di l'area ci vuleria. In listessu modu, pudemu calculà u tempu chì a camera TDI ci vuleria se u palcuscenicu fussi mantinutu in muvimentu custante per scansà in a direzzione Y, cù u listessu tempu di esposizione per linea.
4. In questu casu, a camera di scansione di l'area averebbe bisognu di 140 imagine per esse acquistate, cù 63 secondi passati à spustà u palcuscenicu. A camera TDI acquisterebbe solu 5 imagine lunghe, cù solu 2 secondi passati à spustà u palcuscenicu à a colonna successiva.
5. U tempu tutale passatu à acquistà l'area 10 x 10 mm seria64,4 secondi per a camera di scansione di zona,è ghjustu9,9 seconde per a camera TDI.
Sè vo vulete vede s'è una camera TDI puderia currisponde à a vostra applicazione è risponde à i vostri bisogni, cuntattateci oghje.
