15.06.2022Die Erfassung von unscharfem Licht stellt in vielen Bildgebungsanwendungen eine Herausforderung für die Erzeugung klarer, kontrastreicher Bilder dar. Die digitale Lichtscheibenmikroskopie (DSLM) bietet eine leistungsstarke Möglichkeit, die Erfassung von unscharfem Licht durch die Synchronisierung der Beleuchtung mit dem Rolling Shutter moderner CMOS-Kameras zu reduzieren. Diese präzise Synchronisierung erfordert jedoch die vollständige Kontrolle über den Rolling Shutter der Kamera – eine Funktion, die Tucsen-Kameras mit dem Rolling Shutter Control Mode bieten.
Was ist ein Rollladen?
Der Verschluss ist der Teil der Kamera, der die Belichtung startet und stoppt. Früher verwendeten wissenschaftliche Kameras mechanische Verschlüsse, die sich zum Belichten öffneten und zum Beenden der Belichtung schlossen. Mechanische Verschlüsse waren langsam und bei längerem Gebrauch anfällig für Zuverlässigkeitsprobleme. Heute verwenden wissenschaftliche Kameras elektronische Verschlüsse, die deutlich schneller, einfacher und vielseitiger sind.
Kameras mit Rolling Shutter beginnen die Bildaufnahme am oberen Rand des Sensors und „rollen“ zeilenweise nach unten. Dieser Aufnahmevorgang umfasst drei Schritte: Signalrücksetzung, Belichtung und Auslesen.
Die Belichtung jeder Zeile beginnt mit dem Zurücksetzen des erfassten Signals jedes Pixels. Nach Ablauf der festgelegten Belichtungszeit für die oberste Zeile wird das Auslesesignal, das das Ende der Aufnahme markiert, auf die gleiche Weise zurückgesetzt. Dadurch entsteht ein Bereich aktiver Pixel, der sich von oben nach unten durch die Kamera bewegt, wobei seine Höhe durch die Länge der Belichtungszeit bestimmt wird. Bei maximaler Kamerageschwindigkeit beträgt die Verzögerung pro Zeile typischerweise zwischen 5 und 25 Mikrosekunden, abhängig von der Kamerageschwindigkeit.
Um optische Verfahren zu nutzen, die eine Synchronisierung der Beleuchtungsabtastung und des Rolling Shutter der Kamera erfordern, ist diese Verzögerung typischerweise zu kurz. Das bedeutet, dass der Rolling Shutter zu schnell arbeitet, als dass andere Hardwarekomponenten folgen können. Hier kommt der Rolling Shutter Control Mode ins Spiel.
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Funktionsweise eines Rollladens
Funktionsweise des Rolling-Shutter-Steuerungsmodus
Dank der in Tucsen-Kameras integrierten Intelligenz lässt sich der Rolling-Shutter präzise auf die Synchronisierung mit externer Hardware abstimmen. Durch eine kurze zusätzliche Verzögerung zwischen dem Zurücksetzen und Auslesen jeder Zeile kann die Zeit, die der aktive Pixelbereich zum Überfahren des Sensors benötigt, so gesteuert werden, dass diese Synchronisierung ermöglicht wird.
Des Weiteren lässt sich die Spalthöhe des abgetasteten aktiven Bereichs feinjustieren. Längere Belichtungszeiten oder kürzere Laufzeitverzögerungen führen zu einer größeren Spalthöhe. Bei DSLM kann dies genutzt werden, um nur den beleuchteten Bereich der Probe abzubilden und so ein optimales Gleichgewicht zwischen maximaler Belichtungszeit der Pixel für eine effektive Signalerfassung und minimalem Streulicht zu erzielen.
Figur2Links: Schematische Darstellung des Rolling-Shutter-Betriebs bei voller Kamerageschwindigkeit. Rechts: Schematische Darstellung der Rolling-Shutter-Geschwindigkeit mit dem Rolling-Shutter-Steuerungsmodus, der eine zusätzliche Verzögerung zwischen den einzelnen Zeilen einfügt, um die Synchronisierung mit anderer Hardware zu ermöglichen.
Mit dieser optionalen Verzögerung gibt es nun drei wichtige Variablen zu verstehen, die die Funktionsweise des Rolling Shutters bestimmen: die Höhe des Bereichs der „aktiven“ Pixel und wie schnell dieser den Sensor durchläuft.
WartezeitDies ist die Standardzeit, die der Sensor benötigt, um eine Zeile auszulesen und zur nächsten überzugehen. Sie bestimmt die native „Geschwindigkeit“ des Kamerasensors und kann in der Kamerasoftware festgelegt oder für einen bestimmten Bereich von Interesse (ROI) und Kameramodus wie folgt angenähert werden:
Bei „Maximalbildrate der Kamera“ handelt es sich um die Bildrate, die nicht durch die Belichtungszeit oder die externe Auslöserate begrenzt wird.
Expositionszeit:Dies bestimmt, wie lange jede Pixelzeile aktiv ist und somit die Höhe des aktiven Bereichs für eine gegebene Zeilenzeit und Verzögerungszeit.
Leitungszeitverzögerung:So viel zusätzliche Verzögerung wird durch den Rolling-Shutter-Steuerungsmodus hinzugefügt. Der Rolling-Shutter-Steuerungsmodus ermöglicht das Hinzufügen einer Verzögerung.in ganzzahligen Vielfachen der ZeilenzeitBeträgt die Zeilenlaufzeit einer Kamera beispielsweise 10 Mikrosekunden, so führt eine zusätzliche Verzögerung pro Zeile von 1, 2,…Es können bis zu 8.928 addiert werden, was die Anzahl der Vielfachen von 10 Mikrosekunden angibt.
Wichtig ist auch die Höhe des verwendeten Bereichs von Interesse (ROI), da diese die Anzahl der Zeilen bestimmt, die der aktive Bereich abtasten muss, bevor er zurückgesetzt wird.
Synchronisationsmodi für Rolling-Shutter-Steuerung
Der Rolling-Shutter-Steuerungsmodus verfügt über zwei Betriebsarten, je nachdem, welche Variable wichtiger zu steuern ist.
In LeitungszeitverzögerungsmodusSie können die Verzögerungszeit wie oben beschrieben einstellen. Die Software kann Ihnen dann für die von Ihnen angegebene Belichtungszeit die resultierende Spalthöhe – die Höhe der aktiven Pixel im Rolling Shutter – anzeigen.
In Aktive Pixel-/SpalthöheIm Modus können Sie die Anzahl der Sensorzeilen festlegen, die während des Rolling-Shutter-Sweeps aktiv sein sollen. Die von Ihnen angegebene Belichtungszeit wird dann verwendet, um die erforderliche Zeilenlaufzeitverzögerung zu berechnen, die für die automatische Einstellung dieser Spalthöhe notwendig ist.
Einrichten des Rolling-Shutter-Steuerungsmodus in der Software
Betriebsmodus-(Status-)Steuerung
Abbildung 3: Beispielhafte Benutzeroberfläche zur Steuerung des Rollladen-Steuerungsmodus mit der Tucsen Mosaic Software. Alle Optionen Verfügbar über Micro-Manager und SDK.
Es stehen drei Status (Betriebsmodi) zur Verfügung:Off, Leitungszeitverzögerung, Schlitzhöhe.
• Wenn eingestellt aufAusDer Sensor verhält sich wie gewohnt, ohne dass eine zusätzliche Verzögerung auftritt.
• Wenn eingestellt aufLeitungszeitverzögerungIm Modus können Sie die Leitungszeitverzögerung in Einheiten der Leitungszeit angeben, wie oben erläutert.
Abbildung 4: Softwareoptionen zur Leitungszeitverzögerung. BeispielBenutzeroberfläche der Tucsen Mosaic Software. Alle Optionen sind über Micro-Manager und SDK verfügbar.
Die Anzahl der Zeilenzeitzyklen, die zur konfigurierbaren Verzögerung hinzugefügt werden können, variiert von Kamera zu Kamera. Die neue Zeilenzeit der Kamera nach Hinzufügung der Verzögerung beträgt dann:
Linienintervallzeit = Linienzeit(Sensor)+ (Zeilenzeit)(Sensor)× Leitungszeitverzögerung)
Der Parameterwert vonRollgeschwindigkeitist gleichLinienintervallzeit.
Die gesamte Auslesezeit des Bildes beträgt dann:
RKopfZeit aus(Bild)= Linienintervallzeit×NZeilen.
NZeilenist die Gesamtzahl der Zeilen von Bildpixeln im relevanten Bereich. Die Bildrate bei der Bildgebung in diesem Modus hängt von der Anzahl der abzubildenden Zeilen und der Zeilenzykluszeit ab:
Bildrate = 1/(Auslesezeit)(Bild)+ Belichtungszeit)
•Wenn eingestellt aufSchlitzhöhe mode, Sie können die einstellenDie Größe des abgetasteten aktiven Bereichs wird durch t angegeben.die Anzahl der Pixelzeilen zwischen dem "Reset"-Signal und dem "Readout"-Signal.Die Spalthöhe kann zwischen 1 und 2048 Pixeln eingestellt werden. Um dies in eine physikalische Größe umzurechnen, multiplizieren Sie diesen Wert mit der Pixelgröße aus dem Datenblatt der Kamera.
Abbildung 5: Steuerungsoptionen für den Schlitzhöhenmodus. BeispielBenutzeroberfläche der Tucsen Mosaic Software. Alle Optionen sind über Micro-Manager und SDK verfügbar.
Die Software berechnet automatisch die erforderliche Leitungszeitverzögerung und die Leitungsintervallzeit. Die Formel lautet wie folgt:
Leitungsverzögerung = Belichtungszeit(Zeilen)/ Schlitzhöhe(Zeilen)
Im Hochgeschwindigkeitsmodus (Verstärkungsmodus der Kamera) kann der Spalthöhenbereich nur auf eine gerade Zahl eingestellt werden, da in diesem Modus die Zeilen paarweise ausgelesen werden. Die Parameter im Hochgeschwindigkeitsmodus werden wie folgt berechnet.
Leitungsverzögerung = Belichtungszeit(Zeilen)/ ½ Schlitzhöhe(Zeilen)
Schlitzhöhe = (Expositionszeit(Zeilen)÷ Leitungszeitverzögerung)×2
Scanrichtungssteuerung
Für die Richtung des Rollladens gibt es drei Möglichkeiten:
DeigenDie Abtastrichtung nach unten ist die Standardabtastrichtung für sCMOS-Kameras. Der Rolling Shutter beginnt in der ersten Zeile am oberen Rand des Sensors und scannt bis zur letzten Zeile am unteren Rand. Jede nachfolgende Bildaufnahme beginnt wieder in der ersten Zeile am oberen Rand.
Abbildung 6: Schematische Darstellung des Abwärts-Scanmodus
Up：Im Aufwärtsscan-Modus beginnt der Rolling Shutter in der untersten Zeile und scannt bis zur obersten Zeile der ersten Reihe. Jede weitere Bildaufnahme beginnt wieder in der untersten Zeile. Obwohl die Reihenfolge der Datenerfassung an der Kamera nun umgekehrt ist, behält das an die Software übermittelte Bild seine ursprüngliche Ausrichtung bei, d. h. es wird im Vergleich zum Abwärtsscan-Modus nicht vertikal gespiegelt.
Abbildung 7: Schematische Darstellung des Aufwärts-Scanmodus
Abwärts-Aufwärts-ZyklusBeim abwechselnden Scannen von oben nach unten beginnt der Rolling Shutter in der obersten Zeile und scannt bis zur untersten Zeile. Für das nächste Bild beginnt er in der untersten Zeile und scannt bis zur obersten Zeile usw. Die Ausrichtung des in diesem Modus aufgenommenen Bildes entspricht der Ausrichtung beim Scannen von oben nach unten.
Abbildung 8: Schematische Darstellung des Abwärts-Aufwärts-Zyklus-Scanmodus
• Readout Richtung zurücksetzen
Diese Funktion ist nur im Abwärts-Aufwärts-Zyklusmodus verfügbar.
Die Standardeinstellung für diesen Parameter ist „Ja“, wodurch sichergestellt wird, dass das erste Bild jeder neuen Aufnahmesequenz in der obersten Zeile beginnt und nach unten gescannt wird.
Wenn dieser Parameter auf „Nein“ gesetzt ist, beginnt das erste Bild jeder neuen Aufnahme an der Position des letzten Bildes der vorherigen Sequenz. Endet das letzte Bild in der untersten Zeile, beginnt das erste Bild der nachfolgenden Aufnahmen ebenfalls in der untersten Zeile und setzt sich nach oben fort.
