13.07.2022Die Zeitverzögerungsintegration (TDI) ist eine Bildgebungstechnik, die der digitalen Bildgebung vorausging, aber auch heute noch enorme Vorteile in der modernen Bildgebung bietet. TDI-Kameras spielen ihre Stärken in zwei Situationen aus – beide Male, wenn sich das abgebildete Objekt bewegt:
1 – Das zu untersuchende Objekt ist von Natur aus in Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit, wie beispielsweise bei der Bahninspektion (z. B. beim Scannen von sich bewegenden Papier-, Kunststoff- oder Stoffbögen auf Fehler und Beschädigungen), in Montagelinien oder in der Mikrofluidik und bei Flüssigkeitsströmungen.
2 – Statische Bildgebungsobjekte, die mit 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 Mikroskop-Objektträgern, die Materialprüfung, die Prüfung von Flachbildschirmen usw.
Wenn einer dieser Umstände auf Ihre Bildgebung zutreffen könnte, hilft Ihnen diese Webseite dabei zu entscheiden, ob ein Wechsel von herkömmlichen 2D-Flächenscan-Kameras zu Zeilenscan-TDI-Kameras Ihre Bildgebung verbessern könnte.
Das Problem mit Flächenscan und sich bewegenden Zielen
● Bewegungsunschärfe
Manche Bildgebungsobjekte sind zwangsläufig in Bewegung, beispielsweise bei der Strömungsanalyse oder der Bahnprüfung. In anderen Anwendungen, wie dem Scannen von Objektträgern und der Materialprüfung, kann die Beibehaltung der Bewegung des Objekts deutlich schneller und effizienter sein als das Anhalten der Bewegung für jedes einzelne Bild. Bei Flächenkameras kann dies jedoch eine Herausforderung darstellen, wenn sich das Bildgebungsobjekt relativ zur Kamera bewegt.
Bewegungsunschärfe, die das Bild eines fahrenden Fahrzeugs verzerrt
Bei schlechten Lichtverhältnissen oder wenn hohe Bildqualität gefordert ist, kann eine lange Belichtungszeit wünschenswert sein. Die Bewegung des Motivs führt jedoch dazu, dass sich das Licht während der Belichtung über mehrere Kamerapixel verteilt, was Bewegungsunschärfe verursacht. Diese lässt sich minimieren, indem die Belichtungszeit sehr kurz gehalten wird – kürzer als die Zeit, die ein Punkt des Motivs benötigt, um ein Kamerapixel zu durchlaufen.unmeist auf Kosten dunkler, verrauschter und oft unbrauchbarer Bilder.
●Nähen
Darüber hinaus erfordert die Bildgebung großer oder kontinuierlicher Objekte mit Flächenkameras typischerweise die Aufnahme mehrerer Bilder, die anschließend zusammengefügt werden. Dieses Zusammenfügen erfordert überlappende Pixel benachbarter Bilder, was die Effizienz verringert und den Speicher- und Verarbeitungsaufwand erhöht.
●Ungleichmäßige Beleuchtung
Zudem ist die Ausleuchtung selten gleichmäßig genug, um Probleme und Artefakte an den Rändern der zusammengesetzten Bilder zu vermeiden. Um eine ausreichend große Fläche für die Flächenscan-Kamera mit genügend Intensität auszuleuchten, sind außerdem häufig leistungsstarke und teure Gleichstromlichtquellen erforderlich.
Ungleichmäßige Ausleuchtung beim Zusammenfügen mehrerer Bilder eines Mausgehirns. Abbildung aus Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Was ist eine TDI-Kamera und wie hilft sie?
Bei herkömmlichen 2D-Flächenkameras durchläuft die Bildaufnahme drei Phasen: Pixel-Reset, Belichtung und Auslesen. Während der Belichtung werden Photonen aus der Szene detektiert, wodurch Photoelektronen entstehen, die bis zum Ende der Belichtung in den Kamerapixeln gespeichert werden. Anschließend werden die Werte jedes Pixels ausgelesen und ein 2D-Bild erzeugt. Danach werden die Pixel zurückgesetzt und alle Ladungen gelöscht, um die nächste Belichtung vorzubereiten.
Wie bereits erwähnt, kann sich das Licht des abgebildeten Objekts, wenn es sich relativ zur Kamera bewegt, während der Belichtung über mehrere Pixel verteilen, was zu Bewegungsunschärfe führt. TDI-Kameras überwinden diese Einschränkung durch eine innovative Technik. Diese wird in [Animation 1] demonstriert.
●Funktionsweise von TDI-Kameras
TDI-Kameras funktionieren grundlegend anders als Flächenkameras. Bewegt sich das abgebildete Objekt während der Belichtung vor der Kamera, bewegen sich auch die elektronischen Ladungen, aus denen das Bild besteht, synchron. Während der Belichtung können TDI-Kameras alle erfassten Ladungen synchron zur Bewegung des Objekts von einer Pixelzeile zur nächsten verschieben. Jede Zeile (auch „TDI-Stufe“ genannt) bietet bei der Bewegung des Objekts vor der Kamera eine neue Möglichkeit, die Kamera zu belichten und ein Signal zu erfassen.
Sobald eine Reihe erfasster Ladungen das Ende der Kamera erreicht hat, werden die Werte ausgelesen und als eindimensionaler Bildausschnitt gespeichert. Das zweidimensionale Bild entsteht durch das Zusammenfügen der einzelnen Bildausschnitte während des Auslesens. Jede Pixelzeile des resultierenden Bildes erfasst denselben Bildausschnitt des Objekts, sodass trotz Bewegung keine Unschärfe entsteht.
●256-fache längere Belichtungszeit
Bei TDI-Kameras ergibt sich die effektive Belichtungszeit aus der Zeit, die ein Punkt des Motivs benötigt, um jede Pixelzeile zu durchlaufen. Einige TDI-Kameras bieten bis zu 256 Belichtungsstufen. Dadurch ist die effektive Belichtungszeit 256-mal länger als bei einer Flächenkamera.
Dies kann entweder zwei Verbesserungen oder eine Kombination aus beidem bewirken. Erstens lässt sich die Bildgebungsgeschwindigkeit deutlich steigern. Im Vergleich zu einer Flächenkamera kann sich das Aufnahmeobjekt bis zu 256-mal schneller bewegen, während dennoch die gleiche Signalmenge erfasst wird, vorausgesetzt, die Zeilenrate der Kamera ist ausreichend hoch.
Wenn hingegen eine höhere Empfindlichkeit erforderlich ist, könnte die längere Belichtungszeit eine deutlich höhere Bildqualität, eine geringere Beleuchtungsstärke oder beides ermöglichen.
●Hoher Datendurchsatz ohne Stitching
Da die TDI-Kamera aus aufeinanderfolgenden eindimensionalen Schichten ein zweidimensionales Bild erzeugt, kann das resultierende Bild beliebig groß sein. Während die Pixelanzahl in horizontaler Richtung durch die Kamerabreite (z. B. 9072 Pixel) vorgegeben ist, ist die vertikale Bildgröße unbegrenzt und hängt allein von der Laufzeit der Kamera ab. Mit Zeilenraten von bis zu 510 kHz ermöglicht dies einen enormen Datendurchsatz.
In Kombination damit bieten TDI-Kameras sehr weite Sichtfelder. Beispielsweise liefert eine Kamera mit 9072 Pixeln und 5 µm großen Pixeln ein horizontales Sichtfeld von 45 mm bei hoher Auflösung. Um die gleiche Bildbreite mit einer 5 µm großen 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 einzelne Pixelzeile erfassen, leiden ebenfalls unter vielen der gleichen Probleme mit Beleuchtungsstärke und kurzen Belichtungszeiten wie Flächenkameras.
Obwohl Zeilenkameras, ähnlich wie TDI-Kameras, eine gleichmäßigere Ausleuchtung bei einfacherem Aufbau bieten und das Zusammenfügen von Bildern überflüssig machen, benötigen sie oft eine sehr intensive Beleuchtung und/oder langsame Motivbewegungen, um ausreichend Signal für ein qualitativ hochwertiges Bild zu erfassen. Die längeren Belichtungszeiten und höheren Motivgeschwindigkeiten, die TDI-Kameras ermöglichen, erlauben den Einsatz von Beleuchtung mit geringerer Intensität und niedrigeren Kosten bei gleichzeitig verbesserter Bildgebungseffizienz. So könnte beispielsweise eine Produktionslinie von teuren, energieintensiven Halogenlampen, die Gleichstrom benötigen, auf LED-Beleuchtung umsteigen.
Wie funktionieren TDI-Kameras?
Es gibt drei gängige Standards für die Erzielung von TDI-Bildgebung auf einem Kamerasensor.
● CCD TDICCD-Kameras sind die älteste Bauart digitaler Kameras. Aufgrund ihrer elektronischen Bauweise lässt sich TDI-Verhalten bei einem CCD vergleichsweise einfach realisieren, und viele Kamerasensoren sind von Natur aus dafür geeignet. TDI-CCDs werden daher seit Jahrzehnten eingesetzt.
Die CCD-Technologie hat jedoch ihre Grenzen. Die kleinste üblicherweise für CCD-TDI-Kameras verfügbare Pixelgröße liegt bei etwa 12 µm x 12 µm. Dies, zusammen mit der geringen Pixelanzahl, schränkt die Fähigkeit der Kameras ein, feine Details aufzulösen. Hinzu kommt, dass die Aufnahmegeschwindigkeit im Vergleich zu anderen Technologien geringer ist, während das Ausleserauschen – ein wesentlicher limitierender Faktor bei Aufnahmen in schwachem Licht – hoch ist. Auch der Stromverbrauch ist hoch, was in manchen Anwendungen ein wichtiger Faktor ist. Dies führte zum Wunsch, TDI-Kameras auf Basis der CMOS-Architektur zu entwickeln.
●Frühe CMOS-TDI: Spannungsbereichs- und digitale Summierung
CMOS-Kameras überwinden viele der Rausch- und Geschwindigkeitsbeschränkungen von CCD-Kameras, verbrauchen dabei weniger Strom und bieten kleinere Pixelgrößen. Allerdings war das TDI-Verhalten bei CMOS-Kameras aufgrund ihres Pixeldesigns deutlich schwieriger zu realisieren. Während CCDs die Fotoelektronen physikalisch von Pixel zu Pixel bewegen, um den Sensor anzusteuern, wandeln CMOS-Kameras die Signale der Fotoelektronen vor dem Auslesen in Spannungen in jedem Pixel um.
Das TDI-Verhalten von CMOS-Sensoren wird seit 2001 erforscht. Die Herausforderung, die Signalakkumulation beim Übergang von einer Belichtungszeile zur nächsten zu handhaben, war jedoch erheblich. Zwei frühe Verfahren für CMOS-TDI, die auch heute noch in kommerziellen Kameras Anwendung finden, sind die Spannungsakkumulation und die digitale Summation von TDI-CMOS-Sensoren. Bei Kameras mit Spannungsakkumulation wird die Spannung jeder erfassten Signalzeile, während sich das abgebildete Objekt bewegt, elektronisch zur Gesamtspannung des jeweiligen Bildausschnitts addiert. Diese Art der Spannungsakkumulation führt mit jeder zusätzlichen TDI-Stufe zu zusätzlichem Rauschen und schränkt somit den Nutzen zusätzlicher Stufen ein. Probleme mit der Linearität schränken zudem den Einsatz dieser Kameras für präzise Anwendungen ein.
Die zweite Methode ist die digitale TDI-Summierung. Dabei arbeitet eine CMOS-Kamera im Flächenabtastmodus mit einer sehr kurzen Belichtungszeit, die der Zeit entspricht, die das abgebildete Objekt benötigt, um eine Pixelzeile zu überqueren. Die Zeilen jedes aufeinanderfolgenden Bildes werden digital addiert, wodurch der TDI-Effekt entsteht. Da die gesamte Kamera für jede Pixelzeile des resultierenden Bildes ausgelesen werden muss, erhöht diese digitale Addition auch das Ausleserauschen jeder Zeile und begrenzt die Aufnahmegeschwindigkeit.
●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-Accumulation-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 die CCD-ähnliche Bewegung von Ladungen von einem Pixel zum nächsten und akkumulieren das Signal in jeder TDI-Stufe durch die Addition von Photoelektronen auf Ebene der einzelnen Ladungen. Dies ist praktisch rauschfrei. Die Einschränkungen von CCD-TDI werden jedoch durch die Verwendung einer CMOS-Auslesearchitektur überwunden, wodurch die für CMOS-Kameras typischen hohen Geschwindigkeiten, das geringe Rauschen und der niedrige Stromverbrauch ermöglicht werden.
TDI-Spezifikationen: Worauf kommt es an?
●Technologie:Der wichtigste Faktor ist die verwendete Sensortechnologie, wie bereits erwähnt. Charge-Domain-CMOS-TDI liefert die beste Leistung.
●TDI-Stufen:Dies ist die Anzahl der Sensorzeilen, über die ein Signal erfasst werden kann. Je mehr TDI-Stufen eine Kamera besitzt, desto länger ist ihre effektive Belichtungszeit. Oder, umso schneller kann sich das abgebildete Objekt bewegen, vorausgesetzt, die Kamera verfügt über eine ausreichende Zeilenrate.
●Leitungsrate:Wie viele Zeilen die Kamera pro Sekunde erfassen kann. Dies bestimmt die maximale Bewegungsgeschwindigkeit, mit der die Kamera mithalten kann.
●QuanteneffizienzDies gibt die Lichtempfindlichkeit der Kamera für verschiedene Wellenlängen an, bestimmt durch die Wahrscheinlichkeit, dass ein einfallendes Photon detektiert wird und ein Photoelektron erzeugt. Eine höhere Quanteneffizienz ermöglicht geringere Beleuchtungsstärken oder schnellere Betriebszeiten bei gleichbleibendem Signalpegel.
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 einer Wellenlänge von etwa 200 nm.
●Leserauschen:Das Ausleserauschen ist der zweite entscheidende Faktor für die Empfindlichkeit einer Kamera. Es bestimmt das minimale Signal, das über dem Rauschpegel der Kamera erkannt werden kann. Bei hohem Ausleserauschen sind dunkle Bereiche nicht erkennbar und der Dynamikumfang ist stark reduziert. Daher müssen hellere Beleuchtung oder längere Belichtungszeiten und langsamere Bewegungsgeschwindigkeiten verwendet werden.
TDI-Spezifikationen: Worauf kommt es an?
Aktuell werden TDI-Kameras für die Bahninspektion, die Elektronik- und Fertigungsprüfung sowie für weitere Anwendungen der Bildverarbeitung eingesetzt. Daneben gibt es anspruchsvolle Anwendungen bei schwachem Licht wie Fluoreszenzbildgebung und das Scannen von Objektträgern.
Mit der Einführung von schnellen, rauscharmen und hochempfindlichen TDI-CMOS-Kameras eröffnet sich jedoch ein großes Potenzial für Geschwindigkeits- und Effizienzsteigerungen in neuen Anwendungsbereichen, die bisher ausschließlich mit Flächenkameras realisiert wurden. Wie bereits eingangs erwähnt, sind TDI-Kameras möglicherweise die beste Wahl, um hohe Geschwindigkeiten und Bildqualitäten zu erzielen – sowohl bei der Aufnahme von sich ständig bewegenden Objekten als auch bei statischen Motiven, über die die Kamera geschwenkt werden kann.
Beispielsweise könnten wir in einer Mikroskopieanwendung die theoretische Aufnahmegeschwindigkeit einer 9K-Pixel-TDI-Kamera mit 256-stufigem Messtisch und 5 µm Pixelgröße mit der einer 12-Megapixel-Flächenscankamera mit ebenfalls 5 µm Pixelgröße vergleichen. Betrachten wir die Aufnahme eines 10 × 10 mm großen Bereichs mit 20-facher Vergrößerung durch Verschieben des Messtisches.
1. Die Verwendung eines 20-fachen Objektivs mit der Flächenkamera würde ein Bildfeld von 1,02 x 0,77 mm ergeben.
2. Mit der TDI-Kamera könnte ein 10-fach-Objektiv mit einer zusätzlichen 2-fachen Vergrößerung verwendet werden, um etwaige Einschränkungen im Mikroskop-Sichtfeld zu überwinden und ein horizontales Bildfeld von 2,3 mm zu erzielen.
3. Unter der Annahme einer 2%igen Pixelüberlappung der Bilder für das Stitching, einer Zeit von 0,5 Sekunden für die Positionierung des Objekttisches und einer Belichtungszeit von 10 ms lässt sich die Zeit berechnen, die die Flächenscankamera benötigen würde. Analog lässt sich die Zeit berechnen, die die TDI-Kamera benötigen würde, wenn der Objekttisch in Y-Richtung mit gleicher Belichtungszeit pro Zeile kontinuierlich bewegt würde.
4. In diesem Fall müsste die Flächenkamera 140 Bilder aufnehmen, wobei 63 Sekunden für die Bewegung des Objekttisches benötigt würden. Die TDI-Kamera hingegen bräuchte nur 5 lange Bilder und müsste lediglich 2 Sekunden für die Bewegung des Objekttisches zur nächsten Spalte aufwenden.
5. Die Gesamtzeit, die für die Erfassung des 10 x 10 mm großen Bereichs benötigt wird, beträgt64,4 Sekunden für die Flächenkamera,und einfach9,9 Sekunden für die TDI-Kamera.
Wenn Sie herausfinden möchten, ob eine TDI-Kamera für Ihre Anwendung geeignet ist und Ihre Anforderungen erfüllt, kontaktieren Sie uns noch heute.
