۲۲/۰۷/۱۳ادغام تأخیر زمانی (TDI) یک تکنیک تصویربرداری است که قدمت آن به تصویربرداری دیجیتال برمی‌گردد - اما هنوز هم مزایای فوق‌العاده‌ای را در لبه‌ی تیز تصویربرداری امروزی ارائه می‌دهد. دو موقعیت وجود دارد که دوربین‌های TDI می‌توانند در آن بدرخشند - هر دو زمانی که سوژه تصویربرداری در حال حرکت است:
۱- سوژه تصویربرداری ذاتاً با سرعت ثابت در حرکت است، همانطور که در بازرسی وب (مانند اسکن صفحات متحرک کاغذ، پلاستیک یا پارچه برای یافتن نقص و آسیب)، خطوط مونتاژ یا میکروفلوئیدیک و جریان سیالات انجام می‌شود.
۲- موضوعات تصویربرداری ایستا که می‌توانند توسط دوربینی که از منطقه‌ای به منطقه دیگر منتقل می‌شود، با حرکت دادن موضوع یا دوربین، تصویربرداری شوند. مثال‌هایی از این موارد شامل اسکن اسلاید میکروسکوپ، بازرسی مواد، بازرسی پنل تخت و غیره است.
اگر هر یک از این شرایط می‌تواند در تصویربرداری شما صدق کند، این صفحه وب به شما کمک می‌کند تا بررسی کنید که آیا تغییر از دوربین‌های «اسکن منطقه‌ای» دوبعدی مرسوم به دوربین‌های «اسکن خطی TDI» می‌تواند تصویربرداری شما را بهبود بخشد یا خیر.
مشکل اسکن منطقه‌ای و اهداف متحرک
● تاری حرکت
برخی از سوژه‌های تصویربرداری، به عنوان مثال در جریان سیال یا بازرسی وب، لزوماً در حال حرکت هستند. در سایر کاربردها، مانند اسکن اسلاید و بازرسی مواد، نگه داشتن سوژه در حال حرکت می‌تواند به طور قابل توجهی سریع‌تر و کارآمدتر از متوقف کردن حرکت برای هر تصویر به دست آمده باشد. با این حال، برای دوربین‌های اسکن منطقه‌ای، اگر سوژه تصویربرداری نسبت به دوربین در حال حرکت باشد، این می‌تواند یک چالش باشد.
تاری حرکتی، تصویر یک وسیله نقلیه در حال حرکت را تحریف می‌کند
در موقعیت‌هایی با نور محدود یا جایی که کیفیت تصویر بالا مورد نیاز است، ممکن است زمان نوردهی طولانی دوربین مطلوب باشد. با این حال، حرکت سوژه، نور خود را در طول نوردهی روی چندین پیکسل دوربین پخش می‌کند و منجر به «تاری حرکت» می‌شود. این مشکل را می‌توان با کوتاه نگه داشتن نوردهی‌ها - کمتر از زمانی که طول می‌کشد تا یک نقطه از سوژه از یک پیکسل دوربین عبور کند - به حداقل رساند. اینunمعمولاً به قیمت تصاویر تاریک، نویزدار و اغلب غیرقابل استفاده.
●دوخت
علاوه بر این، تصویربرداری از سوژه‌های بزرگ یا پیوسته با دوربین‌های اسکن منطقه‌ای معمولاً نیازمند اخذ چندین تصویر است که سپس به هم دوخته می‌شوند. این دوخت مستلزم همپوشانی پیکسل‌ها بین تصاویر همسایه است که باعث کاهش کارایی و افزایش نیازهای ذخیره‌سازی و پردازش داده‌ها می‌شود.
●روشنایی ناهموار
علاوه بر این، روشنایی به ندرت برای جلوگیری از مشکلات و مصنوعات در مرزهای بین تصاویر دوخته شده کافی خواهد بود. همچنین، برای تأمین روشنایی با شدت کافی در یک منطقه به اندازه کافی بزرگ برای دوربین اسکن منطقه‌ای، اغلب نیاز به استفاده از منابع نوری DC پرقدرت و پرهزینه است.
روشنایی ناهموار در به هم چسباندن تصاویر چندتصویری از مغز موش. تصویر از واتسون و همکاران، ۲۰۱۷: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
دوربین TDI چیست و چگونه به ما کمک می‌کند؟
در دوربین‌های اسکن ناحیه‌ای دوبعدی مرسوم، سه مرحله برای دریافت تصویر وجود دارد: تنظیم مجدد پیکسل، نوردهی و بازخوانی. در طول نوردهی، فوتون‌های صحنه شناسایی می‌شوند و در نتیجه فوتوالکترون‌ها تولید می‌شوند که تا پایان نوردهی در پیکسل‌های دوربین ذخیره می‌شوند. سپس مقادیر هر پیکسل خوانده می‌شوند و یک تصویر دوبعدی تشکیل می‌شود. سپس پیکسل‌ها بازنشانی می‌شوند و تمام بارها برای شروع نوردهی بعدی پاک می‌شوند.
با این حال، همانطور که گفته شد، اگر سوژه تصویربرداری نسبت به دوربین در حال حرکت باشد، نور سوژه می‌تواند در طول این نوردهی روی چندین پیکسل پخش شود و منجر به تاری حرکتی شود. دوربین‌های TDI با استفاده از یک تکنیک نوآورانه بر این محدودیت غلبه می‌کنند. این موضوع در [انیمیشن ۱] نشان داده شده است.
●نحوه کار دوربین‌های TDI
دوربین‌های TDI اساساً به شیوه‌ای متفاوت از دوربین‌های اسکن منطقه‌ای عمل می‌کنند. با حرکت سوژه تصویربرداری در طول نوردهی، بارهای الکترونیکی تشکیل‌دهنده تصویر نیز جابجا می‌شوند و همگام می‌مانند. در طول نوردهی، دوربین‌های TDI قادرند تمام بارهای دریافتی را از یک ردیف پیکسل به ردیف بعدی، در امتداد دوربین، هماهنگ با حرکت سوژه تصویربرداری، جابجا کنند. با حرکت سوژه در عرض دوربین، هر ردیف (که به عنوان «مرحله TDI» شناخته می‌شود)، فرصت تازه‌ای برای نوردهی دوربین به سوژه و جمع‌آوری سیگنال فراهم می‌کند.
تنها زمانی که یک ردیف از بارهای الکتریکی به انتهای دوربین می‌رسد، مقادیر خوانده شده و به عنوان یک برش تک بعدی از تصویر ذخیره می‌شوند. تصویر دو بعدی با چسباندن هر برش متوالی از تصویر هنگام خواندن آنها توسط دوربین تشکیل می‌شود. هر ردیف از پیکسل‌ها در تصویر حاصل، همان «برش» از سوژه تصویربرداری را ردیابی و تصویر می‌کنند، به این معنی که با وجود حرکت، هیچ تاری وجود ندارد.
●نوردهی طولانی‌تر ۲۵۶ برابر
در دوربین‌های TDI، زمان نوردهی مؤثر تصویر برابر با کل زمانی است که طول می‌کشد تا یک نقطه روی سوژه از هر ردیف پیکسل عبور کند، و در برخی از دوربین‌های TDI تا ۲۵۶ مرحله در دسترس است. این بدان معناست که زمان نوردهی موجود عملاً ۲۵۶ برابر بیشتر از زمانی است که یک دوربین اسکن منطقه‌ای می‌تواند به آن دست یابد.
این می‌تواند دو بهبود یا ترکیبی از هر دو را به همراه داشته باشد. اولاً، می‌توان به افزایش قابل توجهی در سرعت تصویربرداری دست یافت. در مقایسه با دوربین اسکن منطقه‌ای، سوژه تصویربرداری می‌تواند تا ۲۵۶ برابر سریع‌تر حرکت کند و در عین حال همان میزان سیگنال را دریافت کند، مشروط بر اینکه نرخ خط دوربین به اندازه کافی سریع باشد تا با آن همگام شود.
از سوی دیگر، اگر حساسیت بیشتری مورد نیاز باشد، زمان نوردهی طولانی‌تر می‌تواند تصاویر با کیفیت بسیار بالاتر، شدت روشنایی کمتر یا هر دو را ممکن سازد.
●توان عملیاتی بالای داده‌ها بدون نیاز به بخیه زدن
از آنجایی که دوربین TDI یک تصویر دو بعدی از برش‌های متوالی یک بعدی تولید می‌کند، تصویر حاصل می‌تواند به اندازه مورد نیاز بزرگ باشد. در حالی که تعداد پیکسل‌ها در جهت «افقی» توسط عرض دوربین تعیین می‌شود، به عنوان مثال ۹۰۷۲ پیکسل، اندازه «عمودی» تصویر نامحدود است و به سادگی با مدت زمان کارکرد دوربین تعیین می‌شود. با نرخ خط تا ۵۱۰ کیلوهرتز، این می‌تواند توان عملیاتی عظیمی از داده‌ها را ارائه دهد.
در کنار این، دوربین‌های TDI می‌توانند میدان دید بسیار وسیعی ارائه دهند. به عنوان مثال، یک دوربین ۹۰۷۲ پیکسلی با پیکسل‌های ۵ میکرومتری، میدان دید افقی ۴۵ میلی‌متری با وضوح بالا ارائه می‌دهد. برای دستیابی به همین عرض تصویربرداری با یک دوربین اسکن ناحیه پیکسلی ۵ میکرومتری، به حداکثر سه دوربین ۴K در کنار هم نیاز است.
●پیشرفت‌های دوربین‌های اسکن خطی
دوربین‌های TDI نه تنها نسبت به دوربین‌های اسکن منطقه‌ای بهبودهایی ارائه می‌دهند، بلکه دوربین‌های اسکن خطی که فقط یک خط از پیکسل‌ها را ثبت می‌کنند، از بسیاری از مشکلات مشابه دوربین‌های اسکن منطقه‌ای در مورد شدت روشنایی و نوردهی کوتاه رنج می‌برند.
اگرچه مانند دوربین‌های TDI، دوربین‌های اسکن خطی با تنظیمات ساده‌تر، روشنایی یکنواخت‌تری ارائه می‌دهند و از نیاز به چسباندن تصویر به هم جلوگیری می‌کنند، اما اغلب برای ثبت سیگنال کافی برای یک تصویر با کیفیت بالا، به روشنایی بسیار شدید و/یا حرکت آهسته سوژه نیاز دارند. نوردهی طولانی‌تر و سرعت بیشتر سوژه که دوربین‌های TDI فراهم می‌کنند، به معنای استفاده از روشنایی با شدت کمتر و هزینه کمتر در عین بهبود کارایی تصویربرداری است. به عنوان مثال، یک خط تولید ممکن است بتواند از چراغ‌های هالوژن پرهزینه و پرمصرف که به برق DC نیاز دارند، به روشنایی LED روی آورد.
دوربین‌های TDI چگونه کار می‌کنند؟
سه استاندارد رایج برای چگونگی دستیابی به تصویربرداری TDI روی حسگر دوربین وجود دارد.
● سنسور دما و رطوبتدوربین‌های CCD قدیمی‌ترین نوع دوربین‌های دیجیتال هستند. به دلیل طراحی الکترونیکی آنها، دستیابی به رفتار TDI در CCD نسبتاً بسیار ساده است و بسیاری از حسگرهای دوربین ذاتاً قادر به عملکرد به این روش هستند. بنابراین، CCDهای TDI دهه‌هاست که مورد استفاده قرار می‌گیرند.
با این حال، فناوری CCD محدودیت‌های خود را دارد. کوچکترین اندازه پیکسل که معمولاً برای دوربین‌های CCD TDI در دسترس است، حدود ۱۲ میکرومتر در ۱۲ میکرومتر است - این، همراه با تعداد کم پیکسل‌ها، توانایی دوربین‌ها را در تفکیک جزئیات دقیق محدود می‌کند. علاوه بر این، سرعت تصویربرداری در آن کمتر از سایر فناوری‌ها است، در حالی که نویز خوانش - یک عامل محدودکننده اصلی در تصویربرداری در نور کم - زیاد است. مصرف برق نیز بالا است که عامل اصلی در برخی کاربردها است. این امر منجر به تمایل به ایجاد دوربین‌های TDI بر اساس معماری CMOS شد.
●CMOS TDI اولیه: جمع‌بندی حوزه ولتاژ و دیجیتال
دوربین‌های CMOS بر بسیاری از محدودیت‌های نویز و سرعت دوربین‌های CCD غلبه می‌کنند، در حالی که از توان کمتری استفاده می‌کنند و اندازه پیکسل‌های کوچک‌تری را ارائه می‌دهند. با این حال، دستیابی به رفتار TDI در دوربین‌های CMOS به دلیل طراحی پیکسلی آنها بسیار دشوارتر بود. در حالی که CCDها به طور فیزیکی فوتوالکترون‌ها را از پیکسلی به پیکسل دیگر منتقل می‌کنند تا حسگر را مدیریت کنند، دوربین‌های CMOS قبل از بازخوانی، سیگنال‌های فوتوالکترون‌ها را به ولتاژ در هر پیکسل تبدیل می‌کنند.
رفتار TDI در یک حسگر CMOS از سال ۲۰۰۱ مورد بررسی قرار گرفته است، با این حال، چالش چگونگی مدیریت «انباشت» سیگنال با حرکت نوردهی از یک ردیف به ردیف بعدی قابل توجه بود. دو روش اولیه برای CMOS TDI که هنوز در دوربین‌های تجاری امروزی استفاده می‌شوند، انباشت دامنه ولتاژ و جمع دیجیتال TDI CMOS هستند. در دوربین‌های انباشت دامنه ولتاژ، با عبور سوژه تصویربرداری از هر ردیف سیگنال، ولتاژ به‌دست‌آمده به‌صورت الکترونیکی به کل سیگنال به‌دست‌آمده برای آن بخش از تصویر اضافه می‌شود. انباشت ولتاژها به این روش، نویز اضافی را برای هر مرحله TDI اضافی که اضافه می‌شود، ایجاد می‌کند و مزایای مراحل اضافی را محدود می‌کند. مشکلات مربوط به خطی بودن نیز استفاده از این دوربین‌ها را برای کاربردهای دقیق به چالش می‌کشد.
روش دوم، جمع دیجیتال TDI است. در این روش، یک دوربین CMOS عملاً در حالت اسکن ناحیه‌ای با نوردهی بسیار کوتاه مطابق با زمان لازم برای حرکت سوژه تصویربرداری در یک ردیف پیکسل کار می‌کند. اما ردیف‌های هر فریم متوالی به صورت دیجیتالی به گونه‌ای با هم جمع می‌شوند که یک اثر TDI ایجاد شود. از آنجایی که کل دوربین باید برای هر ردیف پیکسل در تصویر حاصل خوانده شود، این جمع دیجیتال، نویز خوانده شده را برای هر ردیف نیز اضافه می‌کند و سرعت تصویربرداری را محدود می‌کند.
●استاندارد مدرن: TDI CMOS حوزه شارژ یا CCD-on-CMOS TDI
محدودیت‌های CMOS TDI فوق اخیراً از طریق معرفی CCD-on-CMOS TDI که با نام CCD-on-CMOS TDI نیز شناخته می‌شود، برطرف شده است. عملکرد این حسگرها در [انیمیشن ۱] نشان داده شده است. همانطور که از نامش پیداست، این حسگرها حرکت بارهای مشابه CCD را از یک پیکسل به پیکسل بعدی ارائه می‌دهند و در هر مرحله TDI از طریق افزودن فوتوالکترون‌ها به سطح بارهای منفرد، سیگنال را جمع‌آوری می‌کنند. این امر عملاً بدون نویز است. با این حال، محدودیت‌های CCD TDI از طریق استفاده از معماری خوانش CMOS برطرف می‌شود و سرعت بالا، نویز کم و مصرف انرژی کم را که در دوربین‌های CMOS رایج است، امکان‌پذیر می‌سازد.
مشخصات TDI: چه چیزی مهم است؟
●فناوری:مهم‌ترین عامل، فناوری حسگر مورد استفاده است، همانطور که در بالا بحث شد. CMOS TDI با دامنه شارژ بهترین عملکرد را ارائه می‌دهد.
●مراحل TDI:این تعداد ردیف‌های حسگر است که سیگنال می‌تواند روی آنها جمع شود. هرچه مراحل TDI یک دوربین بیشتر باشد، زمان نوردهی مؤثر آن می‌تواند طولانی‌تر باشد. یا، سوژه تصویربرداری می‌تواند سریع‌تر حرکت کند، مشروط بر اینکه دوربین نرخ خط کافی داشته باشد.
●نرخ خط:دوربین در هر ثانیه چند سطر را می‌تواند بخواند. این حداکثر سرعت حرکتی را که دوربین می‌تواند با آن همگام شود، تعیین می‌کند.
●راندمان کوانتومی: این نشان دهنده حساسیت دوربین به نور در طول موج‌های مختلف است که با احتمال شناسایی یک فوتون فرودی و تولید یک فوتوالکترون مشخص می‌شود. راندمان کوانتومی بالاتر می‌تواند قدرت روشنایی کمتری یا عملکرد سریع‌تر را در عین حفظ همان سطح سیگنال ارائه دهد.
علاوه بر این، دوربین‌ها از نظر محدوده طول موجی که در آن می‌توان به حساسیت خوبی دست یافت، متفاوت هستند، به طوری که برخی از دوربین‌ها حساسیت را تا انتهای طیف فرابنفش (UV)، در طول موج حدود ۲۰۰ نانومتر، ارائه می‌دهند.
●نویز خواندن:نویز خوانش (Read noise) عامل مهم دیگری در حساسیت دوربین است که حداقل سیگنالی را که می‌تواند بالاتر از سطح نویز دوربین تشخیص داده شود، تعیین می‌کند. با نویز خوانش بالا، ویژگی‌های تاریک قابل تشخیص نیستند و محدوده دینامیکی به شدت کاهش می‌یابد، به این معنی که باید از نور روشن‌تر یا زمان نوردهی طولانی‌تر و سرعت حرکت کمتر استفاده شود.
مشخصات TDI: چه چیزی مهم است؟
در حال حاضر، دوربین‌های TDI برای بازرسی وب، بازرسی قطعات الکترونیکی و تولیدی و سایر کاربردهای بینایی ماشین استفاده می‌شوند. در کنار این، کاربردهای چالش‌برانگیز در نور کم مانند تصویربرداری فلورسانس و اسکن اسلاید نیز وجود دارد.
با این حال، با معرفی دوربین‌های TDI CMOS با سرعت بالا، نویز کم و حساسیت بالا، پتانسیل زیادی برای افزایش سرعت و کارایی در کاربردهای جدیدی که قبلاً فقط از دوربین‌های اسکن منطقه‌ای استفاده می‌کردند، وجود دارد. همانطور که در ابتدای مقاله معرفی کردیم، دوربین‌های TDI ممکن است بهترین انتخاب برای دستیابی به سرعت‌های بالا و کیفیت تصویر بالا برای تصویربرداری از سوژه‌های در حال حرکت مداوم یا مواردی باشند که دوربین می‌تواند در میان سوژه‌های تصویربرداری ثابت اسکن شود.
برای مثال، در یک کاربرد میکروسکوپی، می‌توانیم سرعت نظری تصویربرداری یک دوربین TDI با 9 هزار پیکسل و 256 مرحله تصویربرداری با پیکسل‌های 5 میکرومتر را با یک دوربین اسکن ناحیه‌ای با دوربین 12 مگاپیکسلی و پیکسل‌های 5 میکرومتر مقایسه کنیم. بیایید تصویربرداری از یک ناحیه 10 در 10 میلی‌متر با بزرگنمایی 20 برابر را از طریق حرکت دادن مرحله تصویربرداری بررسی کنیم.
۱. استفاده از یک عدسی شیئی ۲۰x با دوربین اسکن منطقه‌ای، میدان دید تصویربرداری ۱.۰۲ در ۰.۷۷ میلی‌متر را ارائه می‌دهد.
۲. با دوربین TDI، می‌توان از یک عدسی شیئی ۱۰x با بزرگنمایی اضافی ۲x برای غلبه بر هرگونه محدودیت در میدان دید میکروسکوپ استفاده کرد و میدان دید تصویربرداری افقی ۲.۳ میلی‌متری را ارائه داد.
۳. با فرض ۲٪ همپوشانی پیکسلی بین تصاویر برای اهداف دوخت، ۰.۵ ثانیه برای حرکت صحنه به یک مکان تعیین‌شده و زمان نوردهی ۱۰ میلی‌ثانیه، می‌توانیم زمانی را که دوربین اسکن منطقه‌ای صرف می‌کند محاسبه کنیم. به طور مشابه، می‌توانیم زمانی را که دوربین TDI صرف می‌کند محاسبه کنیم اگر صحنه در حرکت ثابت برای اسکن در جهت Y نگه داشته شود، با همان زمان نوردهی در هر خط.
۴. در این حالت، دوربین اسکن منطقه‌ای به ۱۴۰ تصویر نیاز دارد که ۶۳ ثانیه صرف جابجایی صحنه می‌شود. دوربین TDI فقط ۵ تصویر طولانی می‌گیرد و تنها ۲ ثانیه صرف جابجایی صحنه به ستون بعدی می‌شود.
۵. کل زمان صرف شده برای بدست آوردن مساحت ۱۰ در ۱۰ میلی‌متر برابر خواهد بود با:۶۴.۴ ثانیه برای دوربین اسکن منطقه‌ای،و فقط۹.۹ ثانیه برای دوربین TDI.
اگر مایلید ببینید که آیا یک دوربین TDI می‌تواند با کاربرد شما مطابقت داشته باشد و نیازهای شما را برآورده کند، همین امروز با ما تماس بگیرید.
