22/07/13Time Delay Integration (TDI) is in ôfbyldingstechnyk dy't foarôfgiet oan digitale ôfbylding - mar dy't noch altyd geweldige foardielen biedt oan 'e foargrûn fan ôfbylding fan hjoed. Der binne twa omstannichheden wêryn TDI-kamera's kinne skine - beide as it ôfbyldingsûnderwerp yn beweging is:
1 - It ôfbyldingsûnderwerp is ynherint yn beweging mei in konstante snelheid, lykas by webynspeksje (lykas it scannen fan bewegende blêden papier, plestik of stof op defekten en skea), gearstallingslinen, of mikrofluidika en floeistofstreamen.
2 – Statyske ôfbyldingsûnderwerpen dy't ôfbylde wurde kinne troch in kamera dy't fan gebiet nei gebiet ferpleatst wurdt, troch it ûnderwerp of de kamera te ferpleatsen. Foarbylden binne it scannen fan mikroskoopdia's, materiaalynspeksje, flatscreen-ynspeksje ensfh.
As ien fan dizze omstannichheden fan tapassing is op jo ôfbylding, sil dizze webside jo helpe om te beskôgjen oft in oerskeakeling fan konvinsjonele 2-dimensionale 'gebietscan'-kamera's nei Line Scan TDI-kamera's jo ôfbylding in boost jaan kin.
It probleem mei gebietsscannen en bewegende doelen
● Bewegingswazigens
Guon ôfbyldingsûnderwerpen binne needsaaklik yn beweging, bygelyks by floeistofstream- of webynspeksje. Yn oare tapassingen, lykas dia-scannen en materiaalynspeksje, kin it yn beweging hâlden fan it ûnderwerp folle rapper en effisjinter wêze as it stopjen fan beweging foar elke opnommen ôfbylding. Foar gebietscankamera's kin dit lykwols in útdaging foarmje as it ôfbyldingsûnderwerp yn beweging is relatyf oan de kamera.
Bewegingswazigens ferfoarmet in ôfbylding fan in bewegend auto
Yn situaasjes mei beheinde ferljochting of wêr't hege ôfbyldingskwaliteiten fereaske binne, kin in lange kamera-eksposysjetiid winsklik wêze. De beweging fan it ûnderwerp sil lykwols syn ljocht ferspriede oer meardere kamerapiksels tidens de eksposysje, wat liedt ta 'bewegingswazigens'. Dit kin minimalisearre wurde troch eksposysjes tige koart te hâlden - ûnder de tiid dy't it soe duorje foar in punt op it ûnderwerp om in kamerapiksel te passearjen. Dit is deunmeastentiids ten koste fan tsjustere, lawaaierige, faak net brûkbere ôfbyldings.
●Stikken
Derneist fereasket it typysk ôfbyldzjen fan grutte of trochgeande ôfbyldingsûnderwerpen mei gebietscankamera's it krijen fan meardere ôfbyldings, dy't dan oaninoar naaid wurde. Dit naaien fereasket oerlappende piksels tusken neistlizzende ôfbyldings, wat de effisjinsje ferminderet en de easken foar gegevensopslach en ferwurking fergruttet.
●Uneven ferljochting
Derneist sil de ferljochting selden genôch wêze om problemen en artefakten oan 'e grinzen tusken naaide ôfbyldings te foarkommen. Ek is it faak nedich om ferljochting te jaan oer in grut genôch gebiet foar de gebietscankamera mei foldwaande yntensiteit, om krêftige en djoere DC-ljochtboarnen te brûken.
Uneven ferljochting by it naaien fan in multi-ôfbyldingsakwisysje fan in mûsbrein. Ofbylding fan Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Wat is in TDI-kamera, en hoe helpt it?
Yn konvinsjonele 2-dimensionale gebietscan-kamera's binne der trije fazen foar it krijen fan in ôfbylding: pikselreset, bleatstelling en útlêzen. Tidens de bleatstelling wurde fotonen fan 'e sêne detektearre, wat resulteart yn fotoelektronen, dy't opslein wurde yn 'e piksels fan' e kamera oant it ein fan 'e bleatstelling. De wearden fan elke piksel wurde dan útlêzen, en in 2D-ôfbylding wurdt foarme. De piksels wurde dan weromset en alle ladingen wurde wiske om de folgjende bleatstelling te begjinnen.
Lykas lykwols neamd, as it ôfbyldingsûnderwerp beweecht relatyf oan 'e kamera, kin it ljocht fan it ûnderwerp tidens dizze bleatstelling oer meardere piksels ferspriede, wat liedt ta bewegingswazigens. TDI-kamera's oerwinne dizze beheining mei in ynnovative technyk. Dit wurdt demonstrearre yn [Animaasje 1].
●Hoe TDI-kamera's wurkje
TDI-kamera's wurkje op in fundamenteel oare manier as gebietscankamera's. As it ûnderwerp dat ôfbylde wurdt oer de kamera beweecht tidens de bleatstelling, wurde de elektroanyske ladingen dy't de opnaam ôfbylding foarmje ek ferpleatst, en bliuwe se syngronisearre. Tidens de bleatstelling kinne TDI-kamera's alle opnaam ladingen fan de iene rige piksels nei de oare ferpleatse, lâns de kamera, syngronisearre mei de beweging fan it ûnderwerp dat ôfbylde wurdt. As it ûnderwerp oer de kamera beweecht, biedt elke rige (bekend as in 'TDI Stage') in nije kâns om de kamera oan it ûnderwerp bleat te stellen en sinjaal te sammeljen.
Sadree't in rige fan krigen ladingen it ein fan 'e kamera berikt, wurde de wearden pas dan útlêzen en opslein as in 1-diminsjonale plak fan 'e ôfbylding. De 2D-ôfbylding wurdt foarme troch elke opienfolgjende plak fan 'e ôfbylding oaninoar te plakjen wylst de kamera se lêst. Elke rige piksels yn 'e resultearjende ôfbylding folget en ôfbyldingt deselde 'plak' fan it ôfbyldingsûnderwerp, wat betsjut dat nettsjinsteande de beweging, der gjin wazigens is.
●256x langere bleatstelling
Mei TDI-kamera's wurdt de effektive eksposysjetiid fan 'e ôfbylding jûn troch de hiele tiid dy't it duorret foar in punt op it ûnderwerp om elke rige piksels te passearjen, mei maksimaal 256 stadia beskikber op guon TDI-kamera's. Dit betsjut dat de beskikbere eksposysjetiid effektyf 256 kear grutter is as in gebietscankamera berikke koe.
Dit kin ien fan twa ferbetteringen opleverje, of in lykwicht fan beide. Earst kin in wichtige ferbettering fan ôfbyldingssnelheid berikt wurde. Yn ferliking mei in gebietscankamera kin it ôfbyldingsûnderwerp oant 256 kear rapper bewege, wylst it noch deselde hoemannichte sinjaal fêstleit, mits de linesnelheid fan 'e kamera rap genôch is om by te bliuwen.
Oan 'e oare kant, as gruttere gefoelichheid nedich is, kin de langere bleatstellingstiid ôfbyldings fan folle hegere kwaliteit, legere ljochtintensiteit, of beide mooglik meitsje.
●Grutte gegevenstrochfier sûnder stitching
Omdat de TDI-kamera in 2-diminsjonale ôfbylding produseart út opienfolgjende 1-diminsjonale plakjes, kin de resultearjende ôfbylding sa grut wêze as nedich is. Wylst it oantal piksels yn 'e 'horizontale' rjochting jûn wurdt troch de breedte fan 'e kamera, bygelyks 9072 piksels, is de 'fertikale' grutte fan 'e ôfbylding ûnbeheind, en wurdt gewoan bepaald troch hoe lang de kamera brûkt wurdt. Mei line-snelheden oant 510kHz kin dit in massive data-trochput leverje.
Yn kombinaasje hjirmei kinne TDI-kamera's tige brede sichtfjilden biede. Bygelyks, in kamera fan 9072 piksels mei 5µm piksels biedt in horizontaal sichtfjild fan 45 mm mei hege resolúsje. Om deselde ôfbyldingsbreedte te berikken mei in scankamera mei in pikselgebiet fan 5µm soene maksimaal trije 4K-kamera's neist elkoar nedich wêze.
●Ferbetterings oer line scan kamera's
TDI-kamera's biede net allinich ferbetteringen yn ferliking mei gebietscankamera's. Line-scankamera's, dy't mar ien line piksels fêstlizze, hawwe ek lêst fan in protte fan deselde problemen mei ljochtintensiteit en koarte eksposysjes as gebietscankamera's.
Hoewol't line-scan-kamera's, lykas TDI-kamera's, in mear evenredige ferljochting biede mei in ienfâldiger opset, en de needsaak foar ôfbyldingsnaaien foarkomme, kinne se faak tige yntinsive ferljochting en/of stadige ûnderwerpbeweging fereaskje om genôch sinjaal te fangen foar in ôfbylding fan hege kwaliteit. De langere bleatstellings en hegere ûnderwerpsnelheden dy't TDI-kamera's mooglik meitsje, betsjutte dat ferljochting mei legere yntensiteit en legere kosten brûkt wurde kin, wylst de ôfbyldingseffisjinsje ferbettere wurdt. Bygelyks, in produksjeline kin miskien oerskeakelje fan djoere halogeenlampen mei in heech enerzjyferbrûk dy't gelijkstroom nedich binne, nei LED-ferljochting.
Hoe wurkje TDI-kamera's?
Der binne trije mienskiplike noarmen foar hoe't TDI-ôfbylding op in kamerasensor berikt wurde kin.
● CCD TDI– CCD-kamera's binne de âldste styl fan digitale kamera's. Fanwegen har elektroanyske ûntwerp is it berikken fan TDI-gedrach op in CCD relatyf ienfâldich, mei in protte kamerasensors dy't ynherint op dizze manier kinne wurkje. TDI CCD's binne dêrom al tsientallen jierren yn gebrûk.
CCD-technology hat lykwols syn beheiningen. De lytste pikselgrutte dy't gewoanlik beskikber is foar CCD TDI-kamera's is sawat 12µm x 12µm - dit, tegearre mei in lyts oantal piksels, beheint de mooglikheden fan 'e kamera's om fynere details op te lossen. Derneist is de snelheid fan opname leger as by oare technologyen, wylst lêsrûs - in wichtige beheinde faktor by ôfbylding mei leech ljocht - heech is. It enerzjyferbrûk is ek heech, wat in wichtige faktor is yn guon tapassingen. Dit late ta de winsk om TDI-kamera's te meitsjen basearre op CMOS-arsjitektuer.
●Iere CMOS TDI: Spanningsdomein en digitale sommaasje
CMOS-kamera's oerwinne in protte fan 'e beheiningen op it mêd fan lûd en snelheid fan CCD-kamera's, wylst se minder enerzjy brûke en lytsere pikselgrutte oanbiede. TDI-gedrach wie lykwols folle dreger te berikken op CMOS-kamera's, fanwegen har pikselûntwerp. Wylst CCD's fotoelektronen fysyk fan piksel nei piksel ferpleatse om de sensor te behearjen, konvertearje CMOS-kamera's sinjalen yn fotoelektronen nei spanningen yn elke piksel foardat se útlêzen wurde.
TDI-gedrach op in CMOS-sensor wurdt sûnt 2001 ûndersocht, mar de útdaging foar hoe't jo omgean moatte mei de 'akkumulaasje' fan sinjaal as de bleatstelling fan de iene rige nei de oare giet, wie wichtich. Twa iere metoaden foar CMOS TDI dy't hjoed de dei noch brûkt wurde yn kommersjele kamera's binne spanningsdomeinakkumulaasje en digitale sommaasje fan TDI CMOS. Yn spanningsdomeinakkumulaasjekamera's wurdt de opdien spanning elektroanysk tafoege oan de totale akwisysje foar dat diel fan 'e ôfbylding, as elke rige sinjaal wurdt krigen as it ôfbyldingsûnderwerp foarby giet. It opbouwen fan spanningen op dizze manier yntrodusearret ekstra rûs foar elke ekstra TDI-faze dy't tafoege wurdt, wêrtroch't de foardielen fan ekstra fazen beheint. Problemen mei lineariteit daagje ek it gebrûk fan dizze kamera's foar presys tapassingen út.
De twadde metoade is digitale sommaasje fan TDI. Yn dizze metoade rint in CMOS-kamera effektyf yn gebietscanmodus mei in heul koarte bleatstelling dy't oerienkomt mei de tiid dy't it ûnderwerp nedich hat om oer in inkele rige piksels te bewegen. Mar de rigen fan elk opienfolgjend frame wurde digitaal byinoar opteld op sa'n manier dat in TDI-effekt wurdt levere. Om't de heule kamera foar elke rige piksels yn 'e resultearjende ôfbylding útlêzen wurde moat, foeget dizze digitale optelling ek de lêsrûs foar elke rige ta, en beheint de snelheid fan akwisysje.
●De moderne standert: ladingdomein TDI CMOS, of CCD-op-CMOS TDI
De beheiningen fan CMOS TDI hjirboppe binne koartlyn oerwûn troch de ynfiering fan ladingsdomein-akkumulaasje TDI CMOS, ek wol bekend as CCD-op-CMOS TDI. De wurking fan dizze sensoren wurdt demonstrearre yn [Animaasje 1]. Lykas de namme al seit, biede dizze sensoren de CCD-achtige beweging fan ladingen fan de iene piksel nei de oare, en sammelje in sinjaal yn elke TDI-faze troch de tafoeging fan fotoelektronen op it nivo fan yndividuele ladingen. Dit is effektyf rûsfrij. De beheiningen fan CCD TDI wurde lykwols oerwûn troch it brûken fan CMOS-útlêsarsjitektuer, wêrtroch't de hege snelheden, lege rûs en lege enerzjyferbrûk mooglik binne dy't gewoan binne foar CMOS-kamera's.
TDI-spesifikaasjes: wat is wichtich?
●Technology:De wichtichste faktor is hokker sensortechnology brûkt wurdt, lykas hjirboppe besprutsen. Charge-domain CMOS TDI sil de bêste prestaasjes leverje.
●TDI-stadia:Dit is it oantal rigen fan 'e sensor wêr't sinjaal oer sammele wurde kin. Hoe mear TDI-stadia in kamera hat, hoe langer de effektive eksposysjetiid kin wêze. Of hoe rapper it ûnderwerp dat ôfbylde wurdt bewege kin, mits de kamera genôch linesnelheid hat.
●Linetaryf:Hoefolle rigen de kamera per sekonde lêze kin. Dit bepaalt de maksimale bewegingssnelheid dy't de kamera byhâlde kin.
●KwantumeffisjinsjeDit jout de gefoelichheid fan 'e kamera foar ljocht oan by ferskate golflingten, jûn troch de kâns dat in ynfallend foton wurdt ûntdutsen en in fotoelektron produseart. Hegere kwantumeffisjinsje kin in legere ljochtsterkte of in fluggere operaasje biede, wylst deselde sinjaalnivo's behâlden wurde.
Derneist ferskille kamera's yn it golflingteberik wêrby't goede gefoelichheid berikt wurde kin, wêrby't guon kamera's gefoelichheid biede oant it ultraviolette (UV) ein fan it spektrum, om de golflingte fan sawat 200 nm.
●Lês lûd:Lêsrûs is de oare wichtige faktor yn 'e gefoelichheid fan in kamera, en bepaalt it minimale sinjaal dat boppe de lûdsflier fan 'e kamera ûntdutsen wurde kin. By hege lêsrûs kinne tsjustere funksjes net ûntdutsen wurde en wurdt it dynamyske berik slim fermindere, wat betsjut dat helderdere ferljochting of langere eksposysjetiden en stadiger bewegingssnelheden brûkt wurde moatte.
TDI-spesifikaasjes: wat is wichtich?
Op it stuit wurde TDI-kamera's brûkt foar webynspeksje, ynspeksje fan elektroanika en produksje, en oare masinefisy-tapassingen. Njonken dit binne útdaagjende tapassingen by leech ljocht lykas fluoreszinsjeôfbylding en diascanning.
Mei de ynfiering fan TDI CMOS-kamera's mei hege snelheid, leech lûd en hege gefoelichheid is der lykwols in grut potinsjeel foar ferhegingen fan snelheid en effisjinsje yn nije tapassingen dy't earder allinich gebietscankamera's brûkten. Lykas wy oan it begjin fan it artikel yntrodusearren, kinne TDI-kamera's de bêste kar wêze foar it berikken fan hege snelheden en hege ôfbyldingskwaliteiten foar it ôfbyldzjen fan ûnderwerpen dy't al yn konstante beweging binne, of wêr't de kamera oer statyske ôfbyldingsûnderwerpen skend wurde kin.
Bygelyks, yn in mikroskopie-tapassing koenen wy de teoretyske akwisysjesnelheid fan in 9K piksel, 256-poadium TDI-kamera mei 5 µm piksels fergelykje mei in 12MP kamera-gebietscankamera mei 5 µm piksels. Litte wy ûndersykje hoe't wy in gebiet fan 10 x 10 mm mei 20x fergrutting kinne krije troch it poadium te ferpleatsen.
1. It brûken fan in 20x objektiv mei de gebietscankamera soe in ôfbyldingsfjild fan 1,02 x 0,77 mm leverje.
2. Mei de TDI-kamera koe in 10x objektiv mei in 2x ekstra fergrutting brûkt wurde om elke beheining yn it sichtfjild fan 'e mikroskoop te oerwinnen, om in horizontaal ôfbyldingssichtfjild fan 2,3 mm te leverjen.
3. Utgeande fan 2% pikseloerlaap tusken ôfbyldings foar it naaien, 0,5 sekonden om it poadium nei in ynstelde lokaasje te ferpleatsen, en in eksposysjetiid fan 10 ms, kinne wy de tiid berekkenje dy't de gebietscankamera nedich hat. Op deselde wize kinne wy de tiid berekkenje dy't de TDI-kamera nedich hat as it poadium konstant yn beweging hâlden wurdt om yn 'e Y-rjochting te scannen, mei deselde eksposysjetiid per rigel.
4. Yn dit gefal soe de gebietscankamera 140 ôfbyldings nedich hawwe om te krijen, wêrby't 63 sekonden bestege wurde oan it ferpleatsen fan it poadium. De TDI-kamera soe mar 5 lange ôfbyldings krije, wêrby't mar 2 sekonden bestege wurde oan it ferpleatsen fan it poadium nei de folgjende kolom.
5. De totale tiid bestege oan it krijen fan it gebiet fan 10 x 10 mm soe wêze64,4 sekonden foar de gebietscankamera,en gewoan9,9 sekonden foar de TDI-kamera.
As jo wolle sjen oft in TDI-kamera by jo tapassing past en oan jo behoeften foldocht, nim dan hjoed noch kontakt mei ús op.
