22.07.13Time Delay Integration (TDI) ist eine Bildgebungstechnik, die bereits vor der digitalen Bildgebung entwickelt wurde – und auch heute noch enorme Vorteile bietet. TDI-Kameras können in zwei Situationen überzeugen – und zwar bei bewegten Motiven:
1 – Das abzubildende Objekt ist von Natur aus mit konstanter Geschwindigkeit in Bewegung, wie beispielsweise bei der Bahninspektion (z. B. beim Scannen bewegter Blätter aus Papier, Kunststoff oder Stoff auf Defekte und Schäden), bei Fließbändern oder in der Mikrofluidik und bei Flüssigkeitsströmen.
2 – Statische Bildobjekte, die von einer Kamera aufgenommen werden können, die von einem Bereich zum anderen bewegt wird, indem entweder das Objekt oder die Kamera bewegt wird. Beispiele hierfür sind das Scannen von Objektträgern, die Materialprüfung, die Inspektion von Flachbildschirmen usw.
Wenn einer dieser Umstände auf Ihre Bildgebung zutrifft, hilft Ihnen diese Webseite bei der Entscheidung, ob ein Wechsel von herkömmlichen zweidimensionalen „Flächenscan“-Kameras zu Zeilenscan-TDI-Kameras Ihre Bildgebung verbessern könnte.
Das Problem mit Flächenscan und beweglichen Zielen
● Bewegungsunschärfe
Manche Bildobjekte sind zwangsläufig in Bewegung, beispielsweise bei der Strömungs- oder Bahninspektion. Bei anderen Anwendungen, wie dem Scannen von Objektträgern und der Materialprüfung, kann es deutlich schneller und effizienter sein, das Objekt in Bewegung zu halten, als die Bewegung für jedes aufgenommene Bild anzuhalten. Bei Flächenkameras kann dies jedoch eine Herausforderung darstellen, wenn sich das Bildobjekt relativ zur Kamera bewegt.
Bewegungsunschärfe verzerrt das Bild eines fahrenden Fahrzeugs
In Situationen mit eingeschränkter Beleuchtung oder wenn hohe Bildqualität erforderlich ist, kann eine lange Belichtungszeit der Kamera wünschenswert sein. Durch die Bewegung des Motivs wird das Licht jedoch während der Belichtung auf mehrere Kamerapixel verteilt, was zu Bewegungsunschärfe führt. Dies kann minimiert werden, indem die Belichtungszeiten sehr kurz gehalten werden – kürzer als die Zeit, die ein Punkt auf dem Motiv benötigt, um einen Kamerapixel zu durchlaufen. Dies ist dieunnormalerweise auf Kosten dunkler, verrauschter und oft unbrauchbarer Bilder.
●Nähen
Darüber hinaus erfordert die Abbildung großer oder kontinuierlicher Objekte mit Flächenkameras typischerweise die Aufnahme mehrerer Bilder, die anschließend zusammengefügt werden. Dieses Zusammenfügen erfordert überlappende Pixel zwischen benachbarten Bildern, was die Effizienz verringert und den Bedarf an Datenspeicherung und -verarbeitung erhöht.
●Ungleichmäßige Beleuchtung
Darüber hinaus ist die Beleuchtung selten gleichmäßig genug, um Probleme und Artefakte an den Rändern zwischen zusammengesetzten Bildern zu vermeiden. Um einen ausreichend großen Bereich für die Flächenkamera mit ausreichender Intensität auszuleuchten, sind häufig leistungsstarke und teure Gleichstromlichtquellen erforderlich.
Ungleichmäßige Beleuchtung beim Zusammenfügen einer Mehrfachbildaufnahme eines Mäusegehirns. Bild von Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Was ist eine TDI-Kamera und wie hilft sie?
Bei herkömmlichen zweidimensionalen Flächenkameras erfolgt die Bildaufnahme in drei Phasen: Pixel-Reset, Belichtung und Auslesen. Während der Belichtung werden Photonen aus der Szene erfasst, wodurch Photoelektronen entstehen, die bis zum Ende der Belichtung in den Kamerapixeln gespeichert werden. Anschließend werden die Werte jedes Pixels ausgelesen und ein zweidimensionales Bild erzeugt. Anschließend werden die Pixel zurückgesetzt und alle Ladungen gelöscht, um mit der nächsten Belichtung zu beginnen.
Bewegt sich das zu fotografierende Objekt jedoch relativ zur Kamera, kann sich das Licht während der Belichtung über mehrere Pixel verteilen, was zu Bewegungsunschärfe führt. TDI-Kameras überwinden diese Einschränkung durch eine innovative Technik. Dies wird in [Animation 1] demonstriert.
●Funktionsweise von TDI-Kameras
TDI-Kameras funktionieren grundsätzlich anders als Flächenkameras. Während sich das zu fotografierende Objekt während der Belichtung über die Kamera bewegt, werden die elektronischen Ladungen, aus denen das aufgenommene Bild besteht, ebenfalls synchron bewegt. Während der Belichtung können TDI-Kameras alle aufgenommenen Ladungen synchron zur Bewegung des zu fotografierenden Objekts von einer Pixelreihe zur nächsten verschieben. Während sich das Objekt über die Kamera bewegt, bietet jede Reihe (die sogenannte „TDI-Stufe“) eine neue Möglichkeit, die Kamera auf das Objekt auszurichten und Signale zu sammeln.
Erst wenn eine Reihe erfasster Ladungen das Ende der Kamera erreicht, werden die Werte ausgelesen und als eindimensionaler Bildausschnitt gespeichert. Das zweidimensionale Bild entsteht durch das Zusammenfügen der einzelnen Bildausschnitte, während die Kamera sie liest. Jede Pixelreihe im resultierenden Bild verfolgt und bildet denselben „Ausschnitt“ des zu fotografierenden Objekts ab, sodass trotz der Bewegung keine Unschärfe entsteht.
●256x längere Belichtung
Bei TDI-Kameras ergibt sich die effektive Belichtungszeit des Bildes aus der Gesamtzeit, die ein Punkt auf dem Motiv benötigt, um jede Pixelreihe zu durchlaufen. Bei manchen TDI-Kameras sind bis zu 256 Stufen möglich. Das bedeutet, dass die verfügbare Belichtungszeit effektiv 256-mal länger ist als bei einer Flächenkamera.
Dies kann entweder zwei Verbesserungen oder eine Kombination aus beiden bringen. Erstens lässt sich die Bildgeschwindigkeit deutlich steigern. Im Vergleich zu einer Flächenkamera kann sich das zu fotografierende Objekt bis zu 256-mal schneller bewegen und dennoch die gleiche Signalmenge erfassen – vorausgesetzt, die Zeilenfrequenz der Kamera ist hoch genug, um Schritt zu halten.
Wenn andererseits eine höhere Empfindlichkeit erforderlich ist, kann die längere Belichtungszeit eine wesentlich höhere Bildqualität, eine geringere Beleuchtungsintensität oder beides ermöglichen.
●Großer Datendurchsatz ohne Stitching
Da die TDI-Kamera ein zweidimensionales Bild aus aufeinanderfolgenden eindimensionalen Schnitten erzeugt, kann das resultierende Bild beliebig groß sein. Während die Anzahl der Pixel in horizontaler Richtung durch die Breite der Kamera vorgegeben ist, beispielsweise 9072 Pixel, ist die vertikale Bildgröße unbegrenzt und wird lediglich durch die Laufzeit der Kamera bestimmt. Mit Zeilenraten von bis zu 510 kHz ist ein enormer Datendurchsatz möglich.
In Kombination mit dieser Technologie bieten TDI-Kameras sehr große Sichtfelder. Beispielsweise bietet eine 9072-Pixel-Kamera mit 5-µm-Pixeln ein horizontales Sichtfeld von 45 mm bei hoher Auflösung. Um die gleiche Bildbreite mit einer 5-µm-Pixel-Flächenkamera zu erreichen, wären bis zu drei 4K-Kameras nebeneinander erforderlich.
●Verbesserungen gegenüber Zeilenkameras
TDI-Kameras bieten nicht nur Verbesserungen gegenüber Flächenkameras. Zeilenkameras, die nur eine einzige Pixelzeile erfassen, leiden auch unter vielen der gleichen Probleme mit der Beleuchtungsintensität und kurzen Belichtungszeiten wie Flächenkameras.
Obwohl Zeilenkameras wie TDI-Kameras eine gleichmäßigere Ausleuchtung bei einfacherem Aufbau bieten und Bildzusammenführungen überflüssig machen, benötigen sie oft eine sehr intensive Beleuchtung und/oder langsame Motivbewegungen, um genügend Signale für ein hochwertiges Bild zu erfassen. Die längeren Belichtungszeiten und schnelleren Motivgeschwindigkeiten, die TDI-Kameras ermöglichen, ermöglichen den Einsatz von weniger intensiver und kostengünstiger Beleuchtung bei gleichzeitig verbesserter Bildqualität. So kann beispielsweise eine Produktionslinie von teuren, stromintensiven Halogenlampen mit Gleichstromversorgung auf LED-Beleuchtung umgestellt werden.
Wie funktionieren TDI-Kameras?
Es gibt drei gängige Standards für die TDI-Bildgebung auf einem Kamerasensor.
● CCD TDI– CCD-Kameras sind die älteste Bauart digitaler Kameras. Aufgrund ihres elektronischen Designs ist es vergleichsweise einfach, TDI-Verhalten auf einem CCD zu erreichen, und viele Kamerasensoren sind von Natur aus dazu in der Lage. TDI-CCDs sind daher seit Jahrzehnten im Einsatz.
Die CCD-Technologie hat jedoch ihre Grenzen. Die kleinste üblicherweise für CCD-TDI-Kameras verfügbare Pixelgröße beträgt etwa 12 µm x 12 µm – dies und die geringe Pixelanzahl begrenzen die Fähigkeit der Kameras, feine Details wiederzugeben. Darüber hinaus ist die Erfassungsgeschwindigkeit geringer als bei anderen Technologien, während das Leserauschen – ein wesentlicher limitierender Faktor bei der Bildgebung bei schwachem Licht – hoch ist. Der ebenfalls hohe Stromverbrauch ist ein wichtiger Faktor bei einigen Anwendungen. Dies führte zu dem Wunsch, TDI-Kameras auf Basis der CMOS-Architektur zu entwickeln.
●Frühes CMOS TDI: Spannungsbereich und digitale Summierung
CMOS-Kameras überwinden viele der Rausch- und Geschwindigkeitsbeschränkungen von CCD-Kameras, verbrauchen dabei weniger Strom und bieten kleinere Pixelgrößen. Aufgrund des Pixeldesigns war das TDI-Verhalten bei CMOS-Kameras jedoch deutlich schwieriger zu erreichen. Während CCDs zur Steuerung des Sensors Photoelektronen physisch von Pixel zu Pixel bewegen, wandeln CMOS-Kameras Signale in Photoelektronen vor dem Auslesen in jedem Pixel in Spannungen um.
Das TDI-Verhalten eines CMOS-Sensors wird seit 2001 erforscht. Die Herausforderung, mit der Signalakkumulation umzugehen, wenn die Belichtung von einer Zeile zur nächsten wechselt, war jedoch beträchtlich. Zwei frühe Methoden für CMOS-TDI, die noch heute in kommerziellen Kameras verwendet werden, sind die Spannungsbereichsakkumulation und das digitale Summieren von TDI CMOS. Bei Kameras mit Spannungsbereichsakkumulation wird beim Erfassen jeder Signalzeile beim Vorbeibewegen des abzubildenden Objekts die erfasste Spannung elektronisch zur Gesamterfassung für diesen Bildteil addiert. Das Akkumulieren von Spannungen auf diese Weise verursacht zusätzliches Rauschen für jede zusätzlich hinzugefügte TDI-Stufe und schränkt so den Nutzen zusätzlicher Stufen ein. Probleme mit der Linearität erschweren den Einsatz dieser Kameras für präzise Anwendungen.
Die zweite Methode ist die digitale Summierung (TDI). Dabei läuft eine CMOS-Kamera im Flächenscanmodus mit einer sehr kurzen Belichtungszeit, die auf die Zeit abgestimmt ist, die das zu fotografierende Objekt benötigt, um sich über eine einzelne Pixelreihe zu bewegen. Die Zeilen jedes nachfolgenden Bildes werden jedoch digital addiert, sodass ein TDI-Effekt entsteht. Da für jede Pixelreihe des resultierenden Bildes die gesamte Kamera ausgelesen werden muss, erhöht diese digitale Addition auch das Leserauschen für jede Reihe und begrenzt die Erfassungsgeschwindigkeit.
●Der moderne Standard: Charge-Domain TDI CMOS oder CCD-on-CMOS TDI
Die oben genannten Einschränkungen von CMOS-TDI wurden kürzlich durch die Einführung von Charge-Domain-Akkumulations-TDI-CMOS, auch bekannt als CCD-on-CMOS-TDI, überwunden. Die Funktionsweise dieser Sensoren wird in [Animation 1] demonstriert. Wie der Name schon sagt, ermöglichen diese Sensoren eine CCD-ähnliche Ladungsbewegung von einem Pixel zum nächsten, wobei in jeder TDI-Stufe durch die Addition von Photoelektronen auf der Ebene einzelner Ladungen Signale akkumuliert werden. Dies ist praktisch rauschfrei. Die Einschränkungen von CCD-TDI werden jedoch durch die Verwendung der CMOS-Auslesearchitektur überwunden, die die für CMOS-Kameras typischen hohen Geschwindigkeiten, das geringe Rauschen und den niedrigen Stromverbrauch ermöglicht.
TDI-Spezifikationen: Worauf kommt es an?
●Technologie:Der wichtigste Faktor ist, wie oben erläutert, die verwendete Sensortechnologie. Charge-Domain CMOS TDI liefert die beste Leistung.
●TDI-Stufen:Dies ist die Anzahl der Sensorzeilen, über die Signale akkumuliert werden können. Je mehr TDI-Stufen eine Kamera hat, desto länger kann ihre effektive Belichtungszeit sein. Oder desto schneller kann sich das zu fotografierende Objekt bewegen, vorausgesetzt die Kamera verfügt über eine ausreichende Zeilenfrequenz.
●Leitungsrate:Wie viele Zeilen die Kamera pro Sekunde lesen kann. Dies bestimmt die maximale Bewegungsgeschwindigkeit, die die Kamera mithalten kann.
●Quanteneffizienz: Dies gibt die Lichtempfindlichkeit der Kamera bei verschiedenen Wellenlängen an, die durch die Wahrscheinlichkeit bestimmt wird, dass ein einfallendes Photon erkannt wird und ein Photoelektron erzeugt. Eine höhere Quanteneffizienz kann eine geringere Beleuchtungsstärke oder einen schnelleren Betrieb bei gleichbleibenden Signalpegeln ermöglichen.
Darüber hinaus unterscheiden sich Kameras hinsichtlich des Wellenlängenbereichs, in dem eine gute Empfindlichkeit erreicht werden kann. Einige Kameras bieten eine Empfindlichkeit bis hinunter zum ultravioletten (UV) Ende des Spektrums, bei etwa 200 nm Wellenlänge.
●Lesegeräusche:Das Leserauschen ist ein weiterer wichtiger Faktor für die Empfindlichkeit einer Kamera. Es bestimmt das minimale Signal, das über dem Grundrauschen der Kamera erkannt werden kann. Bei hohem Leserauschen können dunkle Merkmale nicht erkannt werden und der Dynamikbereich ist stark eingeschränkt. Dies erfordert eine hellere Beleuchtung oder längere Belichtungszeiten sowie langsamere Bewegungsgeschwindigkeiten.
TDI-Spezifikationen: Worauf kommt es an?
Derzeit werden TDI-Kameras für die Bahninspektion, die Elektronik- und Fertigungsinspektion sowie für andere Anwendungen der industriellen Bildverarbeitung eingesetzt. Daneben gibt es anspruchsvolle Anwendungen bei schwachem Licht, wie etwa die Fluoreszenzbildgebung und das Scannen von Objektträgern.
Mit der Einführung schneller, rauscharmer und hochempfindlicher TDI-CMOS-Kameras ergibt sich jedoch großes Potenzial für Geschwindigkeits- und Effizienzsteigerungen in neuen Anwendungen, in denen bisher ausschließlich Flächenkameras zum Einsatz kamen. Wie bereits zu Beginn des Artikels erwähnt, sind TDI-Kameras möglicherweise die beste Wahl, um hohe Geschwindigkeiten und eine hohe Bildqualität zu erzielen, sei es bei der Aufnahme von Objekten in ständiger Bewegung oder bei der Kameraführung über statische Objekte.
Beispielsweise könnten wir in einer Mikroskopieanwendung die theoretische Erfassungsgeschwindigkeit einer 9K-Pixel-TDI-Kamera mit 256 Stufen und 5 µm großen Pixeln mit einer 12-MP-Flächenscankamera mit 5 µm großen Pixeln vergleichen. Betrachten wir die Erfassung eines 10 x 10 mm großen Bereichs mit 20-facher Vergrößerung durch Bewegen der Stufe.
1. Die Verwendung eines 20x-Objektivs mit der Flächenscankamera würde ein Bildsichtfeld von 1,02 x 0,77 mm ergeben.
2. Mit der TDI-Kamera konnte ein 10-fach-Objektiv mit einer 2-fachen zusätzlichen Vergrößerung verwendet werden, um jegliche Einschränkungen im Sichtfeld des Mikroskops zu überwinden und ein horizontales Bildsichtfeld von 2,3 mm zu liefern.
3. Unter der Annahme einer 2%igen Pixelüberlappung zwischen den Bildern zum Zusammenfügen, 0,5 Sekunden zum Bewegen des Objektträgers an eine festgelegte Position und einer Belichtungszeit von 10 ms können wir die Zeit berechnen, die die Flächenkamera benötigen würde. Ebenso können wir die Zeit berechnen, die die TDI-Kamera benötigen würde, wenn der Objektträger in ständiger Bewegung gehalten würde, um in Y-Richtung zu scannen, bei gleicher Belichtungszeit pro Zeile.
4. In diesem Fall müsste die Flächenkamera 140 Bilder aufnehmen und der Objekttisch müsste 63 Sekunden lang bewegt werden. Die TDI-Kamera würde nur 5 lange Bilder aufnehmen und den Objekttisch nur 2 Sekunden lang zur nächsten Spalte bewegen.
5. Die Gesamtzeit für die Erfassung der 10 x 10 mm großen Fläche beträgt64,4 Sekunden für die Flächenkamera,und nur9,9 Sekunden für die TDI-Kamera.
Wenn Sie prüfen möchten, ob eine TDI-Kamera für Ihre Anwendung geeignet ist und Ihren Anforderungen entspricht, kontaktieren Sie uns noch heute.
