22/07/13A integración de retardo temporal (TDI) é unha técnica de imaxe anterior á imaxe dixital, pero que aínda ofrece enormes vantaxes na vangarda da imaxe actual. Hai dúas circunstancias nas que as cámaras TDI poden destacar, ambas cando o suxeito da imaxe está en movemento:
1 – O suxeito que se obtén a imaxe está inherentemente en movemento cunha velocidade constante, como na inspección de bandas (como a exploración de follas de papel, plástico ou tecido en movemento para detectar defectos e danos), as liñas de montaxe ou a microfluídica e os fluxos de fluídos.
2 – Imaxes estáticas de suxeitos que poderían ser fotografados por unha cámara movida dunha zona a outra, movendo o suxeito ou a cámara. Algúns exemplos inclúen a exploración de portaobxectos de microscopio, a inspección de materiais, a inspección de pantallas planas, etc.
Se algunha destas circunstancias se aplica ás túas imaxes, esta páxina web axudarache a considerar se un cambio de cámaras convencionais de "escaneado de área" bidimensionais a cámaras TDI de escaneo lineal podería mellorar as túas imaxes.
O problema coa exploración de área e os obxectivos móbiles
● Desenfoque de movemento
Algúns suxeitos de imaxe están en movemento por necesidade, por exemplo no fluxo de fluídos ou na inspección de bandas. Noutras aplicacións, como a dixitalización de diapositivas e a inspección de materiais, manter o suxeito en movemento pode ser considerablemente máis rápido e eficiente que deter o movemento para cada imaxe adquirida. Non obstante, para as cámaras de dixitalización de área, se o suxeito de imaxe está en movemento en relación coa cámara, isto pode supoñer un desafío.
Desenfoque de movemento distorsionando a imaxe dun vehículo en movemento
En situacións con iluminación limitada ou onde se requiren altas calidades de imaxe, pode ser desexable un tempo de exposición da cámara longo. Non obstante, o movemento do suxeito estenderá a súa luz por varios píxeles da cámara durante a exposición, o que provocará un "desenfoque de movemento". Isto pódese minimizar mantendo exposicións moi curtas, por debaixo do tempo que tardaría un punto do suxeito en atravesar un píxel da cámara. Este é ounxeralmente a expensas de imaxes escuras, ruidosas e, a miúdo, inutilizables.
●Costura
Ademais, a obtención de imaxes de suxeitos grandes ou continuos con cámaras de exploración de área require normalmente a adquisición de varias imaxes, que logo se unen. Esta unión require a superposición de píxeles entre imaxes veciñas, o que reduce a eficiencia e aumenta os requisitos de almacenamento e procesamento de datos.
●Iluminación desigual
Ademais, a iluminación raramente será suficiente para evitar problemas e artefactos nos bordos entre as imaxes unidas. Así mesmo, para proporcionar iluminación sobre unha área o suficientemente grande para a cámara de exploración de área con intensidade suficiente, a miúdo requírese o uso de fontes de luz de CC de alta potencia e alto custo.
Iluminación desigual na costura dunha adquisición multiimaxe do cerebro dun rato. Imaxe de Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Que é unha cámara TDI e como axuda?
Nas cámaras convencionais de exploración de área bidimensional, hai tres fases para adquirir unha imaxe: reinicio de píxeles, exposición e lectura. Durante a exposición, detéctanse fotóns da escena, o que resulta en fotoelectróns, que se almacenan nos píxeles da cámara ata o final da exposición. Os valores de cada píxel lense entón e fórmase unha imaxe 2D. Os píxeles reinicianse entón e elimínanse todas as cargas para comezar a seguinte exposición.
Non obstante, como se mencionou, se o suxeito da imaxe se move en relación coa cámara, a luz do suxeito pode estenderse por varios píxeles durante esta exposición, o que provoca un desenfoque de movemento. As cámaras TDI superan esta limitación mediante unha técnica innovadora. Isto demóstrase na [Animación 1].
●Como funcionan as cámaras TDI
As cámaras TDI funcionan dun xeito fundamentalmente diferente ás cámaras de exploración de área. A medida que o suxeito da imaxe se move pola cámara durante a exposición, as cargas electrónicas que compoñen a imaxe adquirida tamén se moven, manténdose sincronizadas. Durante a exposición, as cámaras TDI poden mesturar todas as cargas adquiridas dunha fila de píxeles a outra, ao longo da cámara, sincronizadas co movemento do suxeito da imaxe. A medida que o suxeito se move pola cámara, cada fila (coñecida como "etapa TDI") ofrece unha nova oportunidade para expoñer a cámara ao suxeito e acumular sinal.
Unha vez que unha fila de cargas adquiridas chega ao final da cámara, só entón se len os valores e se almacenan como unha porción unidimensional da imaxe. A imaxe bidimensional fórmase unindo cada porción sucesiva da imaxe mentres a cámara a le. Cada fila de píxeles da imaxe resultante rastrexa e captura a mesma "porción" do suxeito da imaxe, o que significa que, a pesar do movemento, non hai desenfoque.
●Exposición 256 veces máis longa
Coas cámaras TDI, o tempo de exposición efectivo da imaxe vén dado polo tempo total que tarda un punto do suxeito en percorrer cada fila de píxeles, con ata 256 etapas dispoñibles nalgunhas cámaras TDI. Isto significa que o tempo de exposición dispoñible é efectivamente 256 veces maior que o que podería alcanzar unha cámara de exploración de área.
Isto pode supoñer dúas melloras ou un equilibrio entre ambas. En primeiro lugar, pódese conseguir un aumento significativo na velocidade de obtención de imaxes. En comparación cunha cámara de exploración de área, o suxeito que se obtén a imaxe pode moverse ata 256 veces máis rápido e, ao mesmo tempo, capturar a mesma cantidade de sinal, sempre que a velocidade de liña da cámara sexa o suficientemente rápida como para seguir o ritmo.
Doutra banda, se se require unha maior sensibilidade, un tempo de exposición máis longo podería permitir imaxes de moita maior calidade, unha menor intensidade de iluminación ou ambas as dúas.
●Gran rendemento de datos sen unión
Dado que a cámara TDI produce unha imaxe bidimensional a partir de cortes unidimensionais sucesivos, a imaxe resultante pode ser tan grande como se precise. Mentres que o número de píxeles na dirección "horizontal" vén dado polo ancho da cámara, por exemplo 9072 píxeles, o tamaño "vertical" da imaxe é ilimitado e determínase simplemente polo tempo que se está a usar a cámara. Con velocidades de liña de ata 510 kHz, isto pode ofrecer un rendemento de datos masivo.
Combinado con isto, as cámaras TDI poden ofrecer campos de visión moi amplos. Por exemplo, unha cámara de 9072 píxeles con píxeles de 5 µm proporciona un campo de visión horizontal de 45 mm con alta resolución. Para conseguir a mesma anchura de imaxe cunha cámara de dixitalización de área de píxeles de 5 µm, serían necesarias ata tres cámaras 4K unha ao lado da outra.
●Melloras nas cámaras de dixitalización lineal
As cámaras TDI non só ofrecen melloras con respecto ás cámaras de exploración de área. As cámaras de exploración lineal, que capturan só unha liña de píxeles, tamén sofren moitos dos mesmos problemas coa intensidade da iluminación e as exposicións curtas que as cámaras de exploración de área.
Aínda que, do mesmo xeito que as cámaras TDI, as cámaras de varrido lineal ofrecen unha iluminación máis uniforme cunha configuración máis sinxela e evitan a necesidade de unir imaxes, a miúdo poden requirir unha iluminación moi intensa e/ou un movemento lento do suxeito para capturar suficiente sinal para unha imaxe de alta calidade. As exposicións máis longas e as velocidades de suxeito máis rápidas que permiten as cámaras TDI significan que se pode usar unha iluminación de menor intensidade e menor custo, ao tempo que se mellora a eficiencia da imaxe. Por exemplo, unha liña de produción pode ser capaz de pasar de lámpadas halóxenas de alto custo e alto consumo de enerxía que requiren alimentación de CC a iluminación LED.
Como funcionan as cámaras TDI?
Existen tres estándares comúns sobre como conseguir imaxes TDI nun sensor de cámara.
● CCD TDI– As cámaras CCD son o tipo de cámara dixital máis antigo. Debido ao seu deseño electrónico, conseguir o comportamento TDI nun CCD é comparativamente moi sinxelo, xa que moitos sensores de cámara son inherentemente capaces de funcionar deste xeito. Polo tanto, os CCD TDI levan décadas utilizándose.
Non obstante, a tecnoloxía CCD ten as súas limitacións. O tamaño de píxel máis pequeno dispoñible habitualmente para as cámaras CCD TDI é duns 12 µm x 12 µm; isto, xunto co pequeno número de píxeles, limita a capacidade das cámaras para resolver detalles finos. Ademais, a velocidade de adquisición é menor que a doutras tecnoloxías, mentres que o ruído de lectura (un factor limitante importante nas imaxes con pouca luz) é elevado. O consumo de enerxía tamén é elevado, o que é un factor importante nalgunhas aplicacións. Isto levou ao desexo de crear cámaras TDI baseadas na arquitectura CMOS.
●CMOS TDI primitivo: dominio da tensión e suma dixital
As cámaras CMOS superan moitas das limitacións de ruído e velocidade das cámaras CCD, ao mesmo tempo que usan menos enerxía e ofrecen tamaños de píxeles máis pequenos. Non obstante, o comportamento TDI era moito máis difícil de conseguir nas cámaras CMOS, debido ao seu deseño de píxeles. Mentres que os CCD moven fisicamente os fotoelectróns dun píxel a outro para xestionar o sensor, as cámaras CMOS converten os sinais dos fotoelectróns en voltaxes en cada píxel antes da lectura.
O comportamento do TDI nun sensor CMOS explorouse desde 2001; porén, o desafío de como xestionar a "acumulación" de sinal a medida que a exposición se move dunha fila a outra foi significativo. Dous dos primeiros métodos para o TDI CMOS que aínda se usan nas cámaras comerciais hoxe en día son a acumulación no dominio da tensión e o TDI CMOS de suma dixital. Nas cámaras de acumulación no dominio da tensión, a medida que se adquire cada fila de sinal a medida que o suxeito da imaxe pasa, a tensión adquirida engádese electronicamente á adquisición total para esa parte da imaxe. A acumulación de tensións deste xeito introduce ruído adicional por cada etapa TDI adicional que se engade, o que limita os beneficios das etapas adicionais. Os problemas de linealidade tamén desafían o uso destas cámaras para aplicacións precisas.
O segundo método é a suma dixital TDI. Neste método, unha cámara CMOS funciona efectivamente en modo de exploración de área cunha exposición moi curta que se axusta ao tempo que tarda o suxeito da imaxe en moverse por unha única fila de píxeles. Pero as filas de cada fotograma sucesivo súmanse dixitalmente de tal xeito que se produce un efecto TDI. Como se debe ler toda a cámara para cada fila de píxeles da imaxe resultante, esta suma dixital tamén engade o ruído de lectura para cada fila e limita a velocidade de adquisición.
●O estándar moderno: CMOS TDI de dominio de carga ou CCD-on-CMOS TDI
As limitacións do CMOS TDI mencionadas anteriormente superáronse recentemente coa introdución do CMOS TDI de acumulación no dominio da carga, tamén coñecido como CCD-on-CMOS TDI. O funcionamento destes sensores demóstrase na [Animación 1]. Como o seu nome indica, estes sensores ofrecen o movemento de cargas similar ao CCD dun píxel a outro, acumulando o sinal en cada etapa do TDI mediante a adición de fotoelectróns no nivel das cargas individuais. Isto é efectivamente libre de ruído. Non obstante, as limitacións do CCD TDI superanse mediante o uso da arquitectura de lectura CMOS, que permite as altas velocidades, o baixo ruído e o baixo consumo de enerxía comúns ás cámaras CMOS.
Especificacións TDI: que importa?
●Tecnoloxía:O factor máis importante é a tecnoloxía de sensores que se emprega, como se comentou anteriormente. O CMOS TDI de dominio de carga ofrecerá o mellor rendemento.
●Etapas da TDI:Este é o número de filas do sensor sobre as que se pode acumular o sinal. Cantas máis etapas TDI teña unha cámara, maior pode ser o seu tempo de exposición efectivo. Ou, canto máis rápido se pode mover o suxeito da imaxe, sempre que a cámara teña unha velocidade de liña suficiente.
●Taxa de liña:Cantas filas pode ler a cámara por segundo. Isto determina a velocidade máxima de movemento que pode manter a cámara.
●Eficiencia cuánticaIsto indica a sensibilidade da cámara á luz a diferentes lonxitudes de onda, dada pola probabilidade de que se detecte un fotón incidente e produza un fotoelectrón. Unha maior eficiencia cuántica pode ofrecer unha menor intensidade de iluminación ou un funcionamento máis rápido mantendo os mesmos niveis de sinal.
Ademais, as cámaras difiren no rango de lonxitudes de onda no que se pode conseguir unha boa sensibilidade, e algunhas cámaras ofrecen sensibilidade ata o extremo ultravioleta (UV) do espectro, a uns 200 nm de lonxitude de onda.
●Ler ruído:O ruído de lectura é o outro factor significativo na sensibilidade dunha cámara, que determina o sinal mínimo que se pode detectar por riba do ruído de fondo da cámara. Cun ruído de lectura elevado, non se poden detectar as características escuras e o rango dinámico redúcese considerablemente, o que significa que se debe usar unha iluminación máis brillante ou tempos de exposición máis longos e velocidades de movemento máis lentas.
Especificacións TDI: que importa?
Actualmente, as cámaras TDI úsanse para a inspección de bandas, a inspección de electrónica e fabricación e outras aplicacións de visión artificial. Xunto a isto, hai aplicacións complexas con pouca luz, como a imaxe por fluorescencia e a dixitalización de diapositivas.
Non obstante, coa introdución de cámaras CMOS TDI de alta velocidade, baixo ruído e alta sensibilidade, existe un gran potencial para aumentar a velocidade e a eficiencia en novas aplicacións que antes só empregaban cámaras de exploración de área. Como introducimos ao comezo do artigo, as cámaras TDI poden ser a mellor opción para acadar altas velocidades e altas calidades de imaxe, xa sexa para imaxinar suxeitos en movemento constante ou para aqueles nos que a cámara poida explorar suxeitos de imaxe estática.
Por exemplo, nunha aplicación de microscopía, poderiamos comparar a velocidade de adquisición teórica dunha cámara TDI de 9K píxeles e 256 etapas con píxeles de 5 µm cunha cámara de escaneo de área de cámara de 12 MP con píxeles de 5 µm. Examinemos a adquisición dunha área de 10 x 10 mm cun aumento de 20x movendo a platina.
1. Empregar un obxectivo de 20 aumentos coa cámara de exploración de área proporcionaría un campo de visión de imaxe de 1,02 x 0,77 mm.
2. Coa cámara TDI, poderíase usar un obxectivo de 10x cun aumento adicional de 2x para superar calquera limitación no campo de visión do microscopio, e así obter un campo de visión de imaxe horizontal de 2,3 mm.
3. Supondo unha superposición de píxeles do 2 % entre as imaxes para fins de unión, 0,5 segundos para mover o escenario a unha localización establecida e un tempo de exposición de 10 ms, podemos calcular o tempo que tardaría a cámara de exploración de área. Do mesmo xeito, podemos calcular o tempo que tardaría a cámara TDI se o escenario se mantivese en movemento constante para explorar na dirección Y, co mesmo tempo de exposición por liña.
4. Neste caso, a cámara de exploración de área necesitaría adquirir 140 imaxes, con 63 segundos dedicados a mover a plataforma. A cámara TDI adquiriría só 5 imaxes longas, con só 2 segundos dedicados a mover a plataforma á seguinte columna.
5. O tempo total empregado en adquirir a área de 10 x 10 mm sería64,4 segundos para a cámara de exploración de área,e só9,9 segundos para a cámara TDI.
Se queres ver se unha cámara TDI podería axustarse á túa aplicación e satisfacer as túas necesidades, ponte en contacto connosco hoxe mesmo.
