22/07/13Tempoprokrasta Integriĝo (TDI) estas bildiga tekniko, kiu datas de antaŭ cifereca bildigo - sed kiu ankoraŭ provizas grandegajn avantaĝojn ĉe la avangardo de bildigo hodiaŭ. Estas du cirkonstancoj, en kiuj TDI-fotiloj povas brili - ambaŭ kiam la bildigita subjekto moviĝas:
1 - La bildiga subjekto estas esence en moviĝo kun konstanta rapideco, kiel en ret-inspektado (kiel ekzemple skanado de moviĝantaj tukoj de papero, plasto aŭ ŝtofo por difektoj kaj damaĝoj), muntolinioj, aŭ mikrofluidikiloj kaj fluidaj fluoj.
2 – Senmovaj bildigaj subjektoj, kiujn oni povus bildigi per fotilo movita de areo al areo, aŭ movante la subjekton aŭ la fotilon. Ekzemploj inkluzivas skanadon de mikroskopaj lamenoj, inspektadon de materialoj, inspektadon de plataj paneloj ktp.
Se iu el ĉi tiuj cirkonstancoj povus aplikiĝi al via bildigo, ĉi tiu retpaĝo helpos vin konsideri ĉu ŝanĝo de konvenciaj dudimensiaj 'areaj skanadaj' fotiloj al liniaj skanadaj TDI-fotiloj povus plibonigi vian bildigon.
La problemo kun Areoskanado kaj Moviĝantaj Celoj
● Moviĝa Malklareco
Iuj bildigaj subjektoj moviĝas pro neceso, ekzemple en fluida fluo aŭ ret-inspektado. En aliaj aplikoj, kiel ekzemple lumbildskanado kaj materialinspektado, teni la subjekton moviĝanta povas esti konsiderinde pli rapida kaj pli efika ol haltigi moviĝon por ĉiu akirita bildo. Tamen, por areo-skanadaj fotiloj, se la bildiga subjekto moviĝas relative al la fotilo, tio povas prezenti defion.
Moviĝa malklareco distordanta bildon de moviĝanta veturilo
En situacioj kun limigita lumigo aŭ kie necesas altaj bildkvalitoj, longa fotila ekspontempo eble estos dezirata. Tamen, la moviĝo de la subjekto disvastigos sian lumon tra pluraj fotilpikseloj dum la eksponado, kondukante al "moviĝmalklareco". Ĉi tio povas esti minimumigita per konservado de eksponoj tre mallongaj - sub la tempo, kiun bezonus por punkto sur la subjekto trairi fotilpikselon. Jen launkutime je la kosto de malhelaj, bruaj, ofte neuzeblaj bildoj.
●Kudrado
Krome, tipe bildigi grandajn aŭ kontinuajn bildigajn subjektojn per areaj skanadaj fotiloj postulas la akiron de pluraj bildoj, kiuj poste estas kunigitaj. Ĉi tiu kunigado postulas interkovrantajn pikselojn inter najbaraj bildoj, reduktante efikecon kaj pliigante la bezonojn por datumstokado kaj prilaborado.
●Neegala lumigo
Krome, la lumigo malofte sufiĉas por eviti problemojn kaj artefaktojn ĉe la limoj inter kudritaj bildoj. Ankaŭ, por provizi lumigon super sufiĉe granda areo por la areo-skana fotilo kun sufiĉa intenseco ofte necesas la uzo de altpotencaj, altkostaj kontinukurenta lumfontoj.
Neegala lumigo en kudrado de plurbilda akiro de muscerbo. Bildo de Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Kio estas TDI-fotilo, kaj kiel ĝi helpas?
En konvenciaj dudimensiaj areo-skanadaj fotiloj, estas tri fazoj por akiri bildon: piksela restarigo, eksponado, kaj legado. Dum la eksponado, fotonoj de la sceno estas detektitaj, rezultante en fotoelektronoj, kiuj estas konservitaj en la fotilpikseloj ĝis la fino de la eksponado. La valoroj de ĉiu pikselo estas tiam legitaj, kaj 2D bildo formiĝas. La pikseloj estas tiam restarigitaj kaj ĉiuj ŝargoj forigitaj por komenci la sekvan eksponadon.
Tamen, kiel menciite, se la bildigita subjekto moviĝas relative al la fotilo, la lumo de la subjekto povas disvastiĝi trans plurajn pikselojn dum ĉi tiu eksponado, kaŭzante moviĝmalklarecon. TDI-fotiloj superas ĉi tiun limigon uzante novigan teknikon. Ĉi tio estas montrita en [Animacio 1].
●Kiel TDI-Fotiloj Funkcias
TDI-fotiloj funkcias principe malsame ol are-skanaj fotiloj. Dum la bildigita subjekto moviĝas trans la fotilon dum la eksponado, la elektronikaj ŝargoj konsistigantaj la akiritan bildon ankaŭ moviĝas, restante sinkronigitaj. Dum eksponado, TDI-fotiloj kapablas miksi ĉiujn akiritajn ŝargojn de unu vico de pikseloj al la sekva, laŭlonge de la fotilo, sinkronigite kun la movo de la bildigita subjekto. Dum la subjekto moviĝas trans la fotilon, ĉiu vico (konata kiel "TDI-Etapo") provizas novan ŝancon eksponi la fotilon al la subjekto kaj akumuli signalon.
Kiam vico de akiritaj ŝargoj atingas la finon de la fotilo, nur tiam la valoroj estas legitaj kaj konservitaj kiel unu-dimensia tranĉaĵo de la bildo. La dudimensia bildo estas formita per kungluado de ĉiu sinsekva tranĉaĵo de la bildo dum la fotilo legas ilin. Ĉiu vico de pikseloj en la rezulta bildo spuras kaj bildigas la saman "tranĉaĵon" de la bildigita subjekto, kio signifas, ke malgraŭ la moviĝo, ne estas malklareco.
●256-oble Pli Longa Ekspozicio
Ĉe TDI-fotiloj, la efika ekspontempo de la bildo estas donita per la tuta tempo necesa por ke punkto sur la subjekto trairu ĉiun vicon de pikseloj, kun ĝis 256 ŝtupoj haveblaj ĉe iuj TDI-fotiloj. Tio signifas, ke la havebla ekspontempo estas efike 256 fojojn pli granda ol areo-skana fotilo povus atingi.
Tio povas liveri aŭ du plibonigojn, aŭ ekvilibron de ambaŭ. Unue, oni povas atingi signifan pliigon de la bildiga rapido. Kompare kun area skana kamerao, la bildigita subjekto povas moviĝi ĝis 256-oble pli rapide, samtempe kaptante la saman kvanton da signalo, kondiĉe ke la linia rapido de la kamerao estas sufiĉe rapida por samrapidiĝi.
Aliflanke, se pli granda sentemo estas necesa, la pli longa ekspontempo povus ebligi multe pli altkvalitajn bildojn, pli malaltan lumintensecon, aŭ ambaŭ.
●Granda datumtrairo sen kudrado
Ĉar la TDI-fotilo produktas 2-dimensian bildon el sinsekvaj 1-dimensiaj tranĉaĵoj, la rezulta bildo povas esti tiel granda kiel necese. Dum la nombro da pikseloj en la 'horizontala' direkto estas donita de la larĝo de la fotilo, ekzemple 9072 pikseloj, la 'vertikala' grandeco de la bildo estas senlima, kaj simple determinita de kiom longe la fotilo funkcias. Kun liniaj rapidoj ĝis 510kHz, ĉi tio povas liveri grandegan datumtrairon.
Kombinite kun tio, TDI-fotiloj povas oferti tre larĝajn vidkampojn. Ekzemple, 9072-piksela fotilo kun 5µm pikseloj provizas horizontalan vidkampon de 45mm kun alta rezolucio. Por atingi la saman bildlarĝon kun 5µm piksela areo de skanfotilo, necesus ĝis tri 4K-fotiloj flank-al-flanke.
●Plibonigoj super liniaj skanadaj fotiloj
TDI-fotiloj ne nur ofertas plibonigojn kompare kun areaj skanadaj fotiloj. Liniaj skanadaj fotiloj, kiuj kaptas nur unu linion de pikseloj, ankaŭ suferas de multaj el la samaj problemoj kun lumintenseco kaj mallongaj eksponoj kiel areaj skanadaj fotiloj.
Kvankam simile al TDI-fotiloj, liniaj skanadaj fotiloj ofertas pli egalan lumigon kun pli simpla aranĝo, kaj evitas la bezonon de bildkudrado, ili ofte povas postuli tre intensan lumigon kaj/aŭ malrapidan subjektan movadon por kapti sufiĉan signalon por altkvalita bildo. La pli longaj eksponoj kaj pli rapidaj subjektaj rapidoj, kiujn ebligas TDI-fotiloj, signifas, ke pli malalta intenseco kaj pli malmultekosta lumigo povas esti uzata, samtempe plibonigante bildigan efikecon. Ekzemple, produktadlinio eble povos ŝanĝi de multekostaj, alt-energi-konsumaj halogenaj lampoj, kiuj postulas kontinuan kurenton, al LED-lumigo.
Kiel funkcias TDI-fotiloj?
Ekzistas tri komunaj normoj pri kiel atingi TDI-bildigon sur fotilsensilo.
● CCD TDI– CCD-fotiloj estas la plej malnova stilo de ciferecaj fotiloj. Pro ilia elektronika dezajno, atingi TDI-konduton per CCD estas relative tre simpla, ĉar multaj fotilsensiloj esence kapablas funkcii tiel. TDI-CCD-oj tial estas uzataj dum jardekoj.
Tamen, CCD-teknologio havas siajn limigojn. La plej malgranda piksela grandeco kutime havebla por CCD TDI-fotiloj estas ĉirkaŭ 12µm x 12µm - tio, kune kun malgranda nombro da pikseloj, limigas la kapablojn de la fotiloj solvi fajnajn detalojn. Krome, la rapido de akiro estas pli malalta ol ĉe aliaj teknologioj, dum la legbruo - grava limiga faktoro en malalta lumo-bildigo - estas alta. La energikonsumo ankaŭ estas alta, kio estas grava faktoro en iuj aplikoj. Tio kondukis al la deziro krei TDI-fotilojn bazitajn sur CMOS-arkitekturo.
●Frua CMOS TDI: Tensio-domajna kaj cifereca sumigo
CMOS-fotiloj superas multajn el la bruo- kaj rapidlimigoj de CCD-fotiloj, uzante malpli da energio kaj ofertante pli malgrandajn pikselgrandecojn. Tamen, TDI-konduton estis multe pli malfacile atingi ĉe CMOS-fotiloj, pro ilia piksela dezajno. Dum CCD-oj fizike movas fotoelektronojn de pikselo al pikselo por administri la sensilon, CMOS-fotiloj konvertas signalojn en fotoelektronoj al tensioj en ĉiu pikselo antaŭ legado.
La konduto de TDI sur CMOS-sensilo estas esplorata ekde 2001, tamen la defio pri kiel trakti la "amasiĝon" de signalo dum la eksponado moviĝas de unu vico al la sekva estis signifa. Du fruaj metodoj por CMOS TDI, ankoraŭ uzataj en komercaj fotiloj hodiaŭ, estas tensi-domajna akumulado kaj cifereca sumigo de TDI CMOS. En tensi-domajnaj akumulaj fotiloj, ĉar ĉiu vico de signalo estas akirita dum la bildigita subjekto moviĝas preter, la akirita tensio estas aldonita elektronike al la totala akiro por tiu parto de la bildo. Akumulado de tensioj tiamaniere enkondukas plian bruon por ĉiu ekstra TDI-ŝtupo, kiu estas aldonita, limigante la avantaĝojn de pliaj ŝtupoj. Problemoj kun lineareco ankaŭ defias la uzon de ĉi tiuj fotiloj por precizaj aplikoj.
La dua metodo estas cifereca sumigo TDI. En ĉi tiu metodo, CMOS-fotilo efike funkcias en area skanada reĝimo kun tre mallonga eksponado kongrua kun la tempo bezonata por la bildigita subjekto moviĝi trans unuopan vicon da pikseloj. Sed, la vicoj de ĉiu sinsekva kadro estas ciferece sumigitaj tiel ke TDI-efiko estas liverita. Ĉar la tuta fotilo devas esti legita por ĉiu vico da pikseloj en la rezulta bildo, ĉi tiu cifereca adicio ankaŭ aldonas la legbruon por ĉiu vico, kaj limigas la rapidon de akiro.
●La moderna normo: ŝarg-domajna TDI CMOS, aŭ CCD-sur-CMOS TDI
La supre menciitaj limigoj de CMOS TDI estis superitaj lastatempe per la enkonduko de ŝarg-domajna akumula TDI CMOS, ankaŭ konata kiel CCD-sur-CMOS TDI. La funkciado de ĉi tiuj sensiloj estas montrita en [Animacio 1]. Kiel la nomo sugestas, ĉi tiuj sensiloj ofertas CCD-similan movadon de ŝargoj de unu pikselo al la sekva, akumulante signalon ĉe ĉiu TDI-stadio per la aldono de fotoelektronoj je la nivelo de individuaj ŝargoj. Ĉi tio estas efike senbrua. Tamen, la limigoj de CCD TDI estas superitaj per la uzo de CMOS-lega arkitekturo, ebligante la altajn rapidojn, malaltan bruon kaj malaltan energi-konsumon komunajn al CMOS-fotiloj.
TDI-Specifoj: kio gravas?
●Teknologio:La plej grava faktoro estas kia sensorteknologio estas uzata, kiel diskutite supre. Ŝarĝ-domajna CMOS TDI liveros la plej bonan rendimenton.
●TDI-Stadioj:Jen la nombro da vicoj de la sensilo, super kiuj signalo povas esti akumulita. Ju pli da TDI-ŝtupoj fotilo havas, des pli longa povas esti ĝia efika ekspontempo. Aŭ, des pli rapide la bildigita subjekto povas moviĝi, kondiĉe ke la fotilo havas sufiĉan linirapidecon.
●Linia Rapideco:Kiom da vicoj la fotilo povas legi po sekundo. Ĉi tio difinas la maksimuman movorapidon, kiun la fotilo povas teni.
●Kvanta EfikecoĈi tio indikas la sentemon de la fotilo al lumo ĉe malsamaj ondolongoj, donita de la probableco ke incida fotono estos detektita kaj produktos fotoelektronon. Pli alta kvantuma efikeco povas oferti pli malaltan lumforton, aŭ pli rapidan funkciadon konservante la samajn signalnivelojn.
Krome, fotiloj malsamas laŭ la ondolonga gamo, ĉe kiu bona sentemo povas esti atingita, kun iuj fotiloj ofertantaj sentemon ĝis la ultraviola (UV) fino de la spektro, je ĉirkaŭ 200nm ondolongo.
●Legu Bruon:Legbruo estas la alia grava faktoro en la sentemo de fotilo, determinante la minimuman signalon, kiu povas esti detektita super la bruo-planko de la fotilo. Kun alta legbruo, malhelaj trajtoj ne povas esti detektitaj kaj la dinamika gamo estas grave reduktita, kio signifas, ke pli hela lumo aŭ pli longaj eksponaj tempoj kaj pli malrapidaj movrapidoj devas esti uzataj.
TDI-Specifoj: kio gravas?
Nuntempe, TDI-fotiloj estas uzataj por retpaĝa inspektado, elektronika kaj fabrikada inspektado, kaj aliaj maŝinvidaj aplikoj. Kune kun tio estas malfacilaj aplikoj en malalta lumo kiel fluoreska bildigo kaj lumbilda skanado.
Tamen, kun la enkonduko de altrapidaj, malbruaj, alt-sentemaj TDI CMOS-fotiloj, ekzistas granda potencialo por pliigoj de rapideco kaj efikeco en novaj aplikoj, kiuj antaŭe uzis nur areo-skanadajn fotilojn. Kiel ni enkondukis komence de la artikolo, TDI-fotiloj povas esti la plej bona elekto por atingi altajn rapidecojn kaj altajn bildkvalitojn por aŭ bildigantaj subjektojn jam en konstanta moviĝo, aŭ kie la fotilo povus esti skanita trans senmovaj bildigantaj subjektoj.
Ekzemple, en mikroskopa apliko, ni povus kompari la teorian akirrapidecon de 9K-piksela, 256-ŝtupa TDI-fotilo kun 5 µm pikseloj kun 12MP-fotila areo-skanada fotilo kun 5 µm pikseloj. Ni ekzamenu akiron de 10 x 10 mm areo kun 20-obla pligrandigo per movado de la ŝtupo.
1. Uzante 20x-objektivon kun la area skana fotilo, oni havus vidkampon de 1,02 x 0,77 mm.
2. Per la TDI-fotilo, 10x objektivo kun 2x plia pligrandigo povus esti uzata por superi ajnan limigon en la mikroskopa vidkampo, por liveri 2,3mm horizontalan bildigan vidkampon.
3. Supozante 2%-an pikselan interkovron inter bildoj por kudrado, 0,5 sekundojn por movi la scenejon al difinita loko, kaj eksponan tempon de 10 ms, ni povas kalkuli la tempon, kiun la areoskana kamerao bezonus. Simile, ni povas kalkuli la tempon, kiun la TDI-kamerao bezonus se la scenejo estus tenata en konstanta moviĝo por skani en la Y-direkto, kun la sama ekspontempo por linio.
4. En ĉi tiu kazo, la areo-skana kamerao bezonus akiri 140 bildojn, kun 63 sekundoj pasigitaj por movi la scenejon. La TDI-kamerao akirus nur 5 longajn bildojn, kun nur 2 sekundoj pasigitaj por movi la scenejon al la sekva kolumno.
5. La tuta tempo elspezita por akiri la areon 10 x 10 mm estus64.4 sekundoj por la areo-skana kamerao,kaj nur9.9 sekundoj por la TDI-fotilo.
Se vi ŝatus vidi ĉu TDI-fotilo povus kongrui kun via apliko kaj plenumi viajn bezonojn, kontaktu nin hodiaŭ.
