22/07/13Time Delay Integration (TDI) er en billeddannelsesteknik, der er ældre end digital billeddannelse – men som stadig giver enorme fordele i den moderne billeddannelsesbranche. Der er to omstændigheder, hvor TDI-kameraer kan skinne – begge når motivet er i bevægelse:
1 – Det billeddannende motiv er i sagens natur i bevægelse med en konstant hastighed, som ved webinspektion (såsom scanning af bevægelige ark papir, plastik eller stof for defekter og skader), samlebånd eller mikrofluidik og væskestrømme.
2 – Statisk billeddannelse af motiver, der kan afbildes af et kamera, der flyttes fra område til område, enten ved at flytte motivet eller kameraet. Eksempler omfatter scanning af mikroskopglas, materialeinspektion, fladskærmsinspektion osv.
Hvis en af disse omstændigheder kan gælde for din billeddannelse, vil denne webside hjælpe dig med at overveje, om et skift fra konventionelle 2-dimensionelle 'områdescannings'-kameraer til Line Scan TDI-kameraer kan give din billeddannelse et løft.
Problemet med områdescanning og bevægelige mål
● Bevægelsessløring
Nogle motiver er i bevægelse af nødvendighed, for eksempel ved væskegennemstrømning eller webinspektion. I andre anvendelser, såsom diasscanning og materialeinspektion, kan det være betydeligt hurtigere og mere effektivt at holde motivet i bevægelse end at stoppe bevægelsen for hvert optaget billede. For områdescanningskameraer kan dette dog være en udfordring, hvis motivet er i bevægelse i forhold til kameraet.
Bevægelsessløring, der forvrænger et billede af et køretøj i bevægelse
I situationer med begrænset belysning, eller hvor der kræves høje billedkvaliteter, kan en lang kameraeksponeringstid være ønskelig. Motivets bevægelse vil dog sprede sit lys over flere kamerapixels under eksponeringen, hvilket fører til 'bevægelsessløring'. Dette kan minimeres ved at holde eksponeringerne meget korte – under den tid, det ville tage for et punkt på motivet at passere en kamerapixel. Dette erunnormalt på bekostning af mørke, støjende og ofte ubrugelige billeder.
●Syning
Derudover kræver billeddannelse af store eller kontinuerlige motiver med area scan-kameraer typisk optagelse af flere billeder, som derefter sammensættes. Denne sammensætning kræver overlappende pixels mellem tilstødende billeder, hvilket reducerer effektiviteten og øger kravene til datalagring og -behandling.
●Ujævn belysning
Derudover vil belysningen sjældent være tilstrækkelig til at undgå problemer og artefakter ved grænserne mellem sammenflettede billeder. For at give belysning over et stort nok område til områdescanningskameraet med tilstrækkelig intensitet kræver det ofte brug af kraftige og dyre DC-lyskilder.
Ujævn belysning i syning af en flerbilledoptagelse af en musehjerne. Billede fra Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Hvad er et TDI-kamera, og hvordan hjælper det?
I konventionelle 2-dimensionelle arealscanningskameraer er der tre faser i optagelsen af et billede: pixelnulstilling, eksponering og udlæsning. Under eksponeringen detekteres fotoner fra scenen, hvilket resulterer i fotoelektroner, som lagres i kameraets pixels indtil slutningen af eksponeringen. Værdierne fra hver pixel udlæses derefter, og et 2D-billede dannes. Pixels nulstilles derefter, og alle ladninger fjernes for at begynde den næste eksponering.
Men som nævnt, hvis motivet bevæger sig i forhold til kameraet, kan lyset fra motivet sprede sig over flere pixels under denne eksponering, hvilket fører til bevægelsessløring. TDI-kameraer overvinder denne begrænsning ved hjælp af en innovativ teknik. Dette demonstreres i [Animation 1].
●Sådan fungerer TDI-kameraer
TDI-kameraer fungerer fundamentalt anderledes end area scan-kameraer. Når motivet bevæger sig hen over kameraet under eksponeringen, bevæger de elektroniske ladninger, der udgør det optagne billede, sig også og forbliver synkroniserede. Under eksponeringen er TDI-kameraer i stand til at flytte alle optagne ladninger fra en række pixels til den næste langs kameraet, synkroniseret med motivets bevægelse. Når motivet bevæger sig hen over kameraet, giver hver række (kendt som et 'TDI-trin') en ny mulighed for at eksponere kameraet for motivet og akkumulere signal.
Når en række af optagne ladninger når enden af kameraet, aflæses værdierne først derefter og gemmes som et 1-dimensionelt udsnit af billedet. 2D-billedet dannes ved at sætte hvert efterfølgende udsnit af billedet sammen, mens kameraet læser dem. Hver række af pixels i det resulterende billede sporer og afbilder det samme 'udsnit' af motivet, hvilket betyder, at der på trods af bevægelsen ikke er nogen sløring.
●256x længere eksponering
Med TDI-kameraer er billedets effektive eksponeringstid givet ved den samlede tid, det tager for et punkt på motivet at krydse hver række af pixels, med op til 256 trin tilgængelige på nogle TDI-kameraer. Det betyder, at den tilgængelige eksponeringstid effektivt er 256 gange større, end et arealscanningskamera kunne opnå.
Dette kan give en af to forbedringer eller en balance mellem begge. For det første kan der opnås en betydelig forbedring af billedhastigheden. Sammenlignet med et area scan-kamera kan motivet bevæge sig op til 256 gange hurtigere, samtidig med at det optager den samme mængde signal, forudsat at kameraets linjehastighed er hurtig nok til at følge med.
Hvis der på den anden side kræves større følsomhed, kan den længere eksponeringstid muliggøre billeder af meget højere kvalitet, lavere lysintensitet eller begge dele.
●Stor datagennemstrømning uden sammenføjning
Da TDI-kameraet producerer et 2-dimensionelt billede fra successive 1-dimensionelle skiver, kan det resulterende billede være så stort, som der kræves. Mens antallet af pixels i den 'vandrette' retning er givet af kameraets bredde, for eksempel 9072 pixels, er billedets 'lodrette' størrelse ubegrænset og bestemmes simpelthen af, hvor længe kameraet kører. Med linjehastigheder på op til 510 kHz kan dette levere massiv datagennemstrømning.
Kombineret med dette kan TDI-kameraer tilbyde meget brede synsfelter. For eksempel giver et 9072 pixel kamera med 5µm pixels et horisontalt synsfelt på 45 mm med høj opløsning. For at opnå den samme billedbredde med et scanningskamera med et pixelareal på 5µm ville det kræve op til tre 4K-kameraer side om side.
●Forbedringer i forhold til linjescanningskameraer
TDI-kameraer tilbyder ikke kun forbedringer i forhold til area scan-kameraer. Linjescan-kameraer, der kun optager en enkelt linje med pixels, lider også af mange af de samme problemer med lysintensitet og korte eksponeringer som area scan-kameraer.
Selvom linjescanningskameraer, ligesom TDI-kameraer, tilbyder en mere jævn belysning med en enklere opsætning og undgår behovet for billedsammensætning, kan de ofte kræve meget intens belysning og/eller langsom motivbevægelse for at opfange nok signal til et billede i høj kvalitet. De længere eksponeringer og hurtigere motivhastigheder, som TDI-kameraer muliggør, betyder, at der kan bruges belysning med lavere intensitet og lavere omkostninger, samtidig med at billedeffektiviteten forbedres. For eksempel kan en produktionslinje muligvis gå fra dyre halogenlamper med højt strømforbrug, der kræver jævnstrøm, til LED-belysning.
Hvordan fungerer TDI-kameraer?
Der er tre almindelige standarder for, hvordan man opnår TDI-billeddannelse på en kamerasensor.
● CCD TDI– CCD-kameraer er den ældste type digitalkameraer. På grund af deres elektroniske design er det forholdsvis enkelt at opnå TDI-adfærd på et CCD, da mange kamerasensorer i sagens natur kan fungere på denne måde. TDI CCD'er har derfor været i brug i årtier.
CCD-teknologi har dog sine begrænsninger. Den mindste pixelstørrelse, der almindeligvis er tilgængelig for CCD TDI-kameraer, er omkring 12 µm x 12 µm – dette, sammen med et lavt pixelantal, begrænser kameraernes evne til at opløse fine detaljer. Derudover er optagelseshastigheden lavere end andre teknologier, mens læsestøj – en væsentlig begrænsende faktor ved billeddannelse i svagt lys – er høj. Strømforbruget er også højt, hvilket er en vigtig faktor i nogle applikationer. Dette førte til ønsket om at skabe TDI-kameraer baseret på CMOS-arkitektur.
●Tidlig CMOS TDI: Spændingsdomæne og digital summering
CMOS-kameraer overvinder mange af CCD-kameraers støj- og hastighedsbegrænsninger, samtidig med at de bruger mindre strøm og tilbyder mindre pixelstørrelser. TDI-adfærd var dog meget sværere at opnå på CMOS-kameraer på grund af deres pixeldesign. Mens CCD'er fysisk flytter fotoelektroner rundt fra pixel til pixel for at styre sensoren, konverterer CMOS-kameraer signaler i fotoelektroner til spændinger i hver pixel før aflæsning.
TDI-adfærd på en CMOS-sensor er blevet udforsket siden 2001, men udfordringen med at håndtere "akkumulering" af signal, når eksponeringen bevæger sig fra en række til den næste, var betydelig. To tidlige metoder til CMOS TDI, der stadig bruges i kommercielle kameraer i dag, er spændingsdomæneakkumulering og digital summering af TDI CMOS. I spændingsdomæneakkumuleringskameraer lægges den erhvervede spænding elektronisk til den samlede erhvervelse for den del af billedet, når hver række af signal erhverves, mens motivet bevæger sig forbi. Akkumulering af spændinger på denne måde introducerer yderligere støj for hvert ekstra TDI-trin, der tilføjes, hvilket begrænser fordelene ved yderligere trin. Problemer med linearitet udfordrer også brugen af disse kameraer til præcise applikationer.
Den anden metode er digital summering af TDI. I denne metode kører et CMOS-kamera effektivt i områdescanningstilstand med en meget kort eksponering, der matcher den tid, det tager for motivet at bevæge sig hen over en enkelt række pixels. Men rækkerne fra hvert efterfølgende billede lægges sammen digitalt på en sådan måde, at der opnås en TDI-effekt. Da hele kameraet skal aflæses for hver række pixels i det resulterende billede, tilføjer denne digitale addition også læsestøjen for hver række og begrænser optagelseshastigheden.
●Den moderne standard: charge-domain TDI CMOS eller CCD-on-CMOS TDI
Begrænsningerne ved CMOS TDI ovenfor er for nylig blevet overvundet gennem introduktionen af ladningsdomæneakkumulerende TDI CMOS, også kendt som CCD-på-CMOS TDI. Funktionen af disse sensorer er demonstreret i [Animation 1]. Som navnet antyder, tilbyder disse sensorer CCD-lignende bevægelse af ladninger fra en pixel til den næste og akkumulerer signalet i hvert TDI-trin gennem tilføjelse af fotoelektroner på niveau med de individuelle ladninger. Dette er effektivt støjfrit. Begrænsningerne ved CCD TDI overvindes dog ved brug af CMOS-udlæsningsarkitektur, der muliggør de høje hastigheder, lave støj og lave strømforbrug, der er almindelige for CMOS-kameraer.
TDI-specifikationer: hvad er vigtigt?
●Teknologi:Den vigtigste faktor er, hvilken sensorteknologi der anvendes, som beskrevet ovenfor. Charge-domain CMOS TDI vil levere den bedste ydeevne.
●TDI-trin:Dette er antallet af rækker på sensoren, over hvilke signalet kan akkumuleres. Jo flere TDI-trin et kamera har, desto længere kan dets effektive eksponeringstid være. Eller jo hurtigere kan motivet bevæge sig, forudsat at kameraet har tilstrækkelig linjehastighed.
●Linjehastighed:Hvor mange rækker kameraet kan læse pr. sekund. Dette bestemmer den maksimale bevægelseshastighed, som kameraet kan følge med i.
●KvanteeffektivitetDette angiver kameraets lysfølsomhed ved forskellige bølgelængder, givet ved sandsynligheden for, at en indfaldende foton detekteres og producerer en fotoelektron. Højere kvanteeffektivitet kan give lavere belysningsstyrke eller hurtigere drift, samtidig med at de samme signalniveauer opretholdes.
Derudover varierer kameraer med hensyn til det bølgelængdeområde, hvor god følsomhed kan opnås, hvor nogle kameraer tilbyder følsomhed helt ned til den ultraviolette (UV) ende af spektret, omkring 200 nm bølgelængde.
●Læs støj:Læsestøj er den anden vigtige faktor i et kameras følsomhed, da den bestemmer det minimale signal, der kan detekteres over kameraets støjbund. Med høj læsestøj kan mørke elementer ikke detekteres, og det dynamiske område reduceres kraftigt, hvilket betyder, at der skal anvendes lysere belysning eller længere eksponeringstider og langsommere bevægelseshastigheder.
TDI-specifikationer: hvad er vigtigt?
I øjeblikket bruges TDI-kameraer til webinspektion, elektronik- og produktionsinspektion samt andre maskinsynsapplikationer. Sideløbende med dette findes der udfordrende applikationer i svagt lys, såsom fluorescensbilleddannelse og diasscanning.
Men med introduktionen af højhastigheds-, lavstøjs- og højfølsomme TDI CMOS-kameraer er der et stort potentiale for hastigheds- og effektivitetsforøgelser i nye applikationer, der tidligere kun brugte area-scan-kameraer. Som vi introducerede i starten af artiklen, kan TDI-kameraer være det bedste valg til at opnå høje hastigheder og høje billedkvaliteter, enten til at afbilde motiver i konstant bevægelse, eller hvor kameraet kan scannes på tværs af statiske billedmotiver.
For eksempel kan vi i en mikroskopiapplikation sammenligne den teoretiske optagelseshastighed for et 9K pixel, 256-trins TDI-kamera med 5 µm pixels med et 12MP kameraområdescanningskamera med 5 µm pixels. Lad os undersøge optagelsen af et 10 x 10 mm område med 20x forstørrelse ved at flytte bordet.
1. Brug af et 20x objektiv med arealscanningskameraet ville give et billedfelt på 1,02 x 0,77 mm.
2. Med TDI-kameraet kunne et 10x objektiv med en 2x ekstra forstørrelse bruges til at overvinde enhver begrænsning i mikroskopets synsfelt og levere et horisontalt billedfelt på 2,3 mm.
3. Hvis vi antager 2% pixeloverlap mellem billeder til sammenføjning, 0,5 sekunder til at flytte scenen til en bestemt placering og en eksponeringstid på 10 ms, kan vi beregne den tid, som områdescanningskameraet ville bruge. På samme måde kan vi beregne den tid, som TDI-kameraet ville bruge, hvis scenen blev holdt i konstant bevægelse for at scanne i Y-retningen med den samme eksponeringstid pr. linje.
4. I dette tilfælde ville områdescanningskameraet kræve 140 billeder for at blive optaget, hvilket ville tage 63 sekunder at flytte scenen. TDI-kameraet ville kun optage 5 lange billeder, hvor det kun ville tage 2 sekunder at flytte scenen til den næste kolonne.
5. Den samlede tid brugt på at erhverve området på 10 x 10 mm ville være64,4 sekunder for områdescanningskameraet,og bare9,9 sekunder for TDI-kameraet.
Hvis du gerne vil se, om et TDI-kamera passer til din anvendelse og dine behov, så kontakt os i dag.
