25. 8. 2008V průmyslovém a vědeckém zobrazování představuje zachycení rychle se pohybujících objektů za slabého osvětlení neustálou výzvu. A právě zde nastupují kamery s integrací časového zpoždění (TDI). Technologie TDI kombinuje synchronizaci pohybu a vícenásobné expozice a poskytuje tak výjimečnou citlivost a jasnost obrazu, zejména ve vysokorychlostních prostředích.
Co je TDI kamera?
TDI kamera je specializovaná linková kamera, která zachycuje obrazy pohybujících se objektů. Na rozdíl od standardních plošných kamer, které exponují celý záběr najednou, TDI kamery přesouvají náboj z jedné řady pixelů do další synchronizovaně s pohybem objektu. Každá řada pixelů akumuluje světlo, když se objekt pohybuje, čímž efektivně prodlužuje dobu expozice a zvyšuje sílu signálu bez rozmazání pohybem.
Tato integrace náboje dramaticky zvyšuje poměr signálu k šumu (SNR), což činí TDI kamery ideální pro vysokorychlostní nebo slabé osvětlení.
Jak funguje TDI kamera?
Funkce TDI kamery je znázorněna na obrázku 1.
Obrázek 1: Funkce senzorů s integrací časového zpoždění (TDI)
POZNÁMKA: TDI kamery pohybují získanými náboji přes několik „fází“ synchronizovaně s pohybujícím se objektem snímku. Každá fáze poskytuje další možnost být vystaven světlu. Znázorněno pomocí jasného „T“ pohybujícího se přes kameru s 5sloupcovým krát 5stupňovým segmentem TDI senzoru. Tucsen Dhyana 9KTDI s hybridním pohybem náboje ve stylu CCD, ale paralelním odečítáním ve stylu CMOS.
TDI kamery jsou v podstatě kamery s řádkovým skenováním, s jedním důležitým rozdílem: namísto jedné řady pixelů, které shromažďují data při skenování kamery přes snímaný objekt, mají TDI kamery více řad, známých jako „fáze“, obvykle až do 256.
Tyto řádky však netvoří dvourozměrný obraz jako kamera s plošným skenováním. Místo toho se skenovaný objekt pohybuje přes snímač kamery a detekované fotoelektrony v každém pixelu se synchronně s pohybem snímaného objektu přesouvají do dalšího řádku, aniž by byly ještě načteny. Každý další řádek pak poskytuje další příležitost k vystavení snímaného objektu světlu. Teprve jakmile obrazový řez dosáhne posledního řádku pixelů snímače, je tento řádek předán do architektury čtení k měření.
Tudíž i přes více měření prováděných napříč jednotlivými fázemi kamery se šum čtení z kamery vyskytuje pouze v jednom případě. TDI kamera s 256 fázemi udržuje vzorek v zorném poli 256krát déle, a proto má 256krát delší expoziční čas než ekvivalentní řádková kamera. Ekvivalentní expoziční čas s plošnou kamerou by vedl k extrémnímu rozmazání pohybem, což by obraz učinilo nepoužitelným.
Kdy lze použít TDI?
TDI kamery jsou vynikajícím řešením pro jakoukoli zobrazovací aplikaci, kde se snímaný objekt pohybuje vzhledem k kameře, za předpokladu, že pohyb je rovnoměrný v celém zorném poli kamery.
Aplikace TDI zobrazování proto zahrnují na jedné straně všechny ty metody řádkového skenování, kde se vytvářejí 2-rozměrné obrazy, a zároveň přináší vyšší rychlosti, mnohem lepší citlivost za slabého osvětlení, lepší kvalitu obrazu nebo všechny tři najednou. Na druhé straně existuje mnoho zobrazovacích technik, které využívají plošné kamery, kde lze použít TDI kamery.
U vysoce citlivých sCMOS TDI lze v biologické fluorescenční mikroskopii provádět zobrazování „dlaždicově a stehovací“ metodou s použitím nepřetržitého skenování stolku namísto dlaždicového snímání. Nebo se všechny TDI metody mohou dobře hodit pro inspekční aplikace. Další důležitou aplikací TDI je zobrazovací průtoková cytometrie, kde se fluorescenční snímky buněk získávají při průchodu kamerou mikrofluidním kanálem.
Výhody a nevýhody sCMOS TDI
Výhody
● Při skenování napříč zobrazovaným objektem dokáže vysokou rychlostí zachytit 2D obrazy libovolné velikosti.
● Vícestupňová úprava křivky transformace (TDI), nízký šum a vysoká kvantová účinnost (QE) mohou vést k výrazně vyšší citlivosti než u řádkových kamer.
● Lze dosáhnout velmi vysokých rychlostí čtení, například až 510 000 Hz (řádků za sekundu), pro obrázek o šířce 9 072 pixelů.
●Osvětlení musí být pouze jednorozměrné a nemusí vyžadovat žádné korekce plochého pole ani jiné korekce v druhém (skenovaném) rozměru. Delší expoziční časy ve srovnání s řádkovým skenováním navíc mohou „vyhladit“ blikání způsobené střídavými světelnými zdroji.
● Pohyblivé obrazy lze pořídit bez rozmazání a s vysokou rychlostí a citlivostí.
●Skenování velkých ploch může být drasticky rychlejší než u plošných skenovacích kamer.
● S pokročilým softwarem nebo nastavením spouštění může režim „podobný plošnému skenování“ poskytnout přehled plošného skenování pro zaostření a zarovnání.
Nevýhody
● Stále vyšší šum než u konvenčních sCMOS kamer, což znamená, že aplikace s velmi nízkým osvětlením jsou nedosažitelné.
● Vyžaduje specializovaná nastavení s pokročilým spouštěním pro synchronizaci pohybu snímaného objektu se skenováním kamery, velmi jemné ovládání rychlosti pohybu nebo přesnou predikci rychlosti pro umožnění synchronizace.
● Vzhledem k tomu, že se jedná o novou technologii, existuje v současné době jen málo řešení pro implementaci hardwaru a softwaru.
sCMOS TDI pro slabé osvětlení
Ačkoli TDI jako zobrazovací technika předchází digitální zobrazování a již dávno překonala řádkové skenování ve výkonu, teprve v posledních několika letech získaly TDI kamery citlivost potřebnou k dosažení aplikací za slabého osvětlení, které by normálně vyžadovaly citlivost vědecké úrovně.sCMOS kamery.
„sCMOS TDI“ kombinuje pohyb nábojů po senzoru podobný CCD s čtením ve stylu sCMOS, přičemž jsou k dispozici senzory s podsvícením. Předchozí fotoaparáty TDI založené na CCD nebo čistě CMOS* měly drasticky pomalejší čtení, menší počet pixelů, méně fází a šum při čtení mezi 30e a >100e. Naproti tomu sCMOS TDI, jako například Tucsen...sCMOS kamera Dhyana 9KTDInabízí čtecí šum 7,2e- v kombinaci s vyšší kvantovou účinností díky zadnímu osvětlení, což umožňuje použití TDI v aplikacích s výrazně nižší úrovní osvětlení, než bylo dříve možné.
V mnoha aplikacích mohou delší expoziční časy umožněné procesem TDI více než kompenzovat zvýšení čtecího šumu ve srovnání s vysoce kvalitními sCMOS kamerami s plošným skenováním se čtecím šumem blízkým 1e-.
Běžné aplikace TDI kamer
TDI kamery se nacházejí v mnoha odvětvích, kde jsou přesnost a rychlost stejně důležité:
● Kontrola polovodičových destiček
● Testování plochých displejů (FPD)
● Inspekce rouna (papír, film, fólie, textilie)
● Rentgenové skenování v lékařské diagnostice nebo při kontrole zavazadel
● Skenování sklíček a vícejamkových destiček v digitální patologii
● Hyperspektrální zobrazování v dálkovém průzkumu Země nebo v zemědělství
● Kontrola desek plošných spojů a elektroniky v SMT linkách
Tyto aplikace těží ze zvýšeného kontrastu, rychlosti a jasnosti, které zobrazování TDI poskytuje v reálných podmínkách.
Příklad: Skenování sklíček a vícejamkových destiček
Jak již bylo zmíněno, jednou z aplikací s výrazným potenciálem pro sCMOS TDI kamery jsou aplikace sešívání, včetně skenování sklíček nebo vícejamkových destiček. Skenování velkých fluorescenčních nebo světlozorových mikroskopických vzorků pomocí 2D plošných kamer se spoléhá na sešívání mřížky obrazů vytvořené z více pohybů stolku XY mikroskopu. Každý obraz vyžaduje, aby se stolek zastavil, ustálil a poté restartoval, spolu s případným zpožděním rolovací závěrky. TDI na druhou stranu může pořizovat obrazy, zatímco se stolek pohybuje. Obraz je poté vytvořen z malého počtu dlouhých „pásů“, z nichž každý pokrývá celou šířku vzorku. To může potenciálně vést k drasticky vyšším rychlostem snímání a propustnosti dat ve všech aplikacích sešívání, v závislosti na zobrazovacích podmínkách.
Rychlost, s jakou se stolek může pohybovat, je nepřímo úměrná celkovému expozičnímu času TDI kamery, takže krátké expoziční časy (1–20 ms) nabízejí největší zlepšení rychlosti snímání ve srovnání s kamerami s plošným skenováním, což pak může vést k řádovému nebo většímu zkrácení celkové doby snímání. U delších expozičních časů (např. > 100 ms) si plošné skenování obvykle může zachovat časovou výhodu.
Příklad velmi velkého (2 gigapixelového) obrazu z fluorescenční mikroskopie, vytvořeného za pouhých deset sekund, je znázorněn na obrázku 2. Ekvivalentní obraz vytvořený kamerou pro skenování plochy by mohl trvat až několik minut.
Obrázek 2: 2gigapixelový obraz vytvořený za 10 sekund pomocí TDI skenování a sešívání
POZNÁMKA: Snímek s 10násobným zvětšením pořízený pomocí zvýrazňovače Tucsen Dhyana 9kTDI s tečkami pozorovanými pod fluorescenční mikroskopií. Pořízeno za 10 sekund s expozičním časem 3,6 ms. Rozměry snímku: 30 mm x 17 mm, 58 000 x 34 160 pixelů.
Synchronizace TDI
Synchronizace TDI kamery se snímaným objektem (s odchylkou několika procent) je nezbytná – nesoulad rychlostí povede k efektu „rozmazání pohybem“. Tuto synchronizaci lze provést dvěma způsoby:
PrediktivníRychlost kamery se nastaví tak, aby odpovídala rychlosti pohybu na základě znalosti rychlosti pohybu vzorku, optiky (zvětšení) a velikosti pixelů kamery. Nebo metodou pokus-omyl.
SpuštěnoMnoho mikroskopických stolků, portálů a dalších zařízení pro pohyb zobrazovaných objektů může obsahovat enkodéry, které vysílají spouštěcí impuls do kamery pro danou vzdálenost pohybu. To umožňuje, aby stolek/portál a kamera zůstaly synchronizované bez ohledu na rychlost pohybu.
TDI kamery vs. řádkové a plošné kamery
Zde je srovnání TDI s dalšími populárními zobrazovacími technologiemi:
| Funkce | TDI kamera | Řádková skenovací kamera | Kamera pro skenování oblasti |
| Citlivost | Velmi vysoká | Střední | Nízká až střední |
| Kvalita obrazu (pohyb) | Vynikající | Dobrý | Rozmazané při vysokých rychlostech |
| Požadavky na osvětlení | Nízký | Střední | Vysoký |
| Kompatibilita s pohybem | Vynikající (pokud je synchronizováno) | Dobrý | Chudý |
| Nejlepší pro | Vysoká rychlost, slabé osvětlení | Rychle se pohybující objekty | Statické nebo pomalé scény |
TDI je jasnou volbou, když se scéna rychle pohybuje a úroveň osvětlení je omezená. Line scan představuje snížení citlivosti, zatímco plošné skenování je lepší pro jednoduchá nebo stacionární nastavení.
Výběr správné TDI kamery
Při výběru TDI kamery zvažte následující:
● Počet stupňů TDI: Více stupňů zvyšuje odstup signálu od šumu (SNR), ale také náklady a složitost.
● Typ snímače: sCMOS je preferován pro svou rychlost a nízký šum; CCD může být stále vhodný pro některé starší systémy.
● Rozhraní: Zajistěte kompatibilitu s vaším systémem – běžné možnosti jsou Camera Link, CoaXPress a 10GigE, jako nové trendy se objevily 100G CoF a 40G CoF.
● Spektrální odezva: Vyberte si mezi monochromatickým, barevným nebo blízkým infračerveným (NIR) režimem na základě potřeb aplikace.
● Možnosti synchronizace: Hledejte funkce, jako jsou vstupy pro enkodér nebo podpora externího spouštění pro lepší sladění pohybu.
Pokud vaše aplikace zahrnuje citlivé biologické vzorky, vysokorychlostní kontrolu nebo prostředí se slabým osvětlením, je sCMOS TDI pravděpodobně tou správnou volbou.
Závěr
Kamery TDI představují silný pokrok v oblasti zobrazovacích technologií, zejména pokud jsou postaveny na sCMOS senzorech. Kombinací synchronizace pohybu s víceřádkovou integrací nabízejí bezkonkurenční citlivost a jasnost pro dynamické scény se slabým osvětlením.
Ať už kontrolujete destičky, skenujete sklíčka nebo provádíte vysokorychlostní inspekce, pochopení fungování TDI vám může pomoci vybrat nejlepší řešení mezi...vědecké kamerypro vaše obrazové výzvy.
Často kladené otázky
Mohou TDI kamery fungovat v režimu skenování oblasti?
TDI kamery dokáží vytvářet (velmi tenké) 2D obrazy v režimu „plošného skenování“, čehož dosahují pomocí triku s časováním senzoru. To může být užitečné pro úkoly, jako je zaostřování a zarovnání.
Pro zahájení „expozice s plošným skenováním“ se senzor nejprve „vyčistí“ posunutím TDI alespoň o tolik kroků, kolik má kamera fází, co nejrychleji, a poté se zastaví. Toho se dosahuje buď softwarovým ovládáním, nebo hardwarovým spouštěním a ideálně se provádí ve tmě. Například kamera s 256 fázemi by měla přečíst alespoň 256 řádků a poté se zastavit. Těchto 256 řádků dat se zahodí.
I když není kamera spouštěna ani se nečtou řádky, senzor se chová stejně jako senzor s plošným skenováním, který exponuje obraz.
Požadovaný expoziční čas by pak měl uplynout s fotoaparátem v klidu, než se fotoaparát znovu posune alespoň o požadovaný počet kroků a načte každý řádek právě pořízeného obrazu. V ideálním případě by tato fáze „čtení“ měla probíhat ve tmě.
Tuto techniku lze opakovat a poskytnout tak „živý náhled“ nebo sekvenci obrazů skenovaných oblastí s minimálním zkreslením a rozmazáním způsobeným operací TDI.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Všechna práva vyhrazena. Při citaci prosím uveďte zdroj:www.tucsen.com
