۲۵/۰۸/۰۸در تصویربرداری صنعتی و علمی، ثبت اشیاء با حرکت سریع در شرایط کم‌نور، چالشی همیشگی است. اینجاست که دوربین‌های ادغام تأخیر زمانی (TDI) وارد عمل می‌شوند. فناوری TDI، همگام‌سازی حرکت و نوردهی چندگانه را با هم ترکیب می‌کند تا حساسیت و وضوح تصویر فوق‌العاده‌ای را، به‌ویژه در محیط‌های پرسرعت، ارائه دهد.
دوربین TDI چیست؟
دوربین TDI یک دوربین اسکن خطی تخصصی است که تصاویر اشیاء متحرک را ثبت می‌کند. برخلاف دوربین‌های اسکن منطقه‌ای استاندارد که کل فریم را به طور همزمان نوردهی می‌کنند، دوربین‌های TDI بار الکتریکی را از یک ردیف پیکسل به ردیف بعدی، همزمان با حرکت شیء، تغییر می‌دهند. هر ردیف پیکسل با حرکت سوژه، نور را جمع می‌کند و به طور مؤثر زمان نوردهی را افزایش می‌دهد و قدرت سیگنال را بدون ایجاد تاری حرکت، تقویت می‌کند.
این ادغام شارژ به طور چشمگیری نسبت سیگنال به نویز (SNR) را افزایش می‌دهد و دوربین‌های TDI را برای کاربردهای پرسرعت یا کم نور ایده‌آل می‌کند.
دوربین TDI چگونه کار می‌کند؟
نحوه عملکرد دوربین TDI در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل ۱: عملکرد حسگرهای ادغام تأخیر زمانی (TDI)
توجه: دوربین‌های TDI بارهای اکتسابی را در چندین «مرحله» همزمان با یک سوژه تصویربرداری متحرک حرکت می‌دهند. هر مرحله شانس بیشتری برای قرار گرفتن در معرض نور فراهم می‌کند. تصویر از طریق یک «T» روشن که در عرض یک دوربین حرکت می‌کند، با یک بخش ۵ ستونی در ۵ مرحله‌ای از یک حسگر TDI نشان داده شده است. Tucsen Dhyana 9KTDI با حرکت بار ترکیبی به سبک CCD اما خوانش موازی به سبک CMOS.
دوربین‌های TDI عملاً دوربین‌های اسکن خطی هستند، با یک تمایز مهم: به جای یک ردیف پیکسل که هنگام اسکن دوربین‌ها از روی یک سوژه تصویربرداری، داده‌ها را جمع‌آوری می‌کنند، دوربین‌های TDI دارای چندین ردیف هستند که به عنوان «مرحله» شناخته می‌شوند و معمولاً تا ۲۵۶ عدد می‌رسند.
با این حال، این ردیف‌ها مانند دوربین اسکن منطقه‌ای، یک تصویر دوبعدی تشکیل نمی‌دهند. در عوض، هنگامی که سوژه تصویربرداری اسکن شده در سراسر حسگر دوربین حرکت می‌کند، فوتوالکترون‌های شناسایی شده در هر پیکسل، همگام با حرکت سوژه تصویربرداری، بدون اینکه هنوز خوانده شوند، به ردیف بعدی می‌روند. سپس هر ردیف اضافی، فرصت بیشتری برای قرار دادن سوژه تصویربرداری در معرض نور فراهم می‌کند. تنها زمانی که یک برش تصویر به ردیف آخر پیکسل‌های حسگر می‌رسد، آن ردیف برای اندازه‌گیری به معماری خوانش منتقل می‌شود.
از این رو، با وجود اندازه‌گیری‌های متعدد در مراحل مختلف دوربین، تنها یک نمونه از نویز خوانش دوربین ایجاد می‌شود. یک دوربین TDI با ۲۵۶ مرحله، نمونه را ۲۵۶ برابر بیشتر در معرض دید نگه می‌دارد و از این رو ۲۵۶ برابر زمان نوردهی طولانی‌تری نسبت به دوربین اسکن خطی معادل دارد. زمان نوردهی معادل با یک دوربین اسکن منطقه‌ای، تاری حرکتی شدیدی ایجاد می‌کند و تصویر را بی‌فایده می‌کند.
چه زمانی می‌توان از TDI استفاده کرد؟
دوربین‌های TDI یک راه حل عالی برای هر کاربرد تصویربرداری هستند که در آن سوژه تصویربرداری نسبت به دوربین در حرکت است، به شرطی که حرکت در سراسر نمای دوربین یکنواخت باشد.
بنابراین، کاربردهای تصویربرداری TDI از یک سو شامل تمام کاربردهای اسکن خطی است که در آنها تصاویر دوبعدی تشکیل می‌شوند، در حالی که سرعت بیشتر، حساسیت بسیار بهبود یافته در نور کم، کیفیت تصویر بهتر یا هر سه را به طور همزمان به ارمغان می‌آورند. از سوی دیگر، تکنیک‌های تصویربرداری زیادی وجود دارند که از دوربین‌های اسکن منطقه‌ای استفاده می‌کنند و در آنها می‌توان از دوربین‌های TDI استفاده کرد.
برای sCMOS TDI با حساسیت بالا، تصویربرداری «کاشی و بخیه» در میکروسکوپ فلورسانس بیولوژیکی می‌تواند با استفاده از اسکن بدون توقف مرحله به جای کاشی‌کاری انجام شود. یا تمام TDI می‌تواند برای کاربردهای بازرسی مناسب باشد. یکی دیگر از کاربردهای مهم TDI، تصویربرداری فلوسایتومتری است که در آن تصاویر فلورسانس سلول‌ها هنگام عبور از دوربین در حین جریان از طریق یک کانال میکروفلوئیدیک به دست می‌آید.
مزایا و معایب sCMOS TDI
مزایا
● می‌تواند هنگام اسکن کردن از یک سوژه تصویربرداری، تصاویر دوبعدی با اندازه دلخواه را با سرعت بالا ثبت کند.
● مراحل TDI چندگانه، نویز کم و QE بالا می‌تواند منجر به حساسیت بسیار بالاتر نسبت به دوربین‌های اسکن خطی شود.
● سرعت‌های خوانش بسیار بالا، برای مثال، تا ۵۱۰۰۰۰ هرتز (خط در ثانیه)، برای تصویری با عرض ۹۰۷۲ پیکسل قابل دستیابی است.
●نورپردازی فقط باید یک بعدی باشد و نیازی به میدان تخت یا سایر اصلاحات در بعد دوم (اسکن شده) ندارد. علاوه بر این، زمان نوردهی طولانی‌تر در مقایسه با اسکن خطی می‌تواند سوسو زدن ناشی از منابع نور AC را «صاف» کند.
● تصاویر متحرک را می‌توان بدون تاری ناشی از حرکت و با سرعت و حساسیت بالا به دست آورد.
●اسکن مناطق بزرگ می‌تواند به طور چشمگیری سریع‌تر از دوربین‌های اسکن منطقه‌ای باشد.
● با نرم‌افزار پیشرفته یا تنظیمات راه‌اندازی، یک حالت «شبیه اسکن ناحیه‌ای» می‌تواند یک نمای کلی از اسکن ناحیه‌ای برای تمرکز و تنظیم ارائه دهد.
معایب
● نویز همچنان بالاتر از دوربین‌های sCMOS معمولی، به این معنی که کاربردهای فوق‌العاده کم‌نور دور از دسترس هستند.
● برای همگام‌سازی حرکت سوژه تصویربرداری با اسکن دوربین، کنترل بسیار دقیق بر سرعت حرکت یا پیش‌بینی دقیق سرعت برای فعال کردن همگام‌سازی، به تنظیمات تخصصی با تریگر پیشرفته نیاز دارد.
● به عنوان یک فناوری جدید، در حال حاضر راهکارهای کمی برای پیاده‌سازی سخت‌افزاری و نرم‌افزاری آن وجود دارد.
sCMOS TDI با قابلیت کار در نور کم
اگرچه TDI به عنوان یک تکنیک تصویربرداری، قدمتی پیش از تصویربرداری دیجیتال دارد و مدت‌ها پیش از نظر عملکرد از اسکن خطی پیشی گرفته است، اما تنها در چند سال گذشته دوربین‌های TDI به حساسیت لازم برای دستیابی به کاربردهای کم‌نور دست یافته‌اند که معمولاً به حساسیت در سطح علمی نیاز دارند.دوربین‌های sCMOS.
«sCMOS TDI» حرکت بارها به سبک CCD را در سراسر حسگر با خوانش به سبک sCMOS ترکیب می‌کند و حسگرهای دارای نور پس زمینه نیز موجود هستند. دوربین‌های TDI قبلی مبتنی بر CCD یا صرفاً مبتنی بر CMOS* خوانش بسیار کندتری داشتند، تعداد پیکسل‌های آنها کمتر بود، مراحل کمتری داشتند و نویز خوانش بین 30e- و >100e- بود. در مقابل، sCMOS TDI مانند Tucsenدوربین sCMOS دیانا 9KTDIنویز خوانش ۷.۲e- را ارائه می‌دهد، همراه با راندمان کوانتومی بالاتر از طریق نورپردازی از پشت، که امکان استفاده از TDI را در کاربردهای با سطح نور بسیار پایین‌تر از آنچه قبلاً امکان‌پذیر بود، فراهم می‌کند.
در بسیاری از کاربردها، زمان‌های نوردهی طولانی‌تر که توسط فرآیند TDI امکان‌پذیر می‌شود، می‌تواند افزایش نویز خوانش را در مقایسه با دوربین‌های اسکن منطقه‌ای sCMOS با کیفیت بالا با نویز خوانش نزدیک به 1e- جبران کند.
کاربردهای رایج دوربین‌های TDI
دوربین‌های TDI در بسیاری از صنایع که دقت و سرعت به یک اندازه حیاتی هستند، یافت می‌شوند:
● بازرسی ویفر نیمه‌هادی
● تست نمایشگر تخت (FPD)
● بازرسی وب (کاغذ، فیلم، فویل، منسوجات)
● اسکن اشعه ایکس در تشخیص پزشکی یا غربالگری چمدان
● اسکن اسلاید و پلیت چند چاهکی در پاتولوژی دیجیتال
● تصویربرداری فراطیفی در سنجش از دور یا کشاورزی
● بازرسی برد مدار چاپی و قطعات الکترونیکی در خطوط SMT
این کاربردها از کنتراست، سرعت و وضوح بهبود یافته‌ای که تصویربرداری TDI تحت محدودیت‌های دنیای واقعی ارائه می‌دهد، بهره‌مند می‌شوند.
مثال: اسکن اسلاید و پلیت چند چاهکی
همانطور که گفته شد، یکی از کاربردهای نویدبخش دوربین‌های sCMOS TDI، کاربردهای دوخت تصویر، از جمله اسکن اسلاید یا صفحات چند چاهکی است. اسکن نمونه‌های میکروسکوپی فلورسنت یا زمینه روشن بزرگ با دوربین‌های دوبعدی، به دوخت شبکه‌ای از تصاویر تشکیل شده از حرکات متعدد یک صفحه میکروسکوپ XY متکی است. هر تصویر نیاز به توقف، تثبیت و سپس راه‌اندازی مجدد صفحه، همراه با هرگونه تأخیر در شاتر چرخشی، دارد. از سوی دیگر، TDI می‌تواند در حالی که صفحه در حال حرکت است، تصاویر را ثبت کند. سپس تصویر از تعداد کمی از «نوارهای» بلند تشکیل می‌شود که هر کدام کل عرض نمونه را پوشش می‌دهند. این امر می‌تواند به طور بالقوه منجر به سرعت‌های بسیار بالاتر ثبت تصویر و توان عملیاتی داده‌ها در تمام کاربردهای دوخت تصویر، بسته به شرایط تصویربرداری، شود.
سرعت حرکت صفحه نمایش با کل زمان نوردهی دوربین TDI نسبت معکوس دارد، بنابراین زمان‌های نوردهی کوتاه (1-20 میلی‌ثانیه) در مقایسه با دوربین‌های اسکن منطقه‌ای، بیشترین بهبود را در سرعت تصویربرداری ارائه می‌دهند که می‌تواند منجر به کاهش چند برابری یا بیشتر در کل زمان تصویربرداری شود. برای زمان‌های نوردهی طولانی‌تر (مثلاً > 100 میلی‌ثانیه)، اسکن منطقه‌ای معمولاً می‌تواند مزیت زمانی را حفظ کند.
نمونه‌ای از یک تصویر میکروسکوپی فلورسانس بسیار بزرگ (۲ گیگاپیکسلی) که تنها در ده ثانیه تشکیل شده است، در شکل ۲ نشان داده شده است. انتظار می‌رود تصویر معادلی که با دوربین اسکن منطقه‌ای تشکیل می‌شود، تا چند دقیقه طول بکشد.
شکل ۲: تصویر ۲ گیگاپیکسلی که در ۱۰ ثانیه از طریق اسکن و دوخت TDI تشکیل شده است
توجه: تصویر با بزرگنمایی ۱۰ برابر که با استفاده از Tucsen Dhyana 9kTDI از نقاط ماژیک هایلایتر مشاهده شده با میکروسکوپ فلورسانس گرفته شده است. در ۱۰ ثانیه با استفاده از زمان نوردهی ۳.۶ میلی‌ثانیه گرفته شده است. ابعاد تصویر: ۳۰ میلی‌متر در ۱۷ میلی‌متر، ۵۸۰۰۰ در ۳۴۱۶۰ پیکسل.
همگام‌سازی TDI
هماهنگ‌سازی دوربین TDI با سوژه تصویربرداری (با دقت چند درصد) ضروری است - عدم تطابق سرعت منجر به اثر «تاری حرکت» می‌شود. این هماهنگ‌سازی را می‌توان به دو روش انجام داد:
پیش بینی کنندهسرعت دوربین بر اساس دانش سرعت حرکت نمونه، اپتیک (بزرگنمایی) و اندازه پیکسل دوربین یا با آزمون و خطا، طوری تنظیم می‌شود که با سرعت حرکت مطابقت داشته باشد.
فعال شدهبسیاری از استیج‌های میکروسکوپ، گنتری‌ها و سایر تجهیزات برای جابجایی سوژه‌های تصویربرداری می‌توانند شامل انکودرهایی باشند که برای یک فاصله حرکتی مشخص، یک پالس تریگر به دوربین ارسال می‌کنند. این امر به استیج/گنتری و دوربین اجازه می‌دهد تا صرف نظر از سرعت حرکت، هماهنگ باقی بمانند.
دوربین‌های TDI در مقابل دوربین‌های اسکن خطی و اسکن منطقه‌ای
در اینجا نحوه مقایسه TDI با سایر فناوری‌های تصویربرداری محبوب آورده شده است:
| ویژگی | دوربین TDI | دوربین اسکن خطی | دوربین اسکن منطقه‌ای |
| حساسیت | بسیار بالا | متوسط | کم تا متوسط |
| کیفیت تصویر (حرکت) | عالی | خوب | تار شدن در سرعت‌های بالا |
| الزامات روشنایی | کم | متوسط | بالا |
| سازگاری حرکتی | عالی (در صورت هماهنگی) | خوب | ضعیف |
| بهترین برای | سرعت بالا، نور کم | اشیاء با حرکت سریع | صحنه‌های ایستا یا آهسته |
TDI زمانی که صحنه به سرعت در حال حرکت است و سطح نور محدود است، انتخاب واضحی است. اسکن خطی حساسیت کمتری دارد، در حالی که اسکن منطقه‌ای برای تنظیمات ساده یا ثابت بهتر است.
انتخاب دوربین TDI مناسب
هنگام انتخاب دوربین TDI، موارد زیر را در نظر بگیرید:
● تعداد مراحل TDI: مراحل بیشتر، SNR را افزایش می‌دهد، اما هزینه و پیچیدگی را نیز افزایش می‌دهد.
● نوع حسگر: sCMOS به دلیل سرعت و نویز کم ترجیح داده می‌شود؛ CCD ممکن است هنوز برای برخی از سیستم‌های قدیمی مناسب باشد.
● رابط کاربری: از سازگاری با سیستم خود اطمینان حاصل کنید - Camera Link، CoaXPress و 10GigE گزینه‌های رایج هستند، 100G CoF و 40G CoF به عنوان روندهای جدید ظهور کرده‌اند.
● پاسخ طیفی: بر اساس نیازهای کاربردی، بین حالت‌های تک‌رنگ، رنگی یا مادون قرمز نزدیک (NIR) یکی را انتخاب کنید.
● گزینه‌های همگام‌سازی: برای تنظیم بهتر حرکت، به دنبال ویژگی‌هایی مانند ورودی‌های رمزگذار یا پشتیبانی از ماشه خارجی باشید.
اگر کاربرد شما شامل نمونه‌های بیولوژیکی حساس، بازرسی با سرعت بالا یا محیط‌های کم‌نور باشد، sCMOS TDI احتمالاً مناسب‌ترین گزینه است.
نتیجه‌گیری
دوربین‌های TDI، به ویژه هنگامی که بر روی حسگرهای sCMOS ساخته می‌شوند، نمایانگر یک تحول قدرتمند در فناوری تصویربرداری هستند. این دوربین‌ها با ترکیب همگام‌سازی حرکت با ادغام چندخطی، حساسیت و وضوح بی‌نظیری را برای صحنه‌های پویا و کم‌نور ارائه می‌دهند.
چه در حال بررسی ویفرها، اسکن اسلایدها یا انجام بازرسی‌های پرسرعت باشید، درک نحوه‌ی کار TDI می‌تواند به شما در انتخاب بهترین راه‌حل از بین موارد زیر کمک کند:دوربین‌های علمیبرای چالش‌های تصویربرداری شما.
سوالات متداول
آیا دوربین‌های TDI می‌توانند در حالت اسکن منطقه‌ای کار کنند؟
دوربین‌های TDI می‌توانند تصاویر دوبعدی (بسیار نازک) را در حالتی شبیه به «اسکن ناحیه» ایجاد کنند که از طریق ترفندی در زمان‌بندی حسگر حاصل می‌شود. این امر می‌تواند برای کارهایی مانند فوکوس و ترازبندی مفید باشد.
برای شروع «نوردهی اسکن ناحیه‌ای»، ابتدا حسگر با پیشروی TDI حداقل به تعداد مراحلی که دوربین دارد، با حداکثر سرعت ممکن، «پاکسازی» می‌شود و سپس متوقف می‌گردد. این کار یا از طریق کنترل نرم‌افزاری یا تحریک سخت‌افزاری انجام می‌شود و در حالت ایده‌آل در تاریکی انجام می‌شود. به عنوان مثال، یک دوربین ۲۵۶ مرحله‌ای باید حداقل ۲۵۶ خط را بخواند، سپس متوقف می‌شود. این ۲۵۶ خط داده دور ریخته می‌شود.
در حالی که دوربین فعال نمی‌شود یا خطوط خوانده نمی‌شوند، حسگر درست مانند یک حسگر اسکن ناحیه‌ای که تصویر را نمایش می‌دهد، رفتار می‌کند.
سپس زمان نوردهی مورد نظر باید با دوربین در حالت آماده به کار سپری شود، قبل از اینکه دوباره دوربین حداقل به تعداد مراحل خود جلو برود و هر خط از تصویر تازه به دست آمده را بخواند. بار دیگر، در حالت ایده‌آل، این مرحله «خواندن» باید در تاریکی اتفاق بیفتد.
این تکنیک می‌تواند تکرار شود تا یک «پیش‌نمایش زنده» یا توالی تصاویر اسکن ناحیه‌ای با حداقل اعوجاج و تاری ناشی از عملیات TDI ارائه شود.
شرکت توسن فوتونیک. تمامی حقوق محفوظ است. هنگام نقل قول، لطفاً منبع را ذکر کنید:www.tucsen.com
