22.07.13Ajalise viivitusega integreerimine (TDI) on pildistamistehnika, mis eelneb digitaalsele pildistamisele, kuid pakub tänapäeval pildistamise tipptasemel tohutuid eeliseid. TDI-kaamerad saavad särada kahel juhul – mõlemal juhul, kui pildistatav objekt liigub:
1 – Kujutiseobjekt on loomupäraselt konstantse kiirusega liikumises, nagu näiteks veebikontrollis (näiteks liikuvate paberi-, plasti- või kangalehtede skannimisel defektide ja kahjustuste suhtes), konveierliinidel või mikrofluidika ja vedelikuvoogude puhul.
2 – Staatiliste piltide tegemine objektide puhul, mida saab kaameraga pildistada, liigutades objekti või kaamerat. Näideteks on mikroskoobi slaidide skaneerimine, materjalide kontroll, lameekraani kontroll jne.
Kui kumbki neist asjaoludest teie pildistamise puhul kehtida võiks, aitab see veebileht teil kaaluda, kas üleminek tavapärastelt kahemõõtmelistelt „pindala skaneerivatelt” kaameratelt joonskaneerivatele TDI-kaameratele võiks teie pildistamist parandada.
Pindala skaneerimise ja liikuvate sihtmärkide probleem
● Liikumise hägusus
Mõned pildistamisobjektid liiguvad paratamatult, näiteks vedelikuvoolu või võrgu kontrollimisel. Teistes rakendustes, näiteks slaidide skaneerimisel ja materjalide kontrollimisel, võib objekti liikumises hoidmine olla oluliselt kiirem ja tõhusam kui liikumise peatamine iga pildi jaoks eraldi. Pindkaamerate puhul võib see aga probleemiks osutuda, kui pildistamisobjekt on kaamera suhtes liikumas.
Liikumishägu moonutab liikuva sõiduki pilti
Piiratud valgustusega olukordades või kõrge pildikvaliteedi nõudmisel võib olla soovitav pikk säriaeg. Objekti liikumine aga hajutab särituse ajal valgust mitmele kaamerapikslile, mis viib liikumisest tingitud hägususeni. Seda saab minimeerida, hoides säritused väga lühikesed – alla aja, mis kuluks objekti punktil kaamerapiksli läbimiseks. See onuntavaliselt tumedate, lärmakate ja tihti kasutuskõlbmatute piltide arvelt.
●Õmblemine
Lisaks nõuab suurte või pideva pildistamise objektide pildistamine pindalakaameratega mitme pildi saamist, mis seejärel kokku õmmeldakse. See õmblemine nõuab naaberpiltide kattuvaid piksleid, mis vähendab efektiivsust ja suurendab andmete salvestamise ja töötlemise nõudeid.
●Ebaühtlane valgustus
Lisaks on valgustus harva ühtlane, et vältida probleeme ja artefakte kokkuõmmeldud piltide vahelistel piiridel. Samuti nõuab ala-skaneeriva kaamera jaoks piisavalt suure ala piisava intensiivsusega valgustuse pakkumine sageli suure võimsusega ja kallite alalisvoolu valgusallikate kasutamist.
Ebaühtlane valgustus hiire aju mitme pildi omandamise õmblemisel. Pilt Watsoni jt. poolt 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Mis on TDI-kaamera ja kuidas see aitab?
Tavapärastes kahemõõtmelistes ala-skaneerivates kaamerates on pildi saamisel kolm faasi: pikslite lähtestamine, säritus ja lugemine. Särituse ajal tuvastatakse stseenist pärit footonid, mille tulemuseks on fotoelektronid, mis salvestatakse kaamera pikslitesse kuni särituse lõpuni. Seejärel loetakse iga piksli väärtused välja ja moodustatakse kahemõõtmeline pilt. Seejärel lähtestatakse pikslid ja kõik laengud tühjendatakse järgmise särituse alustamiseks.
Nagu mainitud, kui pildistatav objekt kaamera suhtes liigub, võib objektilt tulev valgus särituse ajal levida mitmele pikslile, mis põhjustab liikumisest tingitud hägusust. TDI-kaamerad ületavad selle piirangu uuendusliku tehnika abil. Seda on demonstreeritud [animatsioonis 1].
●Kuidas TDI-kaamerad töötavad
TDI-kaamerad töötavad põhimõtteliselt erinevalt pindalaga skaneerivatest kaameratest. Kui pildistav objekt liigub särituse ajal kaamera kohal, liiguvad ka saadud pilti moodustavad elektronlaengud, püsides sünkroonis. Särituse ajal suudavad TDI-kaamerad kõik saadud laengud ühest pikslireast teise liigutada piki kaamerat, sünkroonis pildistava objekti liikumisega. Kui objekt liigub kaamera kohal, annab iga rida (tuntud kui „TDI-etapp“) uue võimaluse kaamerat objektile säritada ja signaali koguda.
Alles siis, kui laengute rida jõuab kaamera lõppu, loetakse väärtused välja ja salvestatakse pildi ühemõõtmelise lõiguna. Kahemõõtmeline pilt moodustatakse iga järgneva pildilõigu kokkuliimimisel, kui kaamera neid loeb. Iga pikslirida saadud pildil jälgib ja jäädvustab pildistatava objekti sama „lõiku“, mis tähendab, et vaatamata liikumisele hägusust ei esine.
●256x pikem säritusaeg
TDI-kaamerate puhul on pildi efektiivne säritusaeg antud kogu ajaga, mis kulub objekti punktil iga pikslirea läbimiseks, mõnel TDI-kaameral on saadaval kuni 256 etappi. See tähendab, et saadaolev säritusaeg on tegelikult 256 korda pikem kui pindalaga skaneeriv kaamera suudaks saavutada.
See võib pakkuda ühte kahest täiustusest või mõlema tasakaalu. Esiteks saab saavutada pildistamiskiiruse märkimisväärse suurenemise. Võrreldes pindalaga skaneeriva kaameraga saab pildistatav objekt liikuda kuni 256 korda kiiremini, jäädvustades samal ajal sama palju signaali, eeldusel, et kaamera liinikiirus on piisavalt kiire, et sammu pidada.
Teisest küljest, kui on vaja suuremat tundlikkust, võib pikem säriaeg võimaldada palju kvaliteetsemaid pilte, madalamat valgustusintensiivsust või mõlemat.
●Suur andmeedastuskiirus ilma liitmiseta
Kuna TDI-kaamera loob kahemõõtmelise pildi järjestikustest ühemõõtmelistest viiludest, võib tulemuseks olev pilt olla nii suur kui vaja. Kuigi pikslite arv horisontaalses suunas on määratud kaamera laiusega, näiteks 9072 pikslit, on pildi vertikaalne suurus piiramatu ja määratakse lihtsalt kaamera tööaja järgi. Kuni 510 kHz liinikiirusega on see võimeline tagama tohutu andmeedastusvõimsuse.
Lisaks sellele pakuvad TDI-kaamerad väga laia vaatevälja. Näiteks 9072 piksliga kaamera 5 µm pikslitega pakub 45 mm horisontaalset vaatevälja kõrge eraldusvõimega. Sama pildilaiuse saavutamiseks 5 µm pikslipinnaga skaneerimiskaameraga oleks vaja kuni kolme 4K kaamerat kõrvuti.
●Täiustused võrreldes joonkaameratega
TDI-kaamerad ei paku mitte ainult täiustusi pindalakaamerate ees. Joonkaamerad, mis jäädvustavad vaid ühe pikslirea, kannatavad ka paljude samade valgustuse intensiivsuse ja lühikeste säriaegadega seotud probleemide all kui pindalakaamerad.
Kuigi sarnaselt TDI-kaameratele pakuvad joonskaneerimiskaamerad ühtlasemat valgustust lihtsama seadistusega ning väldivad piltide liitmise vajadust, võivad need kvaliteetse pildi saamiseks piisava signaali jäädvustamiseks sageli vajada väga intensiivset valgustust ja/või objekti aeglast liikumist. TDI-kaamerate pikemad säritused ja kiiremad objektikiirused tähendavad, et saab kasutada väiksema intensiivsusega ja odavamat valgustust, parandades samal ajal pildistamise efektiivsust. Näiteks võib tootmisliin olla võimeline minema üle kallitelt ja suure energiatarbega halogeenlampidelt, mis vajavad alalisvoolutoidet, LED-valgustusele.
Kuidas TDI-kaamerad töötavad?
Kaamerasensoril TDI-pildistamise saavutamiseks on kolm ühist standardit.
● CCD TDI– CCD-kaamerad on vanimat tüüpi digitaalkaamerad. Tänu oma elektroonilisele disainile on TDI-käitumise saavutamine CCD-l suhteliselt väga lihtne ning paljud kaamerasensorid on loomupäraselt võimelised sel viisil töötama. Seetõttu on TDI CCD-sid kasutatud aastakümneid.
CCD-tehnoloogial on aga ka omad piirangud. CCD TDI-kaamerate jaoks tavaliselt saadaolev väikseim piksli suurus on umbes 12 µm x 12 µm – see koos väikese pikslite arvuga piirab kaamerate võimet peeneid detaile lahendada. Lisaks on andmete omandamise kiirus madalam kui teiste tehnoloogiate puhul, samas kui lugemismüra – peamine piirav tegur hämaras pildistamisel – on suur. Ka energiatarve on suur, mis on mõnes rakenduses oluline tegur. See viis soovini luua CMOS-arhitektuuril põhinevaid TDI-kaameraid.
●Varajane CMOS TDI: pingedomeen ja digitaalne summeerimine
CMOS-kaamerad ületavad paljud CCD-kaamerate müra- ja kiirusepiirangud, tarbides samal ajal vähem energiat ja pakkudes väiksemaid piksleid. TDI-käitumist oli CMOS-kaamerate puhul aga nende pikslite disaini tõttu palju raskem saavutada. Kui CCD-d liigutavad sensori haldamiseks fotoelektrone füüsiliselt pikslilt pikslile, siis CMOS-kaamerad teisendavad fotoelektronites olevad signaalid enne kuvamist iga piksli pingeteks.
CMOS-sensori TDI käitumist on uuritud alates 2001. aastast, kuid märkimisväärne väljakutse oli see, kuidas käsitleda signaali „akumuleerumist” särituse ühelt realt teisele liikumisel. Kaks varajast CMOS TDI meetodit, mida tänapäevalgi kommertskaamerates kasutatakse, on pingedomeeni akumuleerimine ja digitaalne summeerimine TDI CMOS. Pingedomeeni akumuleerimiskaamerates lisatakse iga signaalirea omandamise käigus pildistamisobjekti möödudes omandatud pinge elektrooniliselt selle pildi osa kogu omandamise tulemusele. Selline pingete akumuleerimine tekitab iga lisatud TDI-astme kohta täiendavat müra, mis piirab täiendavate astmete eeliseid. Lineaarsusega seotud probleemid seavad nende kaamerate kasutamise täpsete rakenduste jaoks kahtluse alla ka selle.
Teine meetod on digitaalne summeerimine (TDI). Selle meetodi puhul töötab CMOS-kaamera efektiivselt pindala skaneerimise režiimis väga lühikese säritusega, mis on sobitatud ajaga, mis kulub pildistamisobjektil ühe pikslirea läbimiseks. Kuid iga järjestikuse kaadri read liidetakse digitaalselt kokku nii, et tekib TDI-efekt. Kuna kogu kaamera tuleb iga pikslirea jaoks saadud pildil välja lugeda, lisab see digitaalne liitmine ka iga rea lugemismüra ja piirab omandamise kiirust.
●Kaasaegne standard: laengdomeeni TDI CMOS ehk CCD-on-CMOS TDI
Ülaltoodud CMOS TDI piirangud on hiljuti ületatud laengdomeeni akumuleeriva TDI CMOS-i, tuntud ka kui CCD-on-CMOS TDI, kasutuselevõtuga. Nende andurite tööpõhimõtet on demonstreeritud [animatsioonis 1]. Nagu nimigi ütleb, pakuvad need andurid laengute CCD-laadset liikumist ühelt pikslilt teisele, akumuleerides signaali igal TDI etapil fotoelektronide lisamise kaudu üksikute laengute tasemel. See on sisuliselt müravaba. CCD TDI piirangud ületatakse aga CMOS-i lugemisarhitektuuri abil, mis võimaldab CMOS-kaameratele omast suurt kiirust, madalat müra ja väikest energiatarbimist.
TDI spetsifikatsioonid: mis on oluline?
●Tehnoloogia:Nagu eespool arutletud, on kõige olulisem tegur kasutatav anduritehnoloogia. Parima jõudluse tagab laengudomeeni CMOS TDI.
●TDI etapid:See on sensori ridade arv, mille ulatuses signaali saab akumuleerida. Mida rohkem on kaameral TDI-astmeid, seda pikem on selle efektiivne säritusaeg. Või seda kiiremini saab pildistatav objekt liikuda, eeldusel, et kaameral on piisav reasagedus.
●Liinikiirus:Mitu rida sekundis kaamera lugeda suudab. See määrab maksimaalse liikumiskiiruse, millega kaamera suudab sammu pidada.
●KvantefektiivsusSee näitab kaamera tundlikkust valguse suhtes erinevatel lainepikkustel, mis on antud langeva footoni tuvastamise ja fotoelektroni tekitamise tõenäosusena. Suurem kvantefektiivsus võib pakkuda väiksemat valgustustugevust või kiiremat tööd, säilitades samal ajal sama signaalitaseme.
Lisaks erinevad kaamerad lainepikkuste vahemiku poolest, milles on võimalik saavutada hea tundlikkus, kusjuures mõned kaamerad pakuvad tundlikkust kuni spektri ultraviolettkiirguse (UV) otsani, umbes 200 nm lainepikkusel.
●Loe müra:Lugemismüra on kaamera tundlikkuse teine oluline tegur, mis määrab minimaalse signaali, mida saab kaamera müratasemest kõrgemal tuvastada. Kõrge lugemismüra korral ei ole tumedaid objekte võimalik tuvastada ja dünaamiline ulatus on oluliselt vähenenud, mis tähendab, et tuleb kasutada eredamat valgustust või pikemat säriaega ja aeglasemat liikumiskiirust.
TDI spetsifikatsioonid: mis on oluline?
Praegu kasutatakse TDI-kaameraid veebikontrolliks, elektroonika ja tootmise kontrollimiseks ning muudeks masinnägemise rakendusteks. Lisaks sellele on olemas keerulised hämaras valguses tehtavad rakendused, näiteks fluorestsentskuvamine ja slaidide skaneerimine.
Kuid kiirete, madala müratasemega ja suure tundlikkusega TDI CMOS-kaamerate kasutuselevõtuga on suur potentsiaal kiiruse ja efektiivsuse suurendamiseks uutes rakendustes, mis varem kasutasid ainult pindalaga skaneerivaid kaameraid. Nagu me artikli alguses tutvustasime, võivad TDI-kaamerad olla parim valik suure kiiruse ja kõrge pildikvaliteedi saavutamiseks nii pidevalt liikuvate objektide pildistamisel kui ka siis, kui kaamerat saab skaneerida staatiliste pildistamisobjektide kohal.
Näiteks mikroskoopiarakenduses saaksime võrrelda 9K piksli, 256-lavalise 5 µm pikslitega TDI-kaamera teoreetilist valgustamiskiirust 12MP kaameraalaga skaneerimiskaameraga, mille pikslid on 5 µm. Vaatleme 10 x 10 mm ala omandamist 20-kordse suurendusega laua liigutamise abil.
1. 20x objektiivi kasutamine koos pindala skaneeriva kaameraga annaks 1,02 x 0,77 mm pildistamisvaatevälja.
2. TDI-kaameraga saab mikroskoobi vaatevälja piirangute ületamiseks ja 2,3 mm horisontaalse pildistamisvaatevälja saavutamiseks kasutada 10-kordset objektiivi koos 2-kordse suurendusega.
3. Eeldades piltide 2% pikslite kattumist liitmise eesmärgil, 0,5 sekundit tööpinna liigutamiseks määratud asukohta ja 10 ms säriaega, saame arvutada aja, mis kuluks ala skaneeriva kaamera skaneerimiseks. Samamoodi saame arvutada aja, mis kuluks TDI-kaamera skaneerimiseks, kui tööpinda hoitakse pidevalt Y-suunas skaneerimiseks sama säriajaga rea kohta.
4. Sellisel juhul vajaks ala skaneeriv kaamera 140 pildi jäädvustamiseks ja laua liigutamiseks 63 sekundit. TDI-kaamera jäädvustaks vaid 5 pikka pilti ja laua järgmisse veergu liigutamiseks kuluks vaid 2 sekundit.
5. 10 x 10 mm ala saamiseks kuluv koguaeg oleks64,4 sekundit ala skaneeriva kaamera jaoks,ja lihtsaltTDI-kaamera puhul 9,9 sekundit.
Kui soovite näha, kas TDI-kaamera sobib teie rakendusega ja vastab teie vajadustele, võtke meiega juba täna ühendust.
