25.08.08Tööstuslikus ja teaduslikus pildistamises on kiiresti liikuvate objektide jäädvustamine hämaras valguses pidevaks väljakutseks. Siin tulevadki mängu ajalise viivitusega integreerimise (TDI) kaamerad. TDI-tehnoloogia ühendab liikumise sünkroniseerimise ja mitmekordse särituse, et pakkuda erakordset tundlikkust ja pildi selgust, eriti kiiretes keskkondades.
Mis on TDI-kaamera?
TDI-kaamera on spetsiaalne joonskannerkaamera, mis jäädvustab liikuvaid objekte. Erinevalt tavalistest alaskanneritest, mis säritavad terve kaadri korraga, nihutavad TDI-kaamerad laengut ühelt pikslirealt teisele sünkroonis objekti liikumisega. Iga pikslirida akumuleerib valgust objekti liikumise ajal, suurendades tõhusalt säriaega ja parandades signaali tugevust ilma liikumisest tingitud hägusust tekitamata.
See laengu integreerimine suurendab dramaatiliselt signaali-müra suhet (SNR), muutes TDI-kaamerad ideaalseks kiirete või hämaras rakenduste jaoks.
Kuidas TDI-kaamera töötab?
TDI-kaamera tööpõhimõtet on illustreeritud joonisel 1.
Joonis 1: Aegviite integreerimise (TDI) andurite tööpõhimõte
MÄRKUS: TDI-kaamerad liigutavad omandatud laenguid mitme „astme” kaudu sünkroonis liikuva pildistamisobjektiga. Iga aste annab täiendava võimaluse valgusega kokku puutuda. Illustreeritud ereda T-tähega, mis liigub üle kaamera, koos TDI-anduri 5-kolonnise ja 5-astmelise segmendiga. Tucsen Dhyana 9KTDI hübriidse CCD-tüüpi laengumehhanismiga, kuid CMOS-tüüpi paralleelnäiduga.
TDI-kaamerad on sisuliselt joonskaneerimiskaamerad, millel on üks oluline erinevus: ühe pikslirea asemel, mis andmeid kogub, kui kaameraid skaneeritakse pildistamisobjektil, on TDI-kaameratel mitu rida, mida nimetatakse "etappideks", tavaliselt kuni 256.
Kuid need read ei moodusta kahemõõtmelist pilti nagu pindalaga skaneeriv kaamera. Selle asemel liiguvad skaneeritud pildistamisobjekti liikumise ajal kaamera sensoril iga piksli tuvastatud fotoelektronid järgmisse ritta sünkroonis pildistamisobjekti liikumisega, ilma et neid veel välja loetaks. Iga täiendav rida annab seejärel täiendava võimaluse pildistamisobjekti valgusega kokku puutuda. Alles siis, kui pildilõik jõuab sensori viimase pikslireani, edastatakse see rida mõõtmiseks lugemisarhitektuuri.
Seega, hoolimata mitmest mõõtmisest, mis toimuvad kaameraastmetel, tekib kaamera lugemismüra ainult ühel korral. 256-astmeline TDI-kaamera hoiab proovi vaateväljas 256 korda kauem ja seega on selle säritusaeg 256 korda pikem kui samaväärsel joonkaameral. Samaväärne säritusaeg pindalakaameraga annaks äärmise liikumise hägususe, muutes pildi kasutuks.
Millal saab TDI-d kasutada?
TDI-kaamerad on suurepärane lahendus igale pildistamisrakendusele, kus pildistatav objekt liigub kaamera suhtes, eeldusel, et liikumine on kogu kaamera vaateväljas ühtlane.
TDI-kuvamise rakendused hõlmavad seega ühelt poolt kõiki joonskaneerimise rakendusi, kus moodustatakse kahemõõtmelisi kujutisi, pakkudes samal ajal suuremat kiirust, oluliselt paremat hämaras tundlikkust, paremat pildikvaliteeti või kõiki kolme korraga. Teisest küljest on palju pildistamistehnikaid, mis kasutavad pindalaga skaneerivaid kaameraid, kus saab kasutada TDI-kaameraid.
Suure tundlikkusega sCMOS TDI puhul saab bioloogilise fluorestsentsmikroskoopia abil teostada „plaatimise ja õmbluse“ pildistamist, kasutades plaatimise asemel lava pidevat skaneerimist. Või kõik TDI-d võivad hästi sobida kontrollirakendusteks. Teine oluline TDI rakendus on pildistav voolutsütomeetria, kus rakkude fluorestsentskujutised saadakse kaamera läbimisel mikrofluidkanalis voolamise ajal.
sCMOS TDI plussid ja miinused
Plussid
● Suudab pildistamisobjekti skannimisel suurel kiirusel jäädvustada suvalise suurusega kahemõõtmelisi kujutisi.
● Mitmed TDI-astmed, madal müratase ja kõrge QE võivad viia oluliselt suurema tundlikkuseni kui joonkaamerad.
● 9072 piksli laiuse pildi puhul on võimalik saavutada väga suur lugemiskiirus, näiteks kuni 510 000 Hz (rida sekundis).
●Valgustus peab olema ainult ühemõõtmeline ja teises (skaneeritud) dimensioonis ei pruugi olla vaja tasapinnalist vaadet ega muid korrektsioone. Lisaks võivad pikemad säriajad võrreldes joonskaneerimisega "siluda" vahelduvvoolu valgusallikate põhjustatud virvendust.
● Liikuvaid pilte saab jäädvustada ilma liikumisest tingitud hägususeta ning suure kiiruse ja tundlikkusega.
●Suurte alade skaneerimine võib olla oluliselt kiirem kui pindalakaameratega.
● Täiustatud tarkvara või käivitusseadistuste abil saab „ala skaneerimise sarnase” režiimi abil anda ala skaneerimise ülevaate teravustamiseks ja joondamiseks.
Miinused
● Ikka veel kõrgem müra kui tavalistel sCMOS-kaameratel, mis tähendab, et ülihämaras valguses rakendused on kättesaamatud.
● Nõuab spetsiaalseid seadistusi koos täiustatud päästikutega, et sünkroniseerida pildistatava objekti liikumist kaamera skaneerimisega, liikumiskiiruse väga täpset juhtimist või kiiruse täpset ennustamist sünkroniseerimise võimaldamiseks.
● Uue tehnoloogiana on riist- ja tarkvara rakendamiseks praegu vähe lahendusi.
Hämaras töötav sCMOS TDI
Kuigi TDI kui pilditehnika eelneb digitaalsele pildistamisele ja ületas jõudluse poolest juba ammu joonskannimise, on TDI-kaamerad alles viimastel aastatel saavutanud tundlikkuse, mis on vajalik hämaras valguses rakenduste jaoks, mis tavaliselt nõuaksid teadusliku taseme tundlikkust.sCMOS-kaamerad.
„sCMOS TDI” ühendab CCD-tüüpi laengute liikumise sensoril sCMOS-tüüpi näiduga, kusjuures saadaval on ka taustvalgustusega andurid. Varasematel CCD-põhistel või puhtalt CMOS-põhistel* TDI-kaameratel oli drastiliselt aeglasem näit, väiksem pikslite arv, vähem etappe ja lugemismüra vahemikus 30e- kuni >100e-. Seevastu sCMOS TDI-del, näiteks Tucsenil,Dhyana 9KTDI sCMOS-kaamerapakub lugemismüra 7,2e- koos suurema kvantefektiivsusega taustvalgustuse kaudu, võimaldades TDI kasutamist oluliselt madalama valgustasemega rakendustes kui varem oli võimalik.
Paljudes rakendustes suudavad TDI protsessi võimaldavad pikemad säriajad kompenseerida lugemismüra suurenemise võrreldes kvaliteetsete sCMOS-i pindalaga skaneerivate kaameratega, mille lugemismüra on lähedane 1e-.
TDI-kaamerate levinumad rakendused
TDI-kaameraid leidub paljudes tööstusharudes, kus täpsus ja kiirus on võrdselt olulised:
● Pooljuhtplaatide kontroll
● Lameekraanide (FPD) testimine
● Veebikontroll (paber, kile, foolium, tekstiil)
● Röntgeni skaneerimine meditsiinilises diagnostikas või pagasi kontrollimisel
● Slaidide ja mitme süvendiga plaatide skaneerimine digitaalses patoloogias
● Hüperspektriline pildistamine kaugseires või põllumajanduses
● PCB ja elektroonika kontroll SMT liinidel
Need rakendused saavad kasu TDI-pildistamise paremast kontrastsusest, kiirusest ja selgusest reaalsetes tingimustes.
Näide: Slaidi ja mitme süvendiga plaadi skaneerimine
Nagu mainitud, on sCMOS TDI-kaamerate üks paljulubav rakendus liitmisrakendused, sealhulgas slaidide või mitme süvendiga plaatide skaneerimine. Suurte fluorestsents- või ereväljamikroskoopiaproovide skaneerimine kahemõõtmeliste alakaameratega tugineb XY-mikroskoobi laua mitmest liikumisest moodustatud piltide ruudustiku liitmisele. Iga pildi saamiseks peab lauaplaat peatuma, stabiliseeruma ja seejärel taaskäivitama, samuti peab katiku käivitusviide olema piiratud. TDI seevastu saab pilte hankida lauaplaadi liikumise ajal. Seejärel moodustatakse pilt väikesest arvust pikkadest "ribadest", millest igaüks katab kogu proovi laiuse. See võib potentsiaalselt viia drastiliselt suuremate andmete kogumise kiiruste ja andmeedastuskiiruseni kõigis liitmisrakendustes, olenevalt pildistamistingimustest.
Kiirus, millega töölaud saab liikuda, on pöördvõrdeline TDI-kaamera kogu säritusajaga, seega pakuvad lühikesed säritusajad (1–20 ms) pildistamiskiiruse suurimat paranemist võrreldes pindalakaameratega, mis võib seejärel viia kogu pildistamisaja lühenemiseni suurusjärgu võrra või isegi rohkem. Pikemate säritusaegade korral (nt > 100 ms) säilitab pindala skaneerimine tavaliselt ajalise eelise.
Näide väga suurest (2 gigapikslist) fluorestsentsmikroskoopia pildist, mis on loodud kõigest kümne sekundiga, on näidatud joonisel 2. Samaväärse pildi loomine pinna skaneeriva kaameraga võib võtta kuni mitu minutit.
Joonis 2: 2 gigapiksline pilt, mis on TDI skaneerimise ja õmblemise teel loodud 10 sekundiga
MÄRKUS: 10-kordse suurendusega pilt, mis on saadud Tucsen Dhyana 9kTDI markeriga ja vaadatud fluorestsentsmikroskoopia abil. Säilitusaeg 10 sekundit ja säriaeg 3,6 ms. Kujutise mõõtmed: 30 mm x 17 mm, 58 000 x 34 160 pikslit.
TDI sünkroonimine
TDI-kaamera sünkroniseerimine pildistamisobjektiga (mõne protsendi täpsusega) on oluline – kiiruse mittevastavus põhjustab liikumisest tingitud hägususe efekti. Seda sünkroniseerimist saab teha kahel viisil:
EnnustavKaamera kiirus seatakse liikumiskiirusele vastavaks, tuginedes näidise liikumiskiiruse, optika (suurendus) ja kaamera pikslite suuruse tundmisele. Või katse-eksituse meetodil.
KäivitatudPaljud mikroskoobi alused, platvormid ja muud pildistamisobjektide liigutamiseks mõeldud seadmed võivad sisaldada kodeerijaid, mis saadavad kaamerale antud liikumisdistantsi ulatuses käivitusimpulsi. See võimaldab alusel/platvormil ja kaameral jääda sünkroonis liikumiskiirusest olenemata.
TDI-kaamerad vs. joon- ja pindalakaamerad
Siin on TDI võrdlus teiste populaarsete pilditehnoloogiatega:
| Funktsioon | TDI-kaamera | Joonskaneerimiskaamera | Pindala skaneerimise kaamera |
| Tundlikkus | Väga kõrge | Keskmine | Madal kuni keskmine |
| Pildi kvaliteet (liikuv) | Suurepärane | Hea | Suurel kiirusel udune |
| Valgustusnõuded | Madal | Keskmine | Kõrge |
| Liikumisühilduvus | Suurepärane (kui sünkroniseeritud) | Hea | Kehv |
| Parima jaoks | Kiire, hämaras | Kiiresti liikuvad objektid | Staatilised või aeglased stseenid |
TDI on selge valik, kui stseen liigub kiiresti ja valgustugevus on piiratud. Joonskaneerimine on tundlikkuse osas astme võrra madalam, samas kui pindalaskaneerimine sobib paremini lihtsate või statsionaarsete seadistuste jaoks.
Õige TDI-kaamera valimine
TDI-kaamera valimisel arvestage järgmisega:
● TDI etappide arv: Rohkem etappe suurendab signaali-müra suhet (SNR), aga ka kulusid ja keerukust.
● Anduri tüüp: sCMOS on eelistatud kiiruse ja madala mürataseme tõttu; CCD võib siiski sobida mõnele vanemale süsteemile.
● Liides: Tagage ühilduvus teie süsteemiga – Camera Link, CoaXPress ja 10GigE on levinud valikud, uute trendidena on esile kerkinud 100G CoF ja 40G CoF.
● Spektraalne tundlikkus: Valige vastavalt rakenduse vajadustele monokroomse, värvilise või lähiinfrapuna (NIR) vahel.
● Sünkroonimisvalikud: Liikumise paremaks joondamiseks otsige selliseid funktsioone nagu kodeerija sisendid või välise päästiku tugi.
Kui teie rakendus hõlmab tundlikke bioloogilisi proove, kiiret kontrolli või hämaras keskkonda, on sCMOS TDI tõenäoliselt õige valik.
Kokkuvõte
TDI-kaamerad esindavad pilditehnoloogia võimast arengut, eriti sCMOS-anduritel põhinevate kaamerate puhul. Liikumise sünkroniseerimise ja mitmerealise integratsiooni kombineerimise abil pakuvad need dünaamiliste ja hämaras stseenide jäädvustamiseks võrratut tundlikkust ja selgust.
Olenemata sellest, kas kontrollite vahvleid, skaneerite slaide või teostate kiireid kontrolle, aitab TDI toimimise mõistmine teil valida parima lahenduse.teaduskaameradteie pildistamisprobleemide jaoks.
KKK
Kas TDI-kaamerad saavad töötada ala skaneerimise režiimis?
TDI-kaamerad suudavad luua (väga õhukesi) kahemõõtmelisi pilte „ala skaneerimise sarnases“ režiimis, mis saavutatakse anduri ajastuse triki abil. See võib olla abiks selliste ülesannete puhul nagu teravustamine ja joondamine.
„Pindala skaneerimisega särituse“ alustamiseks „puhastatakse“ esmalt andur, liigutades TDI-d vähemalt sama palju samme, kui kaameral on astmeid, nii kiiresti kui võimalik, ja seejärel peatades selle. See saavutatakse kas tarkvaralise juhtimise või riistvaralise käivitamise abil ja ideaaljuhul tehakse seda pimedas. Näiteks peaks 256-astmeline kaamera lugema vähemalt 256 rida ja seejärel peatuma. Need 256 andmerida visatakse ära.
Kuigi kaamerat ei käivitata ega jooni ei loeta, käitub andur täpselt nagu pilti säritav pindalaandur.
Seejärel peaks soovitud säriaeg mööduma kaamera jõudeolekus, enne kui kaamerat uuesti vähemalt soovitud arvu asteid edasi liigutatakse, lugedes ette äsja saadud pildi iga rea. Ideaalis peaks see „väljalugemise“ etapp taas toimuma pimedas.
Seda tehnikat saab korrata, et saada TDI-toimingust tulenev minimaalne moonutus ja hägusus reaalajas eelvaate või skaneeritud alapiltide jada abil.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Kõik õigused kaitstud. Tsiteerides palun viidata allikale:www.tucsen.com
