25/08/08Inden for industriel og videnskabelig billeddannelse er det en konstant udfordring at optage objekter i hurtig bevægelse under svage lysforhold. Det er her, Time Delay Integration (TDI)-kameraer træder ind i billedet. TDI-teknologi kombinerer bevægelsessynkronisering og multieksponeringer for at levere enestående følsomhed og billedklarhed, især i miljøer med høj hastighed.
Hvad er et TDI-kamera?
Et TDI-kamera er et specialiseret linjescanningskamera, der optager billeder af objekter i bevægelse. I modsætning til standard områdescanningskameraer, der eksponerer en hel ramme på én gang, skifter TDI-kameraer ladning fra én række pixels til den næste synkront med objektets bevægelse. Hver pixelrække akkumulerer lys, når motivet bevæger sig, hvilket effektivt øger eksponeringstiden og forbedrer signalstyrken uden at forårsage bevægelsessløring.
Denne ladningsintegration øger signal-støj-forholdet (SNR) dramatisk, hvilket gør TDI-kameraer ideelle til applikationer med høj hastighed eller svagt lys.
Hvordan fungerer et TDI-kamera?
Betjeningen af et TDI-kamera er illustreret i figur 1.
Figur 1: Funktion af TDI-sensorer (Time Delay Integration)
NOTE: TDI-kameraer flytter optagne ladninger på tværs af flere 'trin' synkront med et motiv i bevægelse. Hvert trin giver en ekstra chance for at blive eksponeret for lys. Illustreret med et klart 'T', der bevæger sig hen over et kamera, med et 5-kolonne gange 5-trins segment af en TDI-sensor. Tucsen Dhyana 9KTDI med hybrid CCD-lignende ladningsbevægelse, men parallel aflæsning i CMOS-lignende stil.
TDI-kameraer er i praksis linjescanningskameraer, med én vigtig forskel: i stedet for én række pixels, der indsamler data, når kameraer scannes hen over et billedmotiv, har TDI-kameraer flere rækker, kendt som 'faser', typisk op til 256.
Disse rækker danner dog ikke et todimensionelt billede som et arealscanningskamera. I stedet, når et scannet motiv bevæger sig hen over kamerasensoren, flytter de detekterede fotoelektroner i hver pixel sig videre til den næste række synkront med motivets bevægelse, uden endnu at blive aflæst. Hver yderligere række giver derefter en yderligere mulighed for at eksponere motivet for lys. Først når et billedsnit når den sidste række af pixels i sensoren, sendes den række videre til aflæsningsarkitekturen til måling.
Derfor introduceres der kun én forekomst af kameralæsestøj, selvom der udføres flere målinger på tværs af kameratrinnene. Et 256-trins TDI-kamera holder prøven i synsfeltet 256 gange længere og har derfor 256 gange længere eksponeringstid end det tilsvarende linjescanningskamera. En tilsvarende eksponeringstid med et områdescanningskamera ville give ekstrem bevægelsessløring, hvilket ville gøre billedet ubrugeligt.
Hvornår kan TDI bruges?
TDI-kameraer er en fremragende løsning til enhver billeddannelsesapplikation, hvor motivet er i bevægelse i forhold til kameraet, forudsat at bevægelsen er ensartet på tværs af kameraets synsfelt.
Anvendelserne af TDI-billeddannelse omfatter derfor på den ene side alle typer linjescanning, hvor der dannes 2-dimensionelle billeder, samtidig med at det giver højere hastigheder, forbedret følsomhed ved svagt lys, bedre billedkvalitet eller alle tre på én gang. På den anden side er der mange billeddannelsesteknikker, der bruger områdescanningskameraer, hvor TDI-kameraer kan anvendes.
Til sCMOS TDI med høj følsomhed kan 'tile and stitch'-billeddannelse i biologisk fluorescensmikroskopi udføres ved hjælp af en non-stop scanning af scenen i stedet for tiling. Eller alle TDI kan være velegnede til inspektionsapplikationer. En anden vigtig anvendelse af TDI er billeddannelsesflowcytometri, hvor fluorescensbilleder af celler optages, når de passerer et kamera, mens de strømmer gennem en mikrofluidisk kanal.
Fordele og ulemper ved sCMOS TDI
Fordele
● Kan optage 2-dimensionelle billeder af vilkårlig størrelse med høj hastighed, når der scannes hen over et billedmotiv.
● Flere TDI-trin, lav støj og høj QE kan føre til drastisk højere følsomhed end linjescanningskameraer.
● Meget høje udlæsningshastigheder kan opnås, for eksempel op til 510.000 Hz (linjer pr. sekund), for et billede med en bredde på 9.072 pixels.
●Belysningen behøver kun at være 1-dimensionel og kræver ingen fladfelt- eller andre korrektioner i den anden (scannede) dimension. Derudover kan længere eksponeringstider sammenlignet med linjescanning 'udglatte' flimmer forårsaget af vekselstrømslyskilder.
● Bevægelige billeder kan optages uden bevægelsessløring og med høj hastighed og følsomhed.
●Scanning af store områder kan være betydeligt hurtigere end områdescanningskameraer.
● Med avanceret software eller triggeropsætninger kan en 'områdescanningslignende' tilstand give et områdescanningsoverblik for fokus og justering.
Ulemper
● Stadig højere støj end konventionelle sCMOS-kameraer, hvilket betyder, at applikationer i ultralavt lys er uden for rækkevidde.
● Kræver specialiserede opsætninger med avanceret triggerfunktion for at synkronisere motivets bevægelse med kameraets scanning, meget fin kontrol over bevægelseshastighed eller præcis forudsigelse af hastighed for at muliggøre synkronisering.
● Da det er en ny teknologi, findes der i øjeblikket få løsninger til hardware- og softwareimplementering.
sCMOS TDI, der kan bruges i svagt lys
Selvom TDI som billeddannelsesteknik er ældre end digital billeddannelse og for længe siden overgik linjescanning i ydeevne, er det først i de seneste par år, at TDI-kameraer har opnået den følsomhed, der kræves for at nå de applikationer i svagt lys, som normalt ville kræve følsomheden af videnskabelig kvalitet.sCMOS-kameraer.
'sCMOS TDI' kombinerer CCD-lignende bevægelse af ladninger hen over sensoren med sCMOS-lignende aflæsning, hvor bagbelyste sensorer er tilgængelige. Tidligere CCD-baserede eller rent CMOS-baserede* TDI-kameraer havde drastisk langsommere aflæsning, mindre pixelantal, færre trin og læsestøj mellem 30e- og >100e-. I modsætning hertil havde sCMOS TDI, såsom TucsenDhyana 9KTDI sCMOS-kameratilbyder læsestøj på 7,2e-, kombineret med højere kvanteeffektivitet gennem bagbelysning, hvilket muliggør brug af TDI i applikationer med betydeligt lavere lysniveau end tidligere muligt.
I mange applikationer kan de længere eksponeringstider, som TDI-processen muliggør, mere end kompensere for stigningen i læsestøj sammenlignet med sCMOS-områdescanningskameraer af høj kvalitet med læsestøj tæt på 1e-.
Almindelige anvendelser af TDI-kameraer
TDI-kameraer findes i mange brancher, hvor præcision og hastighed er lige så afgørende:
● Inspektion af halvlederwafere
● Test af fladskærme (FPD)
● Netinspektion (papir, film, folie, tekstiler)
● Røntgenscanning i forbindelse med medicinsk diagnostik eller bagagescreening
● Scanning af objektglas og flerbrøndsplader i digital patologi
● Hyperspektral billeddannelse i fjernmåling eller landbrug
● PCB- og elektronikinspektion i SMT-linjer
Disse applikationer drager fordel af den forbedrede kontrast, hastighed og klarhed, som TDI-billeddannelse giver under virkelige begrænsninger.
Eksempel: Scanning af objektglas og flerbrøndsplader
Som nævnt er en anvendelse med betydeligt potentiale for sCMOS TDI-kameraer sammenføjningsapplikationer, herunder scanning af dias eller multi-brøndsplader. Scanning af store fluorescerende eller lysfeltmikroskopiprøver med 2-dimensionelle arealkameraer er afhængig af sammenføjning af et gitter af billeder dannet af flere bevægelser af et XY-mikroskopbord. Hvert billede kræver, at bordet stopper, stabiliserer sig og derefter genstarter, sammen med enhver forsinkelse af den rullende lukker. TDI kan derimod optage billeder, mens bordet er i bevægelse. Billedet dannes derefter af et lille antal lange 'strimler', der hver dækker hele prøvens bredde. Dette kan potentielt føre til drastisk højere optagelseshastigheder og datagennemstrømning i alle sammenføjningsapplikationer, afhængigt af billeddannelsesforholdene.
Den hastighed, hvormed scenen kan bevæge sig, er omvendt proportional med TDI-kameraets samlede eksponeringstid, så korte eksponeringstider (1-20 ms) giver den største forbedring i billedhastighed sammenlignet med arealscanningskameraer, hvilket derefter kan føre til en størrelsesorden eller større reduktion i den samlede optagelsestid. Ved længere eksponeringstider (f.eks. > 100 ms) kan arealscanning normalt bevare en tidsfordel.
Et eksempel på et meget stort (2 gigapixel) fluorescensmikroskopibillede dannet på bare ti sekunder er vist i figur 2. Et tilsvarende billede dannet med et arealscanningskamera kan forventes at tage op til flere minutter.
Figur 2: 2 gigapixelbillede dannet på 10 sekunder via TDI-scanning og -sammensætning
NOTE: Billede med 10x forstørrelse taget med Tucsen Dhyana 9kTDI af overstregningstuschpunkter set med fluorescensmikroskopi. Optaget på 10 sekunder med en eksponeringstid på 3,6 ms. Billeddimensioner: 30 mm x 17 mm, 58.000 x 34.160 pixels.
Synkronisering af TDI
Synkroniseringen af et TDI-kamera med motivet (inden for et par procent) er afgørende – hastighedsmismatch vil føre til en 'bevægelsesslør'-effekt. Denne synkronisering kan udføres på to måder:
PrædiktivKamerahastigheden er indstillet til at matche bevægelseshastigheden baseret på kendskab til prøvens bevægelseshastighed, optik (forstørrelse) og kameraets pixelstørrelse. Eller prøv dig frem.
UdløstMange mikroskopborde, gantryer og andet udstyr til at bevæge billedobjekter kan inkludere encodere, der sender en triggerpuls til kameraet over en given bevægelsesafstand. Dette gør det muligt for bord/gantry og kamera at forblive synkroniserede uanset bevægelseshastighed.
TDI-kameraer vs. linjescannings- og områdescanningskameraer
Sådan klarer TDI sig i forhold til andre populære billeddannelsesteknologier:
| Funktion | TDI-kamera | Linjescanningskamera | Områdescanningskamera |
| Følsomhed | Meget høj | Medium | Lav til mellem |
| Billedkvalitet (bevægelse) | Fremragende | God | Sløret ved høje hastigheder |
| Krav til belysning | Lav | Medium | Høj |
| Bevægelseskompatibilitet | Fremragende (hvis synkroniseret) | God | Dårlig |
| Bedst til | Høj hastighed, svagt lys | Hurtigt bevægende objekter | Statiske eller langsomme scener |
TDI er det klare valg, når scenen bevæger sig hurtigt, og lysniveauet er begrænset. Linjescanning er en reduktion i følsomhed, mens områdescanning er bedre til simple eller stationære opsætninger.
Valg af det rigtige TDI-kamera
Når du vælger et TDI-kamera, skal du overveje følgende:
● Antal TDI-trin: Flere trin øger signal-støj-forholdet (SNR), men også omkostninger og kompleksitet.
● Sensortype: sCMOS foretrækkes på grund af dens hastighed og lave støj; CCD kan stadig være egnet til nogle ældre systemer.
● Grænseflade: Sørg for kompatibilitet med dit system – Camera Link, CoaXPress og 10GigE er almindelige muligheder, mens 100G CoF og 40G CoF er nye trends.
● Spektral respons: Vælg mellem monokrom, farve eller nær-infrarød (NIR) baseret på applikationens behov.
● Synkroniseringsmuligheder: Kig efter funktioner som encoderindgange eller ekstern triggerunderstøttelse for bedre bevægelsesjustering.
Hvis din applikation involverer sarte biologiske prøver, højhastighedsinspektion eller miljøer med svagt lys, er sCMOS TDI sandsynligvis det rette valg.
Konklusion
TDI-kameraer repræsenterer en kraftfuld udvikling inden for billedteknologi, især når de er bygget på sCMOS-sensorer. Ved at kombinere bevægelsessynkronisering med integration af flere linjer tilbyder de uovertruffen følsomhed og klarhed til dynamiske scener i svagt lys.
Uanset om du inspicerer wafere, scanner dias eller udfører højhastighedsinspektioner, kan forståelse af, hvordan TDI fungerer, hjælpe dig med at vælge den bedste løsning blandtvidenskabelige kameraertil dine billedudfordringer.
Ofte stillede spørgsmål
Kan TDI-kameraer fungere i områdescanningstilstand?
TDI-kameraer kan skabe (meget tynde) 2-dimensionelle billeder i en 'områdescanningslignende' tilstand, opnået gennem et trick med sensortiming. Dette kan være nyttigt til opgaver som fokus og justering.
For at starte en 'områdescanningseksponering' 'ryddes' sensoren først ved at fremskynde TDI'en mindst så mange trin, som kameraet har trin, så hurtigt som muligt, og derefter stoppe. Dette opnås enten via softwarestyring eller hardwareudløsning og udføres ideelt set i mørke. For eksempel skal et kamera med 256 trin læse mindst 256 linjer og derefter stoppe. Disse 256 linjer med data kasseres.
Mens kameraet ikke udløses eller linjer aflæses, opfører sensoren sig ligesom en områdescanningssensor, der eksponerer et billede.
Den ønskede eksponeringstid skal derefter forløbe med kameraet inaktivt, før kameraet igen bevæger sig fremad med mindst dets antal trin og læser hver linje af det netop optagne billede op. Ideelt set bør denne 'udlæsningsfase' igen foregå i mørke.
Denne teknik kan gentages for at give et 'live-preview' eller en sekvens af områdescanningsbilleder med minimal forvrængning og sløring fra TDI-operationen.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rettigheder forbeholdes. Angiv venligst kilden ved henvisning:www.tucsen.com
