2008/08/25Industria eta zientzia irudigintzan, argi gutxiko baldintzetan objektu azkar mugitzen direnak harrapatzea erronka etengabea da. Horixe da Denbora Atzerapen Integrazioko (TDI) kamerak sartzen diren tokia. TDI teknologiak mugimenduaren sinkronizazioa eta esposizio anitzak konbinatzen ditu sentikortasun eta irudiaren argitasun apartekoa emateko, batez ere abiadura handiko inguruneetan.
Zer da TDI kamera bat?
TDI kamera objektu mugikorren irudiak hartzen dituen lerro-eskaneatze kamera espezializatu bat da. Fotograma oso bat aldi berean erakusten duten eremu-eskaneatze kamera estandarrek ez bezala, TDI kamerek karga pixel ilara batetik hurrengora aldatzen dute objektuaren mugimenduarekin sinkronizatuta. Pixel ilara bakoitzak argia metatzen du subjektua mugitzen den heinean, esposizio denbora handituz eta seinalearen indarra hobetuz mugimendu lausoa sortu gabe.
Karga-integrazio honek seinale-zarata erlazioa (SNR) izugarri handitzen du, eta horrek TDI kamerak aproposak bihurtzen ditu abiadura handiko edo argi gutxiko aplikazioetarako.
Nola funtzionatzen du TDI kamera batek?
TDI kamera baten funtzionamendua 1. irudian ilustratuta dago.
1. irudia: Denbora-atzerapenaren integrazio (TDI) sentsoreen funtzionamendua
OHARRA: TDI kamerek eskuratutako kargak hainbat "etapa" zehar mugitzen dituzte, irudi-subjektu mugikor batekin sinkronizatuta. Etapa bakoitzak argiaren eraginpean egoteko aukera gehigarri bat eskaintzen du. Kamera batean zehar mugitzen den "T" distiratsu baten bidez ilustratuta, TDI sentsore baten 5 zutabe x 5 etapako segmentu batekin. Tucsen Dhyana 9KTDI CCD estiloko karga-mugimendu hibridoarekin baina CMOS estiloko irakurketa paraleloarekin.
TDI kamerak lerro-eskaneatze kamerak dira, baina bereizketa garrantzitsu batekin: kamerak irudi-subjektu batean zehar eskaneatzen diren heinean pixel-lerro batek datuak eskuratzearen ordez, TDI kamerek hainbat errenkada dituzte, 'etapa' izenekoak, normalean 256ra arte.
Hala ere, errenkada hauek ez dute bi dimentsioko irudirik osatzen, eremu-eskaneatze kamera batek bezala. Horren ordez, eskaneatutako irudi-subjektua kamera-sentsorearen gainetik mugitzen den heinean, pixel bakoitzeko fotoelektroiak hurrengo errenkada batera mugitzen dira, irudi-subjektuaren mugimenduarekin sinkronizatuta, oraindik irakurri gabe. Errenkada gehigarri bakoitzak aukera gehigarri bat eskaintzen du irudi-subjektua argiaren eraginpean jartzeko. Irudi-xerra sentsorearen pixelen azken errenkara iristen denean bakarrik pasatzen da errenkada hori irakurketa-arkitekturara neurketa egiteko.
Beraz, kameraren etapetan hainbat neurketa egin arren, kameraren irakurketa-zarata bakarra sartzen da. 256 etapako TDI kamera batek lagina 256 aldiz gehiagoz mantentzen du ikusgai, eta, beraz, 256 aldiz esposizio-denbora luzeagoa du lerro-eskaneatze kamera baliokide batek baino. Eremu-eskaneatze kamera batekin esposizio-denbora baliokide batek mugimendu-lausotasun handia sortuko luke, irudia alferrikakoa bihurtuz.
Noiz erabil daiteke TDI?
TDI kamerak irtenbide bikaina dira subjektua kamerarekiko mugimenduan dagoen edozein irudi-aplikaziotarako, baldin eta mugimendu hori kameraren ikuspuntu osoan uniformea bada.
TDI irudien aplikazioen artean, beraz, alde batetik, lerro-eskaneatzearen aplikazio guztiak daude, non 2 dimentsioko irudiak sortzen diren, abiadura handiagoak, argi gutxiko sentikortasun askoz hobetua, irudi-kalitate hobea edo hirurak aldi berean ekarriz. Bestetik, eremu-eskaneatze kamerak erabiltzen dituzten irudi-teknika asko daude, non TDI kamerak erabil daitezkeen.
Sentikortasun handiko sCMOS TDIrako, fluoreszentzia-mikroskopia biologikoan 'teila eta puntada' irudigintza egin daiteke teilaketaren ordez plataformaren eskaneaketa jarraitua erabiliz. Edo TDI guztia ikuskapen-aplikazioetarako egokia izan daiteke. TDIren beste aplikazio garrantzitsu bat irudi-fluxu-zitometria da, non zelulen fluoreszentzia-irudiak lortzen diren kamera batetik igarotzean, mikrofluido-kanal batetik igarotzen diren bitartean.
sCMOS TDIren alde onak eta txarrak
Alde onak
● Irudi baten gainean eskaneatzen denean, nahi den tamainako 2 dimentsioko irudiak abiadura handian atera ditzake.
● TDI etapa anitzek, zarata txikiak eta QE altuak eskaneatze-lerroko kamerek baino sentikortasun askoz handiagoa ekar dezakete.
● Irakurketa-abiadura oso handiak lor daitezke, adibidez, 510.000Hz-raino (lerro segundoko), 9.072 pixeleko zabalerako irudi baterako.
●Argiztapena dimentsio bakarrekoa izan behar da eta ez du eremu lauko edo bestelako zuzenketarik behar bigarren dimentsioan (eskaneatutakoan). Gainera, lerro-eskaneatzearekin alderatuta esposizio-denbora luzeagoek korronte alternoko argi-iturrien ondoriozko keinua "leundu" dezakete.
● Mugitzen ari diren irudiak lausotasunik gabe eta abiadura eta sentikortasun handiz lor daitezke.
●Eremu handiak eskaneatzea askoz azkarragoa izan daiteke eremu-eskaneatzeko kamerak baino.
● Software aurreratuarekin edo abiarazte-konfigurazioekin, 'eremu-eskaneatze antzeko' modu batek eremu-eskaneatze ikuspegi orokorra eman dezake fokua eta lerrokatzea bermatzeko.
Alde txarrak
● Ohiko sCMOS kamerekin alderatuta zarata handiagoa izaten jarraitzen du, eta horrek esan nahi du argitasun ultra-baxuko aplikazioak ez direla eskuragarri.
● Irudi-subjektuaren mugimendua kameraren eskaneatzearekin sinkronizatzeko abiarazle aurreratuak dituzten konfigurazio espezializatuak behar ditu, mugimendu-abiaduraren kontrol oso zehatza edo sinkronizazioa ahalbidetzeko abiaduraren iragarpen zehatza.
● Teknologia berria denez, hardware eta software inplementaziorako irtenbide gutxi daude gaur egun.
Argi gutxiko erabilerarako gai den sCMOS TDI
Irudi-teknika gisa TDI irudi digitala baino lehenagokoa den arren, eta aspaldi gainditu zuen lerro-eskaneatzea errendimenduari dagokionez, azken urteotan bakarrik lortu dute TDI kamerek argi gutxiko aplikazioetara iristeko behar den sentikortasuna, normalean maila zientifikoko sentsibilitatea beharko luketen aplikazioetara iristeko.sCMOS kamerak.
'sCMOS TDI'-k sentsorearen zehar CCD estiloko karga mugimendua sCMOS estiloko irakurketarekin konbinatzen du, atzetik argiztatutako sentsoreekin eskuragarri. Aurreko CCD oinarritutako edo CMOS oinarritutako* TDI kamerek irakurketa askoz motelagoa zuten, pixel kopuru txikiagoa, etapa gutxiago eta 30e- eta >100e- arteko irakurketa zarata. Aldiz, sCMOS TDI-k, hala nola Tucsen-ek...Dhyana 9KTDI sCMOS kamera7,2e--ko irakurketa-zarata eskaintzen du, atzeko argiztapenaren bidezko eraginkortasun kuantiko handiagoarekin konbinatuta, TDI lehen baino argi-maila baxuagoko aplikazioetan erabiltzea ahalbidetuz.
Aplikazio askotan, TDI prozesuak ahalbidetzen dituen esposizio-denbora luzeagoek irakurketa-zarataren igoera konpentsatu dezakete, 1e--tik gertuko irakurketa-zarata duten kalitate handiko sCMOS area-eskaneatze kamerekin alderatuta.
TDI kameren aplikazio ohikoenak
TDI kamerak zehaztasuna eta abiadura berdin garrantzitsuak diren industria askotan aurkitzen dira:
● Erdieroaleen obleen ikuskapena
● Pantaila lauen (FPD) probak
● Web ikuskapena (papera, filma, aluminiozko papera, ehunak)
● X izpien eskaneatzea diagnostiko medikoetan edo ekipajeen azterketan
● Diapositiba eta putzu anitzeko plaken eskaneatzea patologia digitalean
● Irudi hiperespektralak urruneko detekzioan edo nekazaritzan
● PCB eta elektronikaren ikuskapena SMT lineetan
Aplikazio hauek TDI irudiek benetako munduko mugapenen pean eskaintzen duten kontraste, abiadura eta argitasun hobetuaren onura dute.
Adibidea: Diapositiba eta putzu anitzeko plaken eskaneatzea
Aipatu bezala, sCMOS TDI kameretarako aplikazio itxaropentsuenetako bat jostura aplikazioak dira, diapositiba edo putzu anitzeko plaken eskaneatzea barne. Mikroskopia fluoreszente edo eremu argiko lagin handiak 2 dimentsioko eremuko kamerekin eskaneatzeko, XY mikroskopio-plataforma baten mugimendu anitzek osatutako irudi-sare bat josi behar da. Irudi bakoitzak platforma gelditu, finkatu eta gero berrabiarazi behar du, obturadore birakariaren atzerapenarekin batera. TDI-k, berriz, irudiak eskura ditzake platforma mugimenduan dagoen bitartean. Ondoren, irudia "zerrenda" luze kopuru txiki batetik osatzen da, bakoitzak laginaren zabalera osoa hartzen duena. Horrek eskuratze-abiadura eta datu-transmisioa askoz handiagoak ekar ditzake jostura-aplikazio guztietan, irudi-baldintzen arabera.
Eszenatokia mugitzeko abiadura alderantziz proportzionala da TDI kameraren esposizio-denbora osoarekiko, beraz, esposizio-denbora laburrek (1-20 ms) eskaintzen dute irudi-abiaduran hobekuntza handiena eremu-eskaneatze kamerekin alderatuta, eta horrek magnitude-ordena bat edo gehiagoko murrizketa ekar dezake eskuratze-denbora osoarentzat. Esposizio-denbora luzeagoetarako (adibidez, > 100 ms), eremu-eskaneatzeak normalean denbora-abantaila mantentzen du.
Hamar segundotan sortutako fluoreszentzia mikroskopia irudi oso handi baten (2 Gigapixel) adibide bat 2. irudian ageri da. Eremu-eskaneatze kamera batekin sortutako irudi baliokide batek hainbat minutu behar izatea espero daiteke.
2. irudia: TDI eskaneatu eta josi bidez 10 segundotan sortutako 2 gigapixeleko irudia
OHARRA: Tucsen Dhyana 9kTDI erabiliz lortutako 10x handitze-irudia, fluoreszentzia-mikroskopioarekin ikusitako nabarmentzeko boligrafoaren puntuen irudia. 10 segundotan eskuratua, 3,6 ms-ko esposizio-denbora erabiliz. Irudiaren neurriak: 30 mm x 17 mm, 58.000 x 34.160 pixel.
TDI sinkronizatzen
TDI kamera baten irudia hartzen ari den subjektuarekin sinkronizatzea (ehuneko gutxi batzuetaraino) ezinbestekoa da – abiaduraren desadostasunak 'mugimendu lausoa' efektua sortuko du. Sinkronizazio hau bi modutan egin daiteke:
AurreikusgarriaKameraren abiadura mugimendu-abiadurarekin bat etortzeko ezartzen da, laginaren mugimendu-abiaduraren, optikaren (handitzearen) eta kameraren pixelen tamainaren ezagutzan oinarrituta. Edo proba eta errore bidez.
AbiarazitaMikroskopio-plataforma, zubi-portale eta irudi-subjektuak mugitzeko beste ekipamendu askok kodetzaileak izan ditzakete, mugimendu-distantzia jakin baterako kamerari abiarazle-pultsu bat bidaltzen diotenak. Horri esker, platforma/zubi-portalea eta kamera sinkronizatuta egon daitezke mugimendu-abiadura edozein dela ere.
TDI kamerak vs. lerro eskaneatze eta eremu eskaneatze kamerak
Hona hemen TDI beste irudi-teknologia ezagun batzuekin alderatzen den modua:
| Ezaugarria | TDI kamera | Lerro-eskaneatzeko kamera | Eremu-eskaneatzeko kamera |
| Sentikortasuna | Oso altua | Ertaina | Baxua edo Ertaina |
| Irudiaren kalitatea (mugimendua) | Bikaina | Ona | Abiadura handietan lausotuta |
| Argiztapen-eskakizunak | Baxua | Ertaina | Altua |
| Mugimenduaren bateragarritasuna | Bikaina (sinkronizatuta badago) | Ona | Pobrea |
| Onena honetarako | Abiadura handia, argi gutxikoa | Abiadura handiko objektuak | Eszena estatikoak edo motelak |
TDI da aukera argiena eszena azkar mugitzen denean eta argi mailak mugatuak direnean. Lerro eskaneatzea sentikortasun maila txikiagoa da, eta eremu eskaneatzea, berriz, konfigurazio sinple edo finkoetarako hobea da.
TDI kamera egokia aukeratzea
TDI kamera bat aukeratzerakoan, kontuan hartu honako hauek:
● TDI etapa kopurua: Etapa gehiagok SNR handitzen dute, baina baita kostua eta konplexutasuna ere.
● Sentsore mota: sCMOS nahiago da abiadura eta zarata txikia direla eta; CCD oraindik ere egokia izan daiteke sistema zahar batzuetarako.
● Interfazea: Ziurtatu zure sistemarekin bateragarritasuna dela: Camera Link, CoaXPress eta 10GigE aukera ohikoak dira, 100G CoF eta 40G CoF joera berri gisa agertu dira.
● Espektro-erantzun: Aukeratu monokromoa, koloretakoa edo infragorri hurbila (NIR) aplikazioaren beharren arabera.
● Sinkronizazio aukerak: Bilatu kodetzaile sarrerak edo kanpoko abiarazleen laguntza bezalako funtzioak mugimenduaren lerrokatze hobea lortzeko.
Zure aplikazioak lagin biologiko delikatuak, abiadura handiko ikuskapena edo argi gutxiko inguruneak baditu, sCMOS TDI da ziurrenik egokiena.
Ondorioa
TDI kamerek irudi-teknologian bilakaera indartsua adierazten dute, batez ere sCMOS sentsoreetan eraikita daudenean. Mugimenduaren sinkronizazioa lerro anitzeko integrazioarekin konbinatuz, sentikortasun eta argitasun paregabea eskaintzen dute eszena dinamiko eta argi gutxikoetarako.
Obleak ikuskatzen, diapositibak eskaneatzen edo abiadura handiko ikuskapenak egiten ari zaren ala ez, TDIk nola funtzionatzen duen ulertzeak irtenbide onena aukeratzen lagun zaitzake.kamera zientifikoakzure irudi-erronketarako.
Maiz egiten diren galderak
TDI kamerak eremu-eskaneatze moduan funtziona dezakete?
TDI kamerek bi dimentsioko irudi (oso meheak) sor ditzakete 'eremu-eskaneatze' moduan, sentsoreen denboraren trikimailu baten bidez lortuta. Hori lagungarria izan daiteke fokatzea eta lerrokatzea bezalako zereginetarako.
'Eremu-eskaneatze esposizio' bat hasteko, sentsorea lehenik 'garbitu' egiten da TDI kamerak etapa adina urrats aurreratuz, ahalik eta azkarren, eta gero geldituz. Hori softwarearen kontrolaren edo hardwarearen bidezko abiaraztearen bidez lortzen da, eta idealena iluntasunean egitea da. Adibidez, 256 etapako kamera batek gutxienez 256 lerro irakurri beharko lituzke, eta gero gelditu. 256 datu-lerro hauek baztertzen dira.
Kamera aktibatzen ez den edo lerroak irakurtzen ez den bitartean, sentsoreak eremu-eskaneatze sentsore baten antzera jokatzen du irudi bat erakusten.
Nahi den esposizio-denbora kamera geldirik dagoela igaro beharko litzateke, kamera berriro ere gutxienez bere etapa kopuruan aurreratu aurretik, lortu berri den irudiaren lerro bakoitza irakurriz. Berriz ere, idealena da 'irakurketa' fase hau iluntasunean gertatzea.
Teknika hau errepikatu daiteke "aurreikuspen zuzena" edo eremu-eskaneatzeko irudien sekuentzia bat emateko, TDI eragiketak eragindako distortsio eta lausotze minimoarekin.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Eskubide guztiak erreserbatuta. Aipatzen duzunean, aipatu iturria:www.tucsen.com
