22.7.2013Aikaviiveintegraatio (TDI) on kuvantamistekniikka, joka on peräisin digitaaliselta kuvantamiselta ennen kaikkea, mutta tarjoaa edelleen valtavia etuja kuvantamisen eturintamassa. TDI-kamerat voivat loistaa kahdessa tilanteessa – molemmissa kuvauskohteen liikkuessa:
1 – Kuvauskohde on luonnostaan liikkeessä vakionopeudella, kuten rainantarkastuksessa (kuten liikkuvien paperi-, muovi- tai kangasarkkien skannaus virheiden ja vaurioiden varalta), kokoonpanolinjoilla tai mikrofluiditekniikassa ja nestevirroissa.
2 – Staattiset kuvauskohteet, joita voidaan kuvata alueelta toiselle siirrettävällä kameralla joko kohdetta tai kameraa siirtämällä. Esimerkkejä ovat mikroskooppilasien skannaus, materiaalien tarkastus, tasopaneelien tarkastus jne.
Jos jompikumpi näistä tilanteista voisi soveltua kuvantamiseen, tämä verkkosivu auttaa sinua harkitsemaan, voisiko siirtyminen perinteisistä kaksiulotteisista alueellisesti skannaavista kameroista Line Scan TDI -kameroihin parantaa kuvantamista.
Alueskannauksen ja liikkuvien kohteiden ongelma
● Liikkeen aiheuttama epäterävyys
Jotkut kuvauskohteet ovat liikkeessä pakon sanelemana, esimerkiksi nestevirtauksen tai rainan tarkastuksessa. Toisissa sovelluksissa, kuten objektilasien skannauksessa ja materiaalien tarkastuksessa, kohteen pitäminen liikkeessä voi olla huomattavasti nopeampaa ja tehokkaampaa kuin liikkeen pysäyttäminen jokaista kuvaa varten. Alueskannauskameroissa tämä voi kuitenkin olla haasteellista, jos kuvauskohde on liikkeessä suhteessa kameraan.
Liikkeen aiheuttama epäterävyys vääristää liikkuvan ajoneuvon kuvaa
Tilanteissa, joissa valaistus on rajallinen tai kuvanlaatu on korkea, pitkä valotusaika voi olla tarpeen. Kohteen liike kuitenkin levittää valonsa useille kameran pikseleille valotuksen aikana, mikä johtaa liikkeen epäterävyyteen. Tätä voidaan minimoida pitämällä valotusajat hyvin lyhyinä – alle sen ajan, joka kohteen pisteeltä kuluisi kameran pikselin läpi kulkemiseen. Tämä onunyleensä tummien, kohinaisten ja usein käyttökelvottomien kuvien kustannuksella.
●Ompeleminen
Lisäksi tyypillisesti suurten tai jatkuvien kuvauskohteiden kuvaaminen alueellisesti skannaavilla kameroilla vaatii useiden kuvien ottamista, jotka sitten yhdistetään. Tämä yhdistäminen vaatii päällekkäisiä pikseleitä vierekkäisten kuvien välillä, mikä vähentää tehokkuutta ja lisää tiedontallennus- ja käsittelyvaatimuksia.
●Epätasainen valaistus
Lisäksi valaistus on harvoin riittävän tasainen välttämään ongelmia ja artefaktteja liitettyjen kuvien reunoilla. Myös riittävän laajan alueen valaiseminen riittävällä voimakkuudella alueskannauskameralle vaatii usein tehokkaiden ja kalliiden tasavirtavalonlähteiden käyttöä.
Epätasainen valaistus hiiren aivojen monikuvakuvauksen ompelussa. Kuva Watsonilta ym. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Mikä on TDI-kamera ja miten se auttaa?
Perinteisissä kaksiulotteisissa alueskannauskameroissa kuvan ottamisessa on kolme vaihetta: pikselien nollaus, valotus ja lukeminen. Valotuksen aikana kuvasta havaitaan fotoneja, jotka tuottavat fotoelektroneja, jotka tallennetaan kameran pikseleihin valotuksen loppuun asti. Jokaisen pikselin arvot luetaan sitten ja muodostetaan 2D-kuva. Pikselit nollataan ja kaikki varaukset tyhjennetään seuraavan valotuksen aloittamiseksi.
Kuten kuitenkin mainittiin, jos kuvauskohde liikkuu kameraan nähden, kohteesta tuleva valo voi levitä useille pikseleille valotuksen aikana, mikä johtaa liikkeen aiheuttamaan epäterävyyteen. TDI-kamerat voittavat tämän rajoituksen innovatiivisella tekniikalla. Tämä on havainnollistettu [animaatiossa 1].
●Miten TDI-kamerat toimivat
TDI-kamerat toimivat perustavanlaatuisesti eri tavalla kuin alueskannauskamerat. Kun kuvauskohde liikkuu kameran poikki valotuksen aikana, myös otetun kuvan muodostavat elektroniset varaukset liikkuvat ja pysyvät synkronoituina. Valotuksen aikana TDI-kamerat pystyvät siirtämään kaikki otetut varaukset pikseliriviltä toiselle kameraa pitkin synkronoituna kuvauskohteen liikkeen kanssa. Kun kohde liikkuu kameran poikki, jokainen rivi (tunnetaan nimellä "TDI-vaihe") tarjoaa uuden mahdollisuuden valottaa kamera kohteelle ja kerätä signaalia.
Vasta kun rivi kerättyjä varauksia saavuttaa kameran pään, arvot luetaan ja tallennetaan kuvan yksiulotteisena siivuna. Kaksiulotteinen kuva muodostetaan liittämällä yhteen jokainen peräkkäinen kuvan siivu kameran lukiessa niitä. Tuloksena olevan kuvan jokainen pikselirivi seuraa ja kuvaa samaa "siivua" kuvauskohteesta, mikä tarkoittaa, että liikkeestä huolimatta epäterävyyttä ei ole.
●256 kertaa pidempi valotusaika
TDI-kameroissa kuvan efektiivinen valotusaika määräytyy kokonaisajan mukaan, joka kohteen pisteeltä kuluu pikselirivin läpi kulkemiseen. Joissakin TDI-kameroissa on käytettävissä jopa 256 vaihetta. Tämä tarkoittaa, että käytettävissä oleva valotusaika on käytännössä 256 kertaa pidempi kuin alueskannauskameralla.
Tämä voi tarjota jommankumman kahdesta parannuksesta tai molempia tasapainon. Ensinnäkin voidaan saavuttaa merkittävä kuvantamisnopeuden kasvu. Alueelliseen skannauskameraan verrattuna kuvauskoe voi liikkua jopa 256 kertaa nopeammin ja tallentaa silti saman määrän signaalia, edellyttäen, että kameran linjanopeus on riittävän nopea pysymään mukana.
Toisaalta, jos tarvitaan suurempaa herkkyyttä, pidempi valotusaika voi mahdollistaa paljon laadukkaammat kuvat, pienemmän valaistusvoimakkuuden tai molemmat.
●Suuri tiedonsiirtonopeus ilman yhdistämistä
Koska TDI-kamera tuottaa kaksiulotteisen kuvan peräkkäisistä yksiulotteisista viipaleista, tuloksena oleva kuva voi olla niin suuri kuin tarvitaan. Vaikka pikseleiden määrä vaakasuunnassa määräytyy kameran leveyden mukaan, esimerkiksi 9072 pikseliä, kuvan pystysuuntainen koko on rajoittamaton ja määräytyy yksinkertaisesti kameran käyttöajan mukaan. Jopa 510 kHz:n linjanopeuksilla tämä voi tarjota valtavan tiedonsiirtonopeuden.
Yhdessä tämän kanssa TDI-kamerat voivat tarjota erittäin laajan kuvakentän. Esimerkiksi 9072 pikselin kamera, jossa on 5 µm:n pikselit, tarjoaa 45 mm:n vaakasuuntaisen kuvakentän korkealla resoluutiolla. Saman kuvausleveyden saavuttamiseksi 5 µm:n pikselipinta-alan skannauskameralla vaadittaisiin jopa kolme 4K-kameraa vierekkäin.
●Parannuksia linjaskannauskameroihin verrattuna
TDI-kamerat eivät tarjoa ainoastaan parannuksia alueellisiin skannauskameroihin verrattuna. Viivakamerat, jotka tallentavat vain yhden pikselirivin, kärsivät myös monista samoista valaistusvoimakkuuden ja lyhyiden valotusaikojen ongelmista kuin alueelliset skannauskamerat.
Vaikka viivakamerat tarjoavat TDI-kameroiden tavoin tasaisemman valaistuksen yksinkertaisemmalla asennuksella ja välttävät kuvien nidontatarpeen, ne saattavat usein vaatia erittäin voimakasta valaistusta ja/tai kohteen hidasta liikettä riittävän signaalin tallentamiseksi korkealaatuista kuvaa varten. TDI-kameroiden mahdollistamat pidemmät valotusajat ja nopeammat kohteiden nopeudet tarkoittavat, että voidaan käyttää alhaisemman intensiteetin ja edullisempaa valaistusta samalla parantaen kuvantamistehokkuutta. Esimerkiksi tuotantolinja voi pystyä siirtymään kalliista, paljon virtaa kuluttavista ja tasavirtaa vaativista halogeenilampuista LED-valaistukseen.
Miten TDI-kamerat toimivat?
Kamerasensorilla TDI-kuvantamisen saavuttamiseksi on kolme yleistä standardia.
● CCD TDI– CCD-kamerat ovat vanhin digitaalikameroiden tyyppi. Elektronisen rakenteensa ansiosta TDI-käyttäytymisen saavuttaminen CCD-kennolla on suhteellisen yksinkertaista, ja monet kamerasensorit pystyvät luonnostaan toimimaan tällä tavalla. TDI CCD-kennoja on siksi käytetty vuosikymmeniä.
CCD-tekniikalla on kuitenkin rajoituksensa. Pienin yleisesti CCD TDI -kameroissa saatavilla oleva pikselikoko on noin 12 µm x 12 µm – tämä yhdessä pienen pikselimäärän kanssa rajoittaa kameroiden kykyä erottaa hienoja yksityiskohtia. Lisäksi tiedonkeruunopeus on hitaampi kuin muilla tekniikoilla, kun taas lukukohina – merkittävä rajoittava tekijä hämäräkuvauksessa – on korkea. Myös virrankulutus on korkea, mikä on merkittävä tekijä joissakin sovelluksissa. Tämä johti haluun luoda CMOS-arkkitehtuuriin perustuvia TDI-kameroita.
●Varhainen CMOS TDI: Jännitealue ja digitaalinen summaus
CMOS-kamerat voittavat monia CCD-kameroiden kohina- ja nopeusrajoituksia samalla, kun ne käyttävät vähemmän virtaa ja tarjoavat pienempiä pikselikokoja. TDI-käyttäytymisen saavuttaminen oli kuitenkin paljon vaikeampaa CMOS-kameroissa niiden pikselirakenteen vuoksi. Vaikka CCD-kamerat fyysisesti siirtävät fotoelektroneja pikselistä toiseen kennon hallitsemiseksi, CMOS-kamerat muuntavat fotoelektronien signaalit jännitteiksi jokaisessa pikselissä ennen lukemista.
CMOS-kennon TDI-käyttäytymistä on tutkittu vuodesta 2001 lähtien, mutta merkittävä haaste oli signaalin "kertymisen" käsittely valotuksen siirtyessä riviltä toiselle. Kaksi varhaista CMOS TDI -menetelmää, joita käytetään edelleen kaupallisissa kameroissa, ovat jännitealueen kertymä ja digitaalinen summaava TDI CMOS. Jännitealueen kertymäkameroissa, kun jokainen signaalirivi kerätään kuvauskohteen liikkuessa ohi, kerätty jännite lisätään elektronisesti kyseisen kuvan osan kokonaiskeruuta varten. Jännitteiden kerääminen tällä tavalla lisää kohinaa jokaista lisättyä TDI-vaihetta kohden, mikä rajoittaa lisävaiheiden hyötyjä. Lineaarisuuteen liittyvät ongelmat haastavat myös näiden kameroiden käytön tarkkoihin sovelluksiin.
Toinen menetelmä on digitaalinen summaava TDI. Tässä menetelmässä CMOS-kamera toimii käytännössä alueskannaustilassa hyvin lyhyellä valotusajalla, joka vastaa kuvauskohteen liikkumiseen yhden pikselirivin poikki kuluvaa aikaa. Mutta jokaisen peräkkäisen kuvan rivit lasketaan yhteen digitaalisesti siten, että syntyy TDI-vaikutus. Koska koko kamera on luettava jokaista pikseliriviä varten tuloksena olevassa kuvassa, tämä digitaalinen summaus lisää myös lukukohinan jokaiselle riville ja rajoittaa lukunopeutta.
●Moderni standardi: varausdomeenin TDI CMOS tai CCD-on-CMOS TDI
Yllä mainitut CMOS TDI:n rajoitukset on äskettäin voitettu ottamalla käyttöön varausdomeenia keräävä TDI CMOS, joka tunnetaan myös nimellä CCD-on-CMOS TDI. Näiden antureiden toiminta on havainnollistettu [animaatiossa 1]. Kuten nimestä voi päätellä, nämä anturit tarjoavat CCD-tyyppisen varausten siirron pikselistä toiseen, keräämällä signaalia jokaisessa TDI-vaiheessa lisäämällä fotoelektroneja yksittäisten varausten tasolla. Tämä on käytännössä kohinatonta. CCD TDI:n rajoitukset kuitenkin voitetaan CMOS-lukuarkkitehtuurin avulla, mikä mahdollistaa CMOS-kameroille tyypilliset suuret nopeudet, alhaisen kohinan ja alhaisen virrankulutuksen.
TDI-spesifikaatiot: millä on väliä?
●Teknologia:Kuten edellä on käsitelty, tärkein tekijä on käytetty anturiteknologia. Parhaan suorituskyvyn tarjoaa varausalueen CMOS TDI.
●TDI-vaiheet:Tämä on anturin rivien lukumäärä, jolle signaali voidaan kerätä. Mitä enemmän TDI-vaiheita kamerassa on, sitä pidempi sen tehokas valotusaika voi olla. Tai sitä nopeammin kuvauskohde voi liikkua, edellyttäen että kameran linjanopeus on riittävä.
●Linjanopeus:Kuinka monta riviä kamera pystyy lukemaan sekunnissa. Tämä määrittää kameran suurimman mahdollisen liikkeen nopeuden.
●KvanttitehokkuusTämä osoittaa kameran herkkyyden valolle eri aallonpituuksilla, mikä ilmaistaan todennäköisyytenä sille, että tuleva fotoni havaitaan ja se tuottaa fotoelektronin. Korkeampi kvanttitehokkuus voi tarjota pienemmän valaistusvoimakkuuden tai nopeamman toiminnan säilyttäen samalla signaalitasolla.
Lisäksi kamerat eroavat toisistaan aallonpituusalueen suhteen, jolla hyvä herkkyys voidaan saavuttaa, ja jotkut kamerat tarjoavat herkkyyttä aina spektrin ultraviolettisäteilyyn (UV) asti, noin 200 nm:n aallonpituudella.
●Lue kohina:Lukukohina on toinen merkittävä tekijä kameran herkkyyteen vaikuttaen, ja se määrittää pienimmän signaalin, joka voidaan havaita kameran kohinatason yläpuolella. Suuren lukukohinan tapauksessa tummia kohteita ei voida havaita ja dynaaminen alue pienenee merkittävästi, mikä tarkoittaa, että on käytettävä kirkkaampaa valaistusta tai pidempiä valotusaikoja ja hitaampia liikenopeuksia.
TDI-spesifikaatiot: millä on väliä?
Tällä hetkellä TDI-kameroita käytetään radan tarkastukseen, elektroniikan ja valmistuksen tarkastukseen sekä muihin konenäkösovelluksiin. Näiden lisäksi käytetään haastavia hämäräkuvausta ja diaskannausta vaativia sovelluksia.
Nopeiden, vähäkohinaisten ja herkkien TDI CMOS -kameroiden käyttöönoton myötä on kuitenkin suuri potentiaali nopeuden ja tehokkuuden kasvulle uusissa sovelluksissa, joissa aiemmin käytettiin vain alueellisesti skannaavia kameroita. Kuten artikkelin alussa esittelimme, TDI-kamerat voivat olla paras valinta suurten nopeuksien ja korkean kuvanlaadun saavuttamiseksi joko jatkuvasti liikkuvien kohteiden kuvaamisessa tai silloin, kun kameraa voidaan skannata staattisten kuvauskohteiden poikki.
Esimerkiksi mikroskopiasovelluksessa voisimme verrata 9K pikselin, 256-vaiheisen TDI-kameran teoreettista hankintanopeutta 5 µm:n pikseleillä 12 megapikselin kamera-alaltaan skannauskameraan, jossa on 5 µm:n pikselit. Tarkastellaan 10 x 10 mm:n alueen hankkimista 20-kertaisella suurennuksella siirtämällä vaihepöytää.
1. Käyttämällä 20x objektiivia alueskannauskameran kanssa saadaan 1,02 x 0,77 mm:n kuvausnäkökenttä.
2. TDI-kameralla voitaisiin käyttää 10-kertaista objektiivia ja 2-kertaista lisäsuurennusta mikroskoopin näkökentän rajoitusten voittamiseksi ja 2,3 mm:n vaakasuuntaisen kuvantamisnäkökentän aikaansaamiseksi.
3. Olettaen, että kuvien pikselien päällekkäisyys on 2 % nidontatarkoituksiin, alustan siirtäminen tiettyyn paikkaan kestää 0,5 sekuntia ja valotusaika on 10 ms, voimme laskea alueskannauskameran kuvausajan. Vastaavasti voimme laskea ajan, joka TDI-kameran kuvausaika olisi, jos alustaa pidettäisiin jatkuvassa liikkeessä Y-suunnassa samalla valotusajalla viivaa kohden.
4. Tässä tapauksessa alueskannauskameran tarvitsisi ottaa 140 kuvaa, ja alustan siirtämiseen kuluisi 63 sekuntia. TDI-kamera ottaisi vain 5 pitkää kuvaa, ja alustan siirtämiseen seuraavaan sarakkeeseen kuluisi vain 2 sekuntia.
5. 10 x 10 mm:n alueen mittaamiseen käytetty kokonaisaika olisi64,4 sekuntia alueskannauskameralle,ja vain9,9 sekuntia TDI-kameralle.
Jos haluat nähdä, sopisiko TDI-kamera käyttötarkoitukseesi ja tarpeisiisi, ota meihin yhteyttä jo tänään.
