25.8.2008Teollisessa ja tieteellisessä kuvantamisessa nopeasti liikkuvien kohteiden tallentaminen hämärässä on jatkuva haaste. Tässä kohtaa aikaviiveintegraatiokamerat (TDI) astuvat kuvaan. TDI-tekniikka yhdistää liikkeen synkronoinnin ja useita valotuksia, mikä tarjoaa poikkeuksellisen herkkyyden ja kuvan selkeyden erityisesti nopeissa ympäristöissä.
Mikä on TDI-kamera?
TDI-kamera on erikoistunut viivakamera, joka tallentaa kuvia liikkuvista kohteista. Toisin kuin tavalliset alueelliset skannauskamerat, jotka valottavat koko kuvan kerralla, TDI-kamerat siirtävät varausta pikseliriviltä toiselle synkronoidusti kohteen liikkeen kanssa. Jokainen pikselirivi kerää valoa kohteen liikkuessa, mikä pidentää tehokkaasti valotusaikaa ja parantaa signaalin voimakkuutta aiheuttamatta liike-epäterävyyttä.
Tämä varauksen integrointi parantaa dramaattisesti signaali-kohinasuhdetta (SNR), mikä tekee TDI-kameroista ihanteellisia suurnopeus- tai hämäräkuvaussovelluksiin.
Miten TDI-kamera toimii?
TDI-kameran toiminta on esitetty kuvassa 1.
Kuva 1: Aikaviiveintegraatioantureiden (TDI) toiminta
HUOMAUTUS: TDI-kamerat liikuttavat hankittuja varauksia useiden "vaiheiden" yli synkronoidusti liikkuvan kuvauskohteen kanssa. Jokainen vaihe tarjoaa lisämahdollisuuden valolle altistumiseen. Havainnollistettu kirkkaan T-kirjaimen avulla, joka liikkuu kameran poikki, ja TDI-anturin 5-sarakkeisesta ja 5-vaiheisesta segmentistä. Tucsen Dhyana 9KTDI, jossa on hybridi-CCD-tyyppinen varausliike, mutta CMOS-tyyppinen rinnakkaislukema.
TDI-kamerat ovat käytännössä linjaskannauskameroita, ja niillä on yksi tärkeä ero: yhden pikselirivin sijaan, joka kerää tietoa kameroiden skannatessa kuvauskohteen yli, TDI-kameroissa on useita rivejä, joita kutsutaan "vaiheiksi", tyypillisesti jopa 256.
Nämä rivit eivät kuitenkaan muodosta kaksiulotteista kuvaa kuten alueskannauskamera. Sen sijaan, kun skannattu kuvauskoe liikkuu kameran anturin poikki, kunkin pikselin havaitut fotoelektronit siirtyvät seuraavalle riville synkronoidusti kuvauskohteen liikkeen kanssa ilman, että niitä vielä luetaan. Jokainen lisärivi tarjoaa sitten uuden mahdollisuuden altistaa kuvauskohde valolle. Vasta kun kuvaviipale saavuttaa anturin viimeisen pikselirivin, kyseinen rivi siirretään lukuarkkitehtuurille mittausta varten.
Näin ollen, vaikka kameravaiheissa suoritetaan useita mittauksia, kameran lukukohinaa esiintyy vain kerran. 256-vaiheinen TDI-kamera pitää näytteen näkyvissä 256 kertaa pidempään ja sen valotusaika on siten 256 kertaa pidempi kuin vastaavan viivakameran. Vastaava valotusaika alueskannauskameralla aiheuttaisi äärimmäistä liikkeen aiheuttamaa epäterävyyttä, mikä tekisi kuvasta käyttökelvottoman.
Milloin TDI:tä voidaan käyttää?
TDI-kamerat ovat erinomainen ratkaisu kaikkiin kuvantamissovelluksiin, joissa kuvauskohde liikkuu kameraan nähden, edellyttäen, että liike on tasaista kameran kuva-alueella.
TDI-kuvantamisen sovelluksiin kuuluvat siis toisaalta kaikki viivakuvauksen sovellukset, joissa muodostetaan kaksiulotteisia kuvia ja jotka tuovat mukanaan suurempia nopeuksia, huomattavasti paremman hämäräkuvausherkkyyden, paremman kuvanlaadun tai kaikki kolme kerralla. Toisaalta on olemassa monia kuvantamistekniikoita, jotka käyttävät alueellisia skannauskameroita ja joissa TDI-kameroita voidaan käyttää.
Herkän sCMOS TDI:n tapauksessa biologisessa fluoresenssimikroskopiassa voidaan suorittaa 'laatta ja ommel' -kuvaus käyttämällä lavan jatkuvaa skannausta laatoituksen sijaan. Tai kaikki TDI:t voivat soveltua hyvin tarkastussovelluksiin. Toinen tärkeä TDI:n sovellus on kuvantava virtaussytometria, jossa solujen fluoresenssikuvat otetaan niiden kulkiessa kameran ohi virratessaan mikrofluidikanavassa.
sCMOS TDI:n hyvät ja huonot puolet
Hyvät puolet
● Voi ottaa mielivaltaisen kokoisia kaksiulotteisia kuvia suurella nopeudella skannattaessa kuvauskohteen poikki.
● Useat TDI-vaiheet, alhainen kohina ja korkea QE voivat johtaa huomattavasti suurempaan herkkyyteen kuin viivakameroissa.
● Erittäin suuria lukunopeuksia voidaan saavuttaa, esimerkiksi jopa 510 000 Hz (viivaa sekunnissa) 9 072 pikselin levyisellä kuvalla.
●Valaistuksen tarvitsee olla vain yksiulotteinen, eikä se vaadi tasokenttää tai muita korjauksia toisessa (skannatussa) ulottuvuudessa. Lisäksi pidemmät valotusajat viivakuvaukseen verrattuna voivat "tasoittaa" vaihtovirtavalonlähteiden aiheuttamaa välkkymistä.
● Liikkuvia kuvia voidaan tallentaa ilman liike-epäterävyyttä ja suurella nopeudella ja herkkyydellä.
●Suurten alueiden skannaus voi olla huomattavasti nopeampaa kuin alueskannauskamerat.
● Edistyneillä ohjelmistoilla tai liipaisuasetuksilla alueskannauksen kaltainen tila voi tarjota alueskannauksen yleiskatsauksen tarkennusta ja kohdistusta varten.
Haittoja
● Kohina on edelleen korkeampi kuin perinteisissä sCMOS-kameroissa, joten erittäin hämärässä valaistuksessa käytettävät sovellukset eivät ole käytettävissä.
● Edellyttää erikoisasetuksia ja edistynyttä liipaisua kuvauskohteen liikkeen synkronoimiseksi kameran skannauksen kanssa, erittäin tarkkaa liikenopeuden hallintaa tai tarkkaa nopeuden ennustamista synkronoinnin mahdollistamiseksi.
● Uutena teknologiana laitteisto- ja ohjelmistototeutukseen on tällä hetkellä vain vähän ratkaisuja.
Hämärässäkin sCMOS TDI
Vaikka TDI kuvantamistekniikkana edeltää digitaalista kuvantamista ja ohittaa suorituskyvyltään jo kauan sitten viivakuvauksen, vasta viime vuosina TDI-kamerat ovat saavuttaneet herkkyyden, jota tarvitaan hämäräkuvaamiseen sovelluksissa, jotka normaalisti vaatisivat tieteellisen tason herkkyyttä.sCMOS-kamerat.
'sCMOS TDI' yhdistää CCD-tyyppisen varausten liikkeen anturin yli sCMOS-tyyppiseen lukemaan, ja saatavilla on myös taustavalaistuja antureita. Aiemmissa CCD-pohjaisissa tai puhtaasti CMOS-pohjaisissa* TDI-kameroissa oli huomattavasti hitaampi lukema, pienempi pikselimäärä, vähemmän vaiheita ja lukukohina 30e- ja >100e- välillä. Sitä vastoin sCMOS TDI:t, kuten TucsenDhyana 9KTDI sCMOS-kameratarjoaa 7,2e- lukukohinan yhdistettynä korkeampaan kvanttihyötysuhteeseen taustavalaistuksen ansiosta, mikä mahdollistaa TDI:n käytön huomattavasti aiempaa heikomman valotason sovelluksissa.
Monissa sovelluksissa TDI-prosessin mahdollistamat pidemmät valotusajat voivat enemmän kuin kompensoida lukukohinan lisääntymistä verrattuna korkealaatuisiin sCMOS-alueskannauskameroihin, joiden lukukohina on lähellä 1e-.
TDI-kameroiden yleisiä sovelluksia
TDI-kameroita käytetään monilla teollisuudenaloilla, joilla tarkkuus ja nopeus ovat yhtä tärkeitä:
● Puolijohdekiekkojen tarkastus
● Litteän näytön (FPD) testaus
● Verkkotarkastus (paperi, kalvo, folio, tekstiilit)
● Röntgenkuvaus lääketieteellisessä diagnostiikassa tai matkatavaroiden tarkastuksessa
● Aluslasien ja monikuoppalevyjen skannaus digitaalisessa patologiassa
● Hyperspektrikuvantaminen kaukokartoituksessa tai maataloudessa
● Piirilevyjen ja elektroniikan tarkastus SMT-linjoissa
Nämä sovellukset hyötyvät TDI-kuvantamisen tarjoamasta parannetusta kontrastista, nopeudesta ja selkeydestä todellisissa olosuhteissa.
Esimerkki: Slaidin ja monikuoppalevyn skannaus
Kuten mainittiin, yksi sCMOS TDI -kameroiden lupaavista sovelluksista on yhdistämissovellukset, mukaan lukien objektilasien tai monikuoppalevyjen skannaus. Suurten fluoresoivien tai kirkaskenttämikroskopianäytteiden skannaus 2-ulotteisilla aluekameroilla perustuu XY-mikroskooppipöydän useista liikkeistä muodostetun kuvaruudukon yhdistämiseen. Jokainen kuva vaatii pöydän pysähtymisen, asettumisen ja uudelleenkäynnistyksen, samoin kuin liikkuvan sulkimen mahdollisen viiveen. TDI puolestaan voi ottaa kuvia pöydän ollessa liikkeessä. Kuva muodostetaan sitten pienestä määrästä pitkiä "nauhoja", joista jokainen peittää näytteen koko leveyden. Tämä voi mahdollisesti johtaa huomattavasti suurempiin hankintanopeuksiin ja tiedonsiirtokykyyn kaikissa yhdistämissovelluksissa kuvantamisolosuhteista riippuen.
Nopeus, jolla alusta voi liikkua, on kääntäen verrannollinen TDI-kameran kokonaisvalotusaikaan, joten lyhyet valotusajat (1–20 ms) tarjoavat suurimman parannuksen kuvantamisnopeuteen verrattuna alueellisiin skannauskameroihin, mikä voi sitten johtaa suuruusluokkaa tai jopa suurempaan kokonaiskuvausajan lyhenemiseen. Pidemmillä valotusajoilla (esim. > 100 ms) alueellisessa skannauksessa voidaan yleensä säilyttää aikaetu.
Kuvassa 2 on esimerkki erittäin suuresta (2 gigapikselin) fluoresenssimikroskopiakuvasta, joka muodostetaan vain kymmenessä sekunnissa. Vastaavan kuvan muodostaminen alueskannauskameralla voi kestää jopa useita minuutteja.
Kuva 2: 2 gigapikselin kuva, joka muodostetaan 10 sekunnissa TDI-skannauksella ja -liitoksella
HUOMAUTUS: 10-kertaisesti suurennoksella otettu kuva, jossa korostuskynän pisteet on tarkasteltu fluoresenssimikroskopialla. Kuvattu 10 sekunnissa 3,6 ms:n valotusajalla. Kuvan mitat: 30 mm x 17 mm, 58 000 x 34 160 pikseliä.
TDI:n synkronointi
TDI-kameran synkronointi kuvauskohteen kanssa (muutaman prosentin tarkkuudella) on olennaista – nopeusero johtaa liikkeen epäterävyyteen. Tämä synkronointi voidaan tehdä kahdella tavalla:
EnnakoivaKameran nopeus asetetaan vastaamaan liikenopeutta näytteen liikenopeuden, optiikan (suurennus) ja kameran pikselikoon perusteella. Tai kokeilemalla ja erehtymällä.
LaukaistuMonissa mikroskooppipöydät, gantryt ja muut kuvauskohteiden siirtämiseen tarkoitetut laitteet voivat sisältää enkoodereita, jotka lähettävät liipaisupulssin kameraan tietyllä liikematkalla. Tämä mahdollistaa pöydän/gantryn ja kameran synkronoinnin liikenopeudesta riippumatta.
TDI-kamerat vs. linja- ja alueskannauskamerat
Näin TDI vertautuu muihin suosittuihin kuvantamistekniikoihin:
| Ominaisuus | TDI-kamera | Linjaskannauskamera | Alueskannauskamera |
| Herkkyys | Erittäin korkea | Keskikokoinen | Matala tai keskitaso |
| Kuvanlaatu (liike) | Erinomainen | Hyvä | Sumea suurilla nopeuksilla |
| Valaistusvaatimukset | Matala | Keskikokoinen | Korkea |
| Liikkeen yhteensopivuus | Erinomainen (jos synkronoitu) | Hyvä | Huono |
| Paras | Nopea, hämäräkuvaus | Nopeasti liikkuvat kohteet | Staattiset tai hitaat kohtaukset |
TDI on selkeä valinta, kun kohde liikkuu nopeasti ja valotasot ovat rajalliset. Viivaskannaus on herkkyydeltään pienempi, kun taas alueskannaus sopii paremmin yksinkertaisiin tai paikallaan pysyviin asetelmiin.
Oikean TDI-kameran valitseminen
TDI-kameraa valittaessa on otettava huomioon seuraavat seikat:
● TDI-vaiheiden lukumäärä: Useammat vaiheet lisäävät signaali-kohinasuhdetta, mutta myös kustannuksia ja monimutkaisuutta.
● Anturityyppi: sCMOS on parempi nopeuden ja alhaisen kohinan vuoksi; CCD saattaa silti sopia joihinkin vanhoihin järjestelmiin.
● Liitäntä: Varmista yhteensopivuus järjestelmäsi kanssa – Camera Link, CoaXPress ja 10GigE ovat yleisiä vaihtoehtoja, mutta 100G CoF ja 40G CoF ovat nousseet uusina trendeinä.
● Spektrivaste: Valitse yksivärinen, värillinen tai lähi-infrapuna (NIR) sovelluksen tarpeiden mukaan.
● Synkronointivaihtoehdot: Etsi ominaisuuksia, kuten kooderituloja tai ulkoisen liipaisimen tukea, parempaan liikkeen kohdistukseen.
Jos sovellukseesi liittyy herkkiä biologisia näytteitä, nopeaa tarkastusta tai hämärää, sCMOS TDI on todennäköisesti oikea valinta.
Johtopäätös
TDI-kamerat edustavat voimakasta kuvantamistekniikan kehitystä, erityisesti sCMOS-kennoilla varustettuina. Yhdistämällä liikkeen synkronoinnin monilinjaintegraatioon ne tarjoavat vertaansa vailla olevan herkkyyden ja selkeyden dynaamisissa, hämärässä kuvaustilanteissa.
Tarkasteletpa sitten kiekkoja, skannaatko lasilevyjä tai suoritatko nopeita tarkastuksia, TDI:n toiminnan ymmärtäminen voi auttaa sinua valitsemaan parhaan ratkaisun.tieteelliset kameratkuvantamishaasteisiin.
Usein kysytyt kysymykset
Voivatko TDI-kamerat toimia alueskannaustilassa?
TDI-kamerat voivat luoda (hyvin ohuita) kaksiulotteisia kuvia 'alueskannauksen kaltaisessa' tilassa, joka saavutetaan anturin ajoituksen tempun avulla. Tästä voi olla hyötyä esimerkiksi tarkennuksessa ja kohdistuksessa.
'Aluekuvauksen' aloittamiseksi anturi 'tyhjennetään' ensin siirtämällä TDI:tä eteenpäin vähintään niin monta askelta kuin kamerassa on vaiheita, niin nopeasti kuin mahdollista, ja pysäyttämällä sitten. Tämä saavutetaan joko ohjelmiston ohjauksella tai laitteiston avulla, ja se tehdään mieluiten pimeässä. Esimerkiksi 256-vaiheisen kameran tulisi lukea vähintään 256 riviä ja sitten pysähtyä. Nämä 256 datariviä hylätään.
Kun kameraa ei laukaista eikä viivoja lueta, anturi toimii aivan kuten kuvan valottava alueskannausanturi.
Halutun valotusajan tulisi sitten kulua kameran ollessa lepotilassa, ennen kuin kameraa liikutetaan jälleen ainakin sen vaihemäärän verran eteenpäin, lukeen juuri otetun kuvan jokaisen rivin. Ihannetapauksessa tämän 'lukuvaiheen' tulisi jälleen tapahtua pimeässä.
Tätä tekniikkaa voidaan toistaa, jolloin saadaan aikaan 'live-esikatselu' tai alueskannauskuvien sarja, jossa TDI-toiminnan aiheuttama vääristymä ja epäterävyys ovat mahdollisimman vähäiset.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Kaikki oikeudet pidätetään. Mainitse lähde lainatessasi:www.tucsen.com
