25/08/08Στη βιομηχανική και επιστημονική απεικόνιση, η λήψη αντικειμένων που κινούνται γρήγορα σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού αποτελεί μια διαρκή πρόκληση. Εδώ ακριβώς μπαίνουν στο παιχνίδι οι κάμερες TDI (Time Delay Integration). Η τεχνολογία TDI συνδυάζει τον συγχρονισμό κίνησης και τις πολλαπλές εκθέσεις για να προσφέρει εξαιρετική ευαισθησία και καθαρότητα εικόνας, ειδικά σε περιβάλλοντα υψηλής ταχύτητας.
Τι είναι μια κάμερα TDI;
Μια κάμερα TDI είναι μια εξειδικευμένη κάμερα σάρωσης γραμμών που καταγράφει εικόνες κινούμενων αντικειμένων. Σε αντίθεση με τις τυπικές κάμερες σάρωσης περιοχής που εκθέτουν ένα ολόκληρο καρέ ταυτόχρονα, οι κάμερες TDI μετατοπίζουν το φορτίο από τη μία σειρά pixel στην επόμενη σε συγχρονισμό με την κίνηση του αντικειμένου. Κάθε σειρά pixel συσσωρεύει φως καθώς το θέμα κινείται, αυξάνοντας αποτελεσματικά τον χρόνο έκθεσης και ενισχύοντας την ισχύ του σήματος χωρίς να προκαλεί θάμπωμα κίνησης.
Αυτή η ενσωμάτωση φόρτισης ενισχύει δραματικά τον λόγο σήματος προς θόρυβο (SNR), καθιστώντας τις κάμερες TDI ιδανικές για εφαρμογές υψηλής ταχύτητας ή χαμηλού φωτισμού.
Πώς λειτουργεί μια κάμερα TDI;
Η λειτουργία μιας κάμερας TDI απεικονίζεται στο Σχήμα 1.
Σχήμα 1: Λειτουργία αισθητήρων ολοκλήρωσης χρονικής καθυστέρησης (TDI)
ΣΗΜΕΙΩΜΑ: Οι κάμερες TDI μετακινούν τα φορτία που έχουν ληφθεί σε πολλαπλά «στάδια» σε συγχρονισμό με ένα κινούμενο θέμα απεικόνισης. Κάθε στάδιο παρέχει μια επιπλέον ευκαιρία έκθεσης στο φως. Απεικονίζεται μέσω ενός φωτεινού «Τ» που κινείται κατά μήκος μιας κάμερας, με ένα τμήμα 5 στηλών επί 5 σταδίων ενός αισθητήρα TDI. Tucsen Dhyana 9KTDI με υβριδική κίνηση φορτίου τύπου CCD αλλά παράλληλη ανάγνωση τύπου CMOS.
Οι κάμερες TDI είναι ουσιαστικά κάμερες γραμμικής σάρωσης, με μία σημαντική διαφορά: αντί για μία σειρά pixel που συλλέγουν δεδομένα καθώς οι κάμερες σαρώνονται σε ένα θέμα απεικόνισης, οι κάμερες TDI έχουν πολλαπλές σειρές, γνωστές ως «στάδια», έως και 256.
Ωστόσο, αυτές οι σειρές δεν σχηματίζουν μια δισδιάστατη εικόνα όπως μια κάμερα σάρωσης περιοχής. Αντίθετα, καθώς ένα σαρωμένο αντικείμενο απεικόνισης κινείται κατά μήκος του αισθητήρα της κάμερας, τα ανιχνευόμενα φωτοηλεκτρόνια μέσα σε κάθε pixel ανακατεύονται στην επόμενη σειρά σε συγχρονισμό με την κίνηση του αντικειμένου απεικόνισης, χωρίς να έχουν ακόμη διαβαστεί. Κάθε επιπλέον σειρά παρέχει στη συνέχεια μια επιπλέον ευκαιρία για έκθεση του αντικειμένου απεικόνισης στο φως. Μόνο όταν ένα κομμάτι εικόνας φτάσει στην τελευταία σειρά pixel του αισθητήρα, αυτή η σειρά διαβιβάζεται στην αρχιτεκτονική ανάγνωσης για μέτρηση.
Επομένως, παρά τις πολλαπλές μετρήσεις που λαμβάνουν χώρα σε όλα τα στάδια της κάμερας, εισάγεται μόνο μία περίπτωση θορύβου ανάγνωσης της κάμερας. Μια κάμερα TDI 256 σταδίων διατηρεί το δείγμα σε οπτική επαφή 256 φορές περισσότερο και επομένως έχει 256 φορές μεγαλύτερο χρόνο έκθεσης από την αντίστοιχη κάμερα σάρωσης γραμμής. Ένας ισοδύναμος χρόνος έκθεσης με μια κάμερα σάρωσης περιοχής θα απέδιδε ακραίο θάμπωμα κίνησης, καθιστώντας την εικόνα άχρηστη.
Πότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί το TDI;
Οι κάμερες TDI αποτελούν μια εξαιρετική λύση για οποιαδήποτε εφαρμογή απεικόνισης όπου το θέμα απεικόνισης βρίσκεται σε κίνηση σε σχέση με την κάμερα, υπό την προϋπόθεση ότι η κίνηση είναι ομοιόμορφη σε όλο το οπτικό πεδίο της κάμερας.
Οι εφαρμογές της απεικόνισης TDI περιλαμβάνουν, επομένως, αφενός, όλες εκείνες της γραμμικής σάρωσης όπου σχηματίζονται δισδιάστατες εικόνες, ενώ παράλληλα προσφέρουν μεγαλύτερες ταχύτητες, πολύ βελτιωμένη ευαισθησία σε χαμηλό φωτισμό, καλύτερη ποιότητα εικόνας ή και τα τρία ταυτόχρονα. Από την άλλη πλευρά, υπάρχουν πολλές τεχνικές απεικόνισης που χρησιμοποιούν κάμερες σάρωσης περιοχής όπου μπορούν να χρησιμοποιηθούν κάμερες TDI.
Για την sCMOS TDI υψηλής ευαισθησίας, η απεικόνιση «tile and stitch» σε βιολογική μικροσκοπία φθορισμού μπορεί να πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας μια αδιάκοπη σάρωση του σταδίου αντί για την πλακόστρωση. Ή όλες οι TDI μπορούν να είναι κατάλληλες για εφαρμογές επιθεώρησης. Μια άλλη σημαντική εφαρμογή για την TDI είναι η απεικόνιση της κυτταρομετρίας ροής, όπου οι εικόνες φθορισμού των κυττάρων λαμβάνονται καθώς περνούν από μια κάμερα ενώ ρέουν μέσα από ένα μικρορευστομηχανικό κανάλι.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του sCMOS TDI
Πλεονεκτήματα
● Μπορεί να καταγράψει δισδιάστατες εικόνες αυθαίρετου μεγέθους με υψηλή ταχύτητα κατά τη σάρωση σε ένα αντικείμενο απεικόνισης.
● Πολλαπλά στάδια TDI, χαμηλός θόρυβος και υψηλό QE μπορούν να οδηγήσουν σε δραστικά υψηλότερη ευαισθησία από τις κάμερες γραμμικής σάρωσης.
● Μπορούν να επιτευχθούν πολύ υψηλές ταχύτητες ανάγνωσης, για παράδειγμα, έως και 510.000Hz (γραμμές ανά δευτερόλεπτο), για μια εικόνα πλάτους 9.072 pixel.
●Ο φωτισμός χρειάζεται να είναι μόνο μονοδιάστατος και μπορεί να μην απαιτεί διορθώσεις επίπεδου πεδίου ή άλλες διορθώσεις στη δεύτερη (σαρωμένη) διάσταση. Επιπλέον, οι μεγαλύτεροι χρόνοι έκθεσης σε σύγκριση με τη γραμμική σάρωση μπορούν να «εξομαλύνουν» το τρεμόπαιγμα που οφείλεται σε πηγές φωτός AC.
● Μπορούν να ληφθούν κινούμενες εικόνες χωρίς θάμπωμα κίνησης και με υψηλή ταχύτητα και ευαισθησία.
●Η σάρωση μεγάλων περιοχών μπορεί να είναι δραστικά ταχύτερη από τις κάμερες σάρωσης περιοχής.
● Με προηγμένο λογισμικό ή ρυθμίσεις ενεργοποίησης, μια λειτουργία «τύπου σάρωσης περιοχής» μπορεί να παρέχει μια επισκόπηση σάρωσης περιοχής για εστίαση και ευθυγράμμιση.
Μειονεκτήματα
● Ακόμα υψηλότερος θόρυβος από τις συμβατικές κάμερες sCMOS, που σημαίνει ότι οι εφαρμογές σε εξαιρετικά χαμηλό φωτισμό είναι απρόσιτες.
● Απαιτούνται εξειδικευμένες ρυθμίσεις με προηγμένη ενεργοποίηση για τον συγχρονισμό της κίνησης του θέματος απεικόνισης με τη σάρωση της κάμερας, πολύ λεπτό έλεγχο της ταχύτητας κίνησης ή ακριβή πρόβλεψη της ταχύτητας για την ενεργοποίηση του συγχρονισμού.
● Ως νέα τεχνολογία, υπάρχουν λίγες λύσεις προς το παρόν για την υλοποίηση υλικού και λογισμικού.
sCMOS TDI με δυνατότητα χαμηλού φωτισμού
Ενώ η TDI ως τεχνική απεικόνισης προηγείται της ψηφιακής απεικόνισης και έχει ξεπεράσει προ πολλού την γραμμική σάρωση σε απόδοση, μόνο τα τελευταία χρόνια οι κάμερες TDI έχουν αποκτήσει την ευαισθησία που απαιτείται για να φτάσουν σε εφαρμογές χαμηλού φωτισμού που κανονικά θα απαιτούσαν την ευαισθησία επιστημονικής ποιότητας.κάμερες sCMOS.
Η τεχνολογία «sCMOS TDI» συνδυάζει την κίνηση φορτίων κατά μήκος του αισθητήρα τύπου CCD με ένδειξη τύπου sCMOS, με διαθέσιμους αισθητήρες με οπίσθιο φωτισμό. Οι προηγούμενες κάμερες TDI που βασίζονται σε CCD ή καθαρά σε CMOS* είχαν δραστικά πιο αργή ένδειξη, μικρότερο αριθμό pixel, λιγότερα στάδια και θόρυβο ανάγνωσης μεταξύ 30e και >100e. Αντίθετα, οι κάμερες sCMOS TDI, όπως η Tucsen...Κάμερα sCMOS Dhyana 9KTDIΠροσφέρει θόρυβο ανάγνωσης 7.2e-, σε συνδυασμό με υψηλότερη κβαντική απόδοση μέσω οπίσθιου φωτισμού, επιτρέποντας τη χρήση TDI σε εφαρμογές σημαντικά χαμηλότερου επιπέδου φωτισμού από ό,τι ήταν δυνατόν προηγουμένως.
Σε πολλές εφαρμογές, οι μεγαλύτεροι χρόνοι έκθεσης που επιτρέπονται από τη διαδικασία TDI μπορούν να αντισταθμίσουν με το παραπάνω την αύξηση του θορύβου ανάγνωσης σε σύγκριση με τις υψηλής ποιότητας κάμερες σάρωσης περιοχής sCMOS με θόρυβο ανάγνωσης κοντά στο 1e-.
Κοινές εφαρμογές καμερών TDI
Οι κάμερες TDI βρίσκονται σε πολλές βιομηχανίες όπου η ακρίβεια και η ταχύτητα είναι εξίσου κρίσιμες:
● Επιθεώρηση πλακιδίων ημιαγωγών
● Δοκιμή επίπεδης οθόνης (FPD)
● Επιθεώρηση ιστού (χαρτί, μεμβράνη, αλουμινόχαρτο, υφάσματα)
● Ακτινογραφική σάρωση σε ιατρικά διαγνωστικά ή έλεγχο αποσκευών
● Σάρωση πλακών και πλακών πολλαπλών φρεατίων στην ψηφιακή παθολογία
● Υπερφασματική απεικόνιση στην τηλεπισκόπηση ή τη γεωργία
● Έλεγχος PCB και ηλεκτρονικών σε γραμμές SMT
Αυτές οι εφαρμογές επωφελούνται από την βελτιωμένη αντίθεση, την ταχύτητα και την ευκρίνεια που παρέχει η απεικόνιση TDI υπό πραγματικούς περιορισμούς.
Παράδειγμα: Σάρωση πλακών και πλακών πολλαπλών φρεατίων
Όπως αναφέρθηκε, μια εφαρμογή με σημαντικές προοπτικές για τις κάμερες sCMOS TDI είναι οι εφαρμογές συρραφής, συμπεριλαμβανομένης της σάρωσης διαφανειών ή πλακών πολλαπλών φρεατίων. Η σάρωση μεγάλων δειγμάτων μικροσκοπίας φθορισμού ή φωτεινού πεδίου με δισδιάστατες κάμερες περιοχής βασίζεται στη συρραφή ενός πλέγματος εικόνων που σχηματίζονται από πολλαπλές κινήσεις μιας τράπεζας μικροσκοπίου XY. Κάθε εικόνα απαιτεί τη διακοπή, την σταθεροποίηση και στη συνέχεια την επανεκκίνηση της τράπεζας, μαζί με οποιαδήποτε καθυστέρηση του κυλιόμενου κλείστρου. Η TDI, από την άλλη πλευρά, μπορεί να λαμβάνει εικόνες ενώ η τράπεζα βρίσκεται σε κίνηση. Η εικόνα στη συνέχεια σχηματίζεται από έναν μικρό αριθμό μακριών «λωρίδων», καθεμία από τις οποίες καλύπτει ολόκληρο το πλάτος του δείγματος. Αυτό μπορεί ενδεχομένως να οδηγήσει σε δραστικά υψηλότερες ταχύτητες λήψης και απόδοση δεδομένων σε όλες τις εφαρμογές συρραφής, ανάλογα με τις συνθήκες απεικόνισης.
Η ταχύτητα με την οποία μπορεί να κινηθεί η σκηνή είναι αντιστρόφως ανάλογη με τον συνολικό χρόνο έκθεσης της κάμερας TDI, επομένως οι σύντομοι χρόνοι έκθεσης (1-20ms) προσφέρουν τη μεγαλύτερη βελτίωση στην ταχύτητα απεικόνισης σε σύγκριση με τις κάμερες σάρωσης περιοχής, η οποία μπορεί στη συνέχεια να οδηγήσει σε μια τάξη μεγέθους ή και μεγαλύτερη μείωση του συνολικού χρόνου λήψης. Για μεγαλύτερους χρόνους έκθεσης (π.χ. > 100ms), η σάρωση περιοχής μπορεί συνήθως να διατηρήσει ένα χρονικό πλεονέκτημα.
Ένα παράδειγμα πολύ μεγάλης εικόνας μικροσκοπίας φθορισμού (2 Gigapixel) που σχηματίστηκε σε μόλις δέκα δευτερόλεπτα φαίνεται στο Σχήμα 2. Μια ισοδύναμη εικόνα που σχηματίζεται με κάμερα σάρωσης περιοχής αναμένεται να διαρκέσει έως και αρκετά λεπτά.
Σχήμα 2: Εικόνα 2 Gigapixel που σχηματίστηκε σε 10 δευτερόλεπτα μέσω σάρωσης και συρραφής TDI
ΣΗΜΕΙΩΜΑ: Εικόνα μεγέθυνσης 10x που λήφθηκε χρησιμοποιώντας το Tucsen Dhyana 9kTDI κουκκίδων μαρκαδόρου που προβλήθηκαν με μικροσκοπία φθορισμού. Λήφθηκε σε 10 δευτερόλεπτα με χρόνο έκθεσης 3,6 ms. Διαστάσεις εικόνας: 30mm x 17mm, 58.000 x 34.160 pixel.
Συγχρονισμός TDI
Ο συγχρονισμός μιας κάμερας TDI με το θέμα απεικόνισης (με ακρίβεια μερικών ποσοστών) είναι απαραίτητος – η αναντιστοιχία ταχύτητας θα οδηγήσει σε ένα φαινόμενο «θολώματος κίνησης». Αυτός ο συγχρονισμός μπορεί να γίνει με δύο τρόπους:
ΠροφητικόςΗ ταχύτητα της κάμερας έχει ρυθμιστεί ώστε να ταιριάζει με την ταχύτητα κίνησης με βάση τη γνώση της ταχύτητας κίνησης του δείγματος, της οπτικής (μεγέθυνση) και του μεγέθους των pixel της κάμερας. Ή δοκιμή και σφάλμα.
ΕνεργοποιήθηκεΠολλές βάσεις μικροσκοπίου, γέφυρες και άλλος εξοπλισμός για την κίνηση των απεικονιζόμενων θεμάτων μπορούν να περιλαμβάνουν κωδικοποιητές που στέλνουν έναν παλμό ενεργοποίησης στην κάμερα για μια δεδομένη απόσταση κίνησης. Αυτό επιτρέπει στη βάση/γέφυρα και την κάμερα να παραμένουν συγχρονισμένες ανεξάρτητα από την ταχύτητα κίνησης.
Κάμερες TDI έναντι καμερών σάρωσης γραμμής και σάρωσης περιοχής
Δείτε πώς συγκρίνεται το TDI με άλλες δημοφιλείς τεχνολογίες απεικόνισης:
| Χαρακτηριστικό | Κάμερα TDI | Κάμερα σάρωσης γραμμής | Κάμερα σάρωσης περιοχής |
| Ευαισθησία | Πολύ Υψηλό | Μέσον | Χαμηλή έως Μέτρια |
| Ποιότητα εικόνας (κίνηση) | Εξοχος | Καλός | Θολή σε υψηλές ταχύτητες |
| Απαιτήσεις φωτισμού | Χαμηλός | Μέσον | Ψηλά |
| Συμβατότητα κίνησης | Άριστη (αν συγχρονιστεί) | Καλός | Φτωχός |
| Ιδανικό για | Υψηλή ταχύτητα, χαμηλός φωτισμός | Γρήγορα κινούμενα αντικείμενα | Στατικές ή αργές σκηνές |
Η TDI είναι η ξεκάθαρη επιλογή όταν η σκηνή κινείται γρήγορα και τα επίπεδα φωτός είναι περιορισμένα. Η σάρωση γραμμής είναι ένα βήμα πιο χαμηλά στην ευαισθησία, ενώ η σάρωση περιοχής είναι καλύτερη για απλές ή στατικές ρυθμίσεις.
Επιλογή της σωστής κάμερας TDI
Όταν επιλέγετε μια κάμερα TDI, λάβετε υπόψη τα εξής:
● Αριθμός σταδίων TDI: Περισσότερα στάδια αυξάνουν το SNR, αλλά και το κόστος και την πολυπλοκότητα.
● Τύπος αισθητήρα: Το sCMOS προτιμάται για την ταχύτητα και τον χαμηλό θόρυβο. Το CCD ενδέχεται να εξακολουθεί να είναι κατάλληλο για ορισμένα παλαιότερα συστήματα.
● Διεπαφή: Εξασφαλίστε συμβατότητα με το σύστημά σας—Οι επιλογές Camera Link, CoaXPress και 10GigE είναι συνηθισμένες, ενώ οι επιλογές 100G CoF και 40G CoF έχουν αναδειχθεί ως νέες τάσεις.
● Φασματική απόκριση: Επιλέξτε μεταξύ μονόχρωμης, έγχρωμης ή εγγύς υπέρυθρης (NIR) ανάλογα με τις ανάγκες της εφαρμογής.
● Επιλογές συγχρονισμού: Αναζητήστε λειτουργίες όπως εισόδους κωδικοποιητή ή εξωτερική υποστήριξη ενεργοποίησης για καλύτερη ευθυγράμμιση κίνησης.
Εάν η εφαρμογή σας περιλαμβάνει ευαίσθητα βιολογικά δείγματα, επιθεώρηση υψηλής ταχύτητας ή περιβάλλοντα με χαμηλό φωτισμό, το sCMOS TDI είναι πιθανώς η κατάλληλη επιλογή.
Σύναψη
Οι κάμερες TDI αντιπροσωπεύουν μια ισχυρή εξέλιξη στην τεχνολογία απεικόνισης, ειδικά όταν βασίζονται σε αισθητήρες sCMOS. Συνδυάζοντας τον συγχρονισμό κίνησης με την ενσωμάτωση πολλαπλών γραμμών, προσφέρουν απαράμιλλη ευαισθησία και καθαρότητα για δυναμικές σκηνές χαμηλού φωτισμού.
Είτε επιθεωρείτε πλακίδια, σαρώνετε διαφάνειες είτε εκτελείτε επιθεωρήσεις υψηλής ταχύτητας, η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του TDI μπορεί να σας βοηθήσει να επιλέξετε την καλύτερη λύση μεταξύεπιστημονικές κάμερεςγια τις προκλήσεις απεικόνισης που αντιμετωπίζετε.
Συχνές ερωτήσεις
Μπορούν οι κάμερες TDI να λειτουργούν σε λειτουργία σάρωσης περιοχής;
Οι κάμερες TDI μπορούν να δημιουργήσουν (πολύ λεπτές) δισδιάστατες εικόνες σε λειτουργία «σάρωσης περιοχής», η οποία επιτυγχάνεται μέσω ενός τεχνάσματος χρονισμού αισθητήρα. Αυτό μπορεί να είναι χρήσιμο για εργασίες όπως η εστίαση και η ευθυγράμμιση.
Για να ξεκινήσει μια «έκθεση σάρωσης περιοχής», ο αισθητήρας πρώτα «καθαρίζεται» προωθώντας το TDI τουλάχιστον τόσα βήματα όσα και τα στάδια της κάμερας, όσο το δυνατόν γρηγορότερα και στη συνέχεια σταματά. Αυτό επιτυγχάνεται είτε μέσω ελέγχου λογισμικού είτε μέσω ενεργοποίησης υλικού και ιδανικά εκτελείται στο σκοτάδι. Για παράδειγμα, μια κάμερα 256 σταδίων θα πρέπει να διαβάζει τουλάχιστον 256 γραμμές και στη συνέχεια να σταματά. Αυτές οι 256 γραμμές δεδομένων απορρίπτονται.
Ενώ η κάμερα δεν ενεργοποιείται ή δεν διαβάζονται γραμμές, ο αισθητήρας συμπεριφέρεται ακριβώς όπως ένας αισθητήρας σάρωσης περιοχής που εκθέτει μια εικόνα.
Ο επιθυμητός χρόνος έκθεσης θα πρέπει στη συνέχεια να παρέλθει με την κάμερα σε αδράνεια, πριν προχωρήσει ξανά την κάμερα τουλάχιστον κατά τον αριθμό των σταδίων που της αναλογούν, διαβάζοντας κάθε γραμμή της εικόνας που μόλις λήφθηκε. Για άλλη μια φορά, ιδανικά, αυτή η φάση «ανάγνωσης» θα πρέπει να λαμβάνει χώρα στο σκοτάδι.
Αυτή η τεχνική μπορεί να επαναληφθεί για να παρέχει μια «ζωντανή προεπισκόπηση» ή μια ακολουθία εικόνων σάρωσης περιοχής με ελάχιστη παραμόρφωση και θάμπωμα από τη λειτουργία TDI.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. Κατά την αναφορά, παρακαλούμε να αναφέρετε την πηγή:www.tucsen.com
