22. 7. 2013Integrace časového zpoždění (TDI) je zobrazovací technika, která předchází digitálnímu zobrazování – ale stále poskytuje obrovské výhody na špici dnešního zobrazování. Existují dvě situace, za kterých mohou TDI kamery zazářit – v obou případech, když se snímaný objekt pohybuje:
1 – Zobrazovaný objekt se inherentně pohybuje konstantní rychlostí, jako je tomu u inspekce webu (například skenování pohybujících se listů papíru, plastu nebo látky na vady a poškození), montážních linek nebo mikrofluidních systémů a proudění tekutin.
2 – Statické zobrazování objektů, které by mohly být zobrazeny kamerou pohybující se z oblasti do oblasti, a to buď pohybem objektu nebo kamery. Mezi příklady patří skenování mikroskopických sklíček, kontrola materiálů, kontrola plochých panelů atd.
Pokud by se některá z těchto okolností mohla vztahovat na vaše zobrazování, tato webová stránka vám pomůže zvážit, zda by přechod z konvenčních 2D kamer s „plošným skenováním“ na TDI kamery s řádkovým skenováním mohl vaše zobrazování vylepšit.
Problém s plošným skenováním a pohyblivými cíli
● Rozmazání pohybem
Některé zobrazované objekty se pohybují z nutnosti, například při kontrole proudění tekutin nebo pásů. V jiných aplikacích, jako je skenování diapozitivů a kontrola materiálů, může být udržení objektu v pohybu podstatně rychlejší a efektivnější než zastavení pohybu pro každý pořízený snímek. U kamer s plošným skenováním však může představovat problém, pokud se zobrazovaný objekt pohybuje vzhledem ke kameře.
Rozmazání pohybu zkreslující obraz jedoucího vozidla
V situacích s omezeným osvětlením nebo tam, kde je vyžadována vysoká kvalita obrazu, může být žádoucí dlouhý expoziční čas fotoaparátu. Pohyb objektu však během expozice rozptýlí světlo na více pixelů fotoaparátu, což povede k „rozmazání pohybem“. Tomu lze minimalizovat udržováním velmi krátkých expozic – pod dobou, kterou by bod na objektu potřeboval k průchodu pixelem fotoaparátu. Toto jeunobvykle na úkor tmavých, zašuměných a často nepoužitelných obrazů.
●Šití
Navíc typické zobrazování velkých nebo souvislých objektů pomocí plošných skenovacích kamer vyžaduje pořízení více snímků, které jsou následně spojeny dohromady. Toto spojení vyžaduje překrývající se pixely mezi sousedními snímky, což snižuje efektivitu a zvyšuje požadavky na ukládání a zpracování dat.
●Nerovnoměrné osvětlení
Navíc osvětlení jen zřídkakdy stačí k tomu, aby se předešlo problémům a artefaktům na hranicích mezi spojenými snímky. Také k zajištění osvětlení dostatečně velké plochy pro kameru s plošným skenováním s dostatečnou intenzitou je často nutné použití vysoce výkonných a drahých stejnosměrných světelných zdrojů.
Nerovnoměrné osvětlení při sešívání víceobrazových snímků mozku myši. Obrázek z publikace Watsona a kol., 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Co je TDI kamera a jak pomáhá?
U konvenčních 2D kamer s plošným skenováním existují tři fáze pořízení obrazu: reset pixelů, expozice a načtení. Během expozice jsou detekovány fotony ze scény, což vede k tvorbě fotoelektronů, které jsou uloženy v pixelech kamery až do konce expozice. Hodnoty z každého pixelu jsou poté načteny a vytvoří se 2D obraz. Pixely jsou poté resetovány a všechny náboje jsou vymazány, aby mohla začít další expozice.
Jak již bylo zmíněno, pokud se snímaný objekt pohybuje vzhledem k fotoaparátu, světlo z objektu se během expozice může rozptýlit na více pixelů, což vede k rozmazání pohybem. Kamery TDI toto omezení překonávají pomocí inovativní techniky. To je demonstrováno v [Animace 1].
●Jak fungují kamery TDI
TDI kamery fungují zásadně odlišným způsobem od plošných skenovacích kamer. Jak se snímaný objekt během expozice pohybuje po kameře, pohybují se také elektronické náboje tvořící pořízený obraz a zůstávají synchronizované. Během expozice jsou TDI kamery schopny přesouvat všechny pořízené náboje z jedné řady pixelů do další podél kamery, synchronizovaně s pohybem snímaného objektu. Jak se objekt pohybuje po kameře, každá řada (známá jako „TDI fáze“) poskytuje novou příležitost k expozici kamery na objekt a akumulaci signálu.
Jakmile řada získaných nábojů dosáhne konce kamery, teprve poté jsou hodnoty načteny a uloženy jako jednorozměrný výřez obrazu. Dvourozměrný obraz vzniká slepením každého následujícího výřezu obrazu, který kamera snímá. Každá řada pixelů ve výsledném obrazu sleduje a zobrazuje stejný „výřez“ snímaného objektu, což znamená, že i přes pohyb nedochází k rozmazání.
●256x delší expozice
U TDI kamer je efektivní expoziční čas obrazu dán celkovou dobou, kterou bod na objektu potřebuje k průchodu všemi řádky pixelů, přičemž některé TDI kamery mají k dispozici až 256 fází. To znamená, že dostupný expoziční čas je efektivně 256krát delší, než by dosáhla kamera s plošným skenováním.
To může přinést buď dvě vylepšení, nebo kombinaci obou. Zaprvé lze dosáhnout výrazného zvýšení rychlosti snímání. Ve srovnání s kamerou s plošným skenováním se snímaný objekt může pohybovat až 256krát rychleji a zároveň zachytit stejné množství signálu, za předpokladu, že rychlost linky kamery je dostatečně rychlá, aby udržela krok.
Na druhou stranu, pokud je vyžadována vyšší citlivost, delší expoziční čas by mohl umožnit pořízení snímků s mnohem vyšší kvalitou, nižší intenzitou osvětlení nebo obojí.
●Velká datová propustnost bez spojování dat
Protože TDI kamera vytváří 2D obraz z po sobě jdoucích 1D řezů, výsledný obraz může být libovolně velký. Zatímco počet pixelů v „horizontálním“ směru je dán šířkou kamery, například 9072 pixelů, „vertikální“ velikost obrazu je neomezená a jednoduše určena dobou provozu kamery. S rychlostí linky až 510 kHz to může zajistit masivní datovou propustnost.
V kombinaci s tím mohou kamery TDI nabízet velmi široká zorná pole. Například kamera s rozlišením 9072 pixelů a velikostí pixelů 5 µm poskytuje horizontální zorné pole 45 mm s vysokým rozlišením. K dosažení stejné šířky obrazu s kamerou s plochou pixelů 5 µm by bylo zapotřebí až tří 4K kamer vedle sebe.
●Vylepšení oproti řádkovým skenovacím kamerám
Kamery TDI nenabízejí jen vylepšení oproti plošným skenovacím kamerám. Řádkové skenovací kamery, které zachycují pouze jeden řádek pixelů, trpí také mnoha stejnými problémy s intenzitou osvětlení a krátkými expozicemi jako plošné skenovací kamery.
Ačkoli podobně jako TDI kamery nabízejí řádkové kamery rovnoměrnější osvětlení s jednodušším nastavením a vyhýbají se nutnosti spojování snímků, mohou často vyžadovat velmi intenzivní osvětlení a/nebo pomalý pohyb objektu k zachycení dostatečného množství signálu pro vysoce kvalitní snímek. Delší expozice a vyšší rychlosti objektu, které TDI kamery umožňují, znamenají, že lze použít nižší intenzitu a levnější osvětlení a zároveň zlepšit efektivitu obrazu. Například výrobní linka by mohla být schopna přejít z drahých halogenových světel s vysokou spotřebou energie vyžadujících stejnosměrný proud na LED osvětlení.
Jak fungují TDI kamery?
Existují tři běžné standardy pro dosažení TDI zobrazování na snímači kamery.
● CCD TDI– CCD kamery jsou nejstarším typem digitálních fotoaparátů. Díky své elektronické konstrukci je dosažení chování TDI u CCD snímače poměrně velmi jednoduché a mnoho senzorů fotoaparátu je inherentně schopno tímto způsobem fungovat. TDI CCD snímače se proto používají již po celá desetiletí.
Technologie CCD má však svá omezení. Nejmenší velikost pixelu běžně dostupná pro CCD TDI kamery je přibližně 12 µm x 12 µm – to spolu s malým počtem pixelů omezuje schopnost kamer rozlišit jemné detaily. Rychlost snímání je navíc nižší než u jiných technologií a šum při čtení – hlavní omezující faktor při snímání za slabého osvětlení – je vysoký. Spotřeba energie je také vysoká, což je v některých aplikacích zásadní faktor. To vedlo k touze vytvořit TDI kamery založené na architektuře CMOS.
●Rané CMOS TDI: Napěťová doména a digitální sčítání
CMOS kamery překonávají mnoho omezení šumu a rychlosti CCD kamer a zároveň spotřebovávají méně energie a nabízejí menší velikosti pixelů. Chování TDI bylo však u CMOS kamer mnohem obtížnější dosáhnout kvůli jejich pixelové konstrukci. Zatímco CCD fyzicky pohybují fotoelektrony z pixelu na pixel a řídí tak senzor, CMOS kamery převádějí signály ve fotoelektronech na napětí v každém pixelu před načtením.
Chování TDI na CMOS snímači se zkoumá od roku 2001, nicméně výzva, jak zvládnout „akumulaci“ signálu při přechodu expozice z jednoho řádku do druhého, byla značná. Dvě rané metody pro CMOS TDI, které se dodnes používají v komerčních fotoaparátech, jsou akumulace v napěťové doméně a digitální sumační TDI CMOS. U kamer s akumulací v napěťové doméně se při snímání každého řádku signálu, kterým se pohybuje snímaný objekt, elektronicky přidává k celkovému snímání pro danou část obrazu. Akumulace napětí tímto způsobem zavádí dodatečný šum pro každý další přidaný stupeň TDI, což omezuje výhody dalších stupňů. Problémy s linearitou také zpochybňují použití těchto kamer pro přesné aplikace.
Druhou metodou je digitální sčítání TDI. V této metodě CMOS kamera efektivně běží v režimu skenování oblasti s velmi krátkou expozicí, která odpovídá době potřebné k pohybu snímaného objektu přes jednu řadu pixelů. Řádky z každého následujícího snímku se však digitálně sčítají tak, aby se dosáhlo efektu TDI. Protože pro každou řadu pixelů ve výsledném snímku musí být načtena celá kamera, toto digitální sčítání také přidává šum čtení pro každou řadu a omezuje rychlost snímání.
●Moderní standard: CMOS s nábojovou doménou TDI nebo CCD-on-CMOS TDI
Výše uvedená omezení CMOS TDI byla nedávno překonána zavedením TDI CMOS s akumulací nábojové domény, známého také jako CCD-on-CMOS TDI. Fungování těchto senzorů je demonstrováno v [Animace 1]. Jak název napovídá, tyto senzory nabízejí pohyb nábojů z jednoho pixelu na druhý podobný CCD, přičemž v každém stupni TDI akumulují signál přidáním fotoelektronů na úrovni jednotlivých nábojů. To je prakticky bez šumu. Omezení CCD TDI jsou však překonána použitím architektury čtení CMOS, která umožňuje vysoké rychlosti, nízký šum a nízkou spotřebu energie, které jsou běžné pro CMOS kamery.
Specifikace TDI: na čem záleží?
●Technologie:Nejdůležitějším faktorem je použitá technologie senzoru, jak je uvedeno výše. Nejlepší výkon poskytne CMOS TDI s nábojovou doménou.
●Fáze TDI:Toto je počet řádků senzoru, ve kterých lze akumulovat signál. Čím více fází TDI má kamera, tím delší může být její efektivní expoziční čas. Nebo tím rychleji se může snímaný objekt pohybovat, za předpokladu, že kamera má dostatečnou rychlost řádkování.
●Rychlost linky:Kolik řádků dokáže kamera přečíst za sekundu. To určuje maximální rychlost pohybu, kterou kamera zvládne.
●Kvantová účinnost: Toto ukazuje citlivost kamery na světlo o různých vlnových délkách, danou pravděpodobností detekce dopadajícího fotonu a produkce fotoelektronu. Vyšší kvantová účinnost může nabídnout nižší intenzitu osvětlení nebo rychlejší provoz při zachování stejných úrovní signálu.
Kamery se navíc liší v rozsahu vlnových délek, ve kterém lze dosáhnout dobré citlivosti, přičemž některé kamery nabízejí citlivost až do ultrafialového (UV) konce spektra, na vlnové délce kolem 200 nm.
●Čtení šumu:Dalším významným faktorem citlivosti fotoaparátu je šum při čtení, který určuje minimální signál, který lze detekovat nad úrovní šumu fotoaparátu. Při vysokém šumu při čtení nelze detekovat tmavé prvky a dynamický rozsah je výrazně omezen, což znamená, že je nutné použít jasnější osvětlení nebo delší expoziční časy a pomalejší rychlosti pohybu.
Specifikace TDI: na čem záleží?
V současné době se TDI kamery používají pro kontrolu pásů, kontrolu elektroniky a výroby a další aplikace strojového vidění. Spolu s tím existují i náročné aplikace za slabého osvětlení, jako je fluorescenční zobrazování a skenování diapozitivů.
S nástupem vysokorychlostních, nízkošumových a vysoce citlivých TDI CMOS kamer se však otevírá velký potenciál pro zvýšení rychlosti a efektivity v nových aplikacích, které dříve používaly pouze kamery s plošným skenováním. Jak jsme uvedli na začátku článku, TDI kamery mohou být nejlepší volbou pro dosažení vysokých rychlostí a vysoké kvality obrazu buď pro snímání objektů v neustálém pohybu, nebo tam, kde by kamera mohla skenovat přes statické zobrazované objekty.
Například v mikroskopické aplikaci bychom mohli porovnat teoretickou rychlost snímání 9K pixelové TDI kamery s 256 pixely a velikostí pixelů 5 µm s 12MP kamerou s plošným skenováním a velikostí pixelů 5 µm. Podívejme se na snímání oblasti 10 x 10 mm s 20násobným zvětšením pohybem stolku.
1. Použití objektivu s 20násobným zvětšením s kamerou pro skenování plochy by poskytlo zorné pole o rozměrech 1,02 x 0,77 mm.
2. S TDI kamerou lze použít 10násobný objektiv s 2násobným zvětšením k překonání jakéhokoli omezení zorného pole mikroskopu a dosáhnout horizontálního zobrazovacího pole o šířce 2,3 mm.
3. Za předpokladu 2% překrytí pixelů mezi snímky pro účely sešívání, 0,5 sekundy pro přesun stolku na nastavené místo a expozičního času 10 ms můžeme vypočítat čas, který by kamera pro skenování oblasti potřebovala. Podobně můžeme vypočítat čas, který by kamera TDI potřebovala, kdyby se stolek neustále pohyboval pro skenování ve směru Y, se stejným expozičním časem na řádek.
4. V tomto případě by kamera pro skenování plochy potřebovala k pořízení 140 snímků, přičemž by přesun stolku trval 63 sekund. Kamera TDI by pořídila pouze 5 dlouhých snímků, přičemž by přesun stolku do dalšího sloupce trval pouze 2 sekundy.
5. Celkový čas strávený získáním plochy 10 x 10 mm by byl64,4 sekundy pro kameru pro skenování oblasti,a jen9,9 sekundy pro kameru TDI.
Pokud byste chtěli zjistit, zda by TDI kamera odpovídala vaší aplikaci a splnila vaše potřeby, kontaktujte nás ještě dnes.
