22/07/13टाइम डिले इंटीग्रेशन (TDI) एक इमेजिंग तकनीक है जो डिजिटल इमेजिंग से भी पुरानी है – लेकिन आज भी इमेजिंग के क्षेत्र में यह जबरदस्त फायदे प्रदान करती है। TDI कैमरे दो परिस्थितियों में चमक सकते हैं – दोनों ही स्थितियों में जब इमेजिंग विषय गतिमान हो:
1 - इमेजिंग विषय स्वाभाविक रूप से एक स्थिर वेग के साथ गतिशील रहता है, जैसा कि वेब निरीक्षण (जैसे दोषों और क्षति के लिए कागज, प्लास्टिक या कपड़े की चलती शीटों को स्कैन करना), असेंबली लाइन, या माइक्रो फ्लूइडिक्स और द्रव प्रवाह में होता है।
2 – स्थिर इमेजिंग विषय, जिनका चित्र कैमरे द्वारा एक क्षेत्र से दूसरे क्षेत्र में ले जाकर लिया जा सकता है, या तो विषय या कैमरे को हिलाकर। उदाहरणों में माइक्रोस्कोप स्लाइड स्कैनिंग, सामग्री निरीक्षण, फ्लैट पैनल निरीक्षण आदि शामिल हैं।
यदि इनमें से कोई भी परिस्थिति आपकी इमेजिंग पर लागू हो सकती है, तो यह वेबपेज आपको यह विचार करने में मदद करेगा कि क्या पारंपरिक 2-आयामी 'एरिया स्कैन' कैमरों से लाइन स्कैन टीडीआई कैमरों पर स्विच करने से आपकी इमेजिंग को बढ़ावा मिल सकता है।
एरिया-स्कैन और मूविंग टारगेट की समस्या
● मोशन ब्लर
कुछ इमेजिंग विषय अनिवार्यतः गतिमान होते हैं, उदाहरण के लिए द्रव प्रवाह या वेब निरीक्षण में। स्लाइड स्कैनिंग और सामग्री निरीक्षण जैसे अन्य अनुप्रयोगों में, विषय को गतिमान रखना प्रत्येक प्राप्त छवि के लिए गति को रोकने की तुलना में काफ़ी तेज़ और अधिक कुशल हो सकता है। हालाँकि, क्षेत्र-स्कैन कैमरों के लिए, यदि इमेजिंग विषय कैमरे के सापेक्ष गतिमान है, तो यह एक चुनौती पेश कर सकता है।
गति धुंधलापन, चलते वाहन की छवि को विकृत कर देता है
सीमित रोशनी वाली स्थितियों में या जहाँ उच्च छवि गुणवत्ता की आवश्यकता होती है, वहाँ लंबे समय तक कैमरा एक्सपोज़र की आवश्यकता हो सकती है। हालाँकि, एक्सपोज़र के दौरान विषय की गति उसके प्रकाश को कई कैमरा पिक्सेल पर फैला देती है, जिससे 'मोशन ब्लर' हो जाता है। एक्सपोज़र को बहुत कम रखकर इसे कम किया जा सकता है - विषय पर किसी बिंदु को कैमरा पिक्सेल को पार करने में लगने वाले समय से कम। यह हैunआमतौर पर अंधेरे, शोरगुल वाले, अक्सर अनुपयोगी चित्रों की कीमत पर।
●सिलाई
इसके अतिरिक्त, आमतौर पर एरिया स्कैन कैमरों से बड़े या निरंतर इमेजिंग विषयों की इमेजिंग के लिए कई छवियों को प्राप्त करने की आवश्यकता होती है, जिन्हें फिर एक साथ जोड़ दिया जाता है। इस सिलाई के लिए पड़ोसी छवियों के बीच पिक्सेल ओवरलैप करने पड़ते हैं, जिससे दक्षता कम हो जाती है और डेटा संग्रहण और प्रसंस्करण की आवश्यकता बढ़ जाती है।
●असमान रोशनी
इसके अलावा, सिले हुए चित्रों के बीच की सीमाओं पर समस्याओं और कलाकृतियों से बचने के लिए रोशनी शायद ही कभी पर्याप्त समान होगी। इसके अलावा, क्षेत्र-स्कैन कैमरे के लिए पर्याप्त तीव्रता के साथ पर्याप्त बड़े क्षेत्र में रोशनी प्रदान करने के लिए अक्सर उच्च-शक्ति, उच्च-लागत वाले डीसी प्रकाश स्रोतों के उपयोग की आवश्यकता होती है।
चूहे के मस्तिष्क की बहु-छवि अधिग्रहण सिलाई में असमान रोशनी। वाटसन एट अल. 2017 से छवि: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
टीडीआई कैमरा क्या है और यह कैसे मदद करता है?
पारंपरिक द्वि-आयामी क्षेत्र-स्कैन कैमरों में, छवि प्राप्त करने के तीन चरण होते हैं: पिक्सेल रीसेट, एक्सपोज़र और रीडआउट। एक्सपोज़र के दौरान, दृश्य से फोटॉन का पता लगाया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप फोटोइलेक्ट्रॉन बनते हैं, जो एक्सपोज़र के अंत तक कैमरे के पिक्सेल में संग्रहीत रहते हैं। फिर प्रत्येक पिक्सेल के मान पढ़े जाते हैं और एक द्वि-आयामी छवि बनाई जाती है। फिर पिक्सेल रीसेट हो जाते हैं और अगले एक्सपोज़र के लिए सभी आवेशों को साफ़ कर दिया जाता है।
हालाँकि, जैसा कि बताया गया है, यदि इमेजिंग विषय कैमरे के सापेक्ष गतिमान है, तो विषय से आने वाला प्रकाश इस एक्सपोज़र के दौरान कई पिक्सेल तक फैल सकता है, जिससे मोशन ब्लर हो सकता है। TDI कैमरे एक नवीन तकनीक का उपयोग करके इस सीमा को दूर करते हैं। इसे [एनिमेशन 1] में प्रदर्शित किया गया है।
●टीडीआई कैमरे कैसे काम करते हैं
टीडीआई कैमरे, एरिया स्कैन कैमरों से बिल्कुल अलग तरीके से काम करते हैं। एक्सपोज़र के दौरान, जैसे-जैसे इमेजिंग सब्जेक्ट कैमरे के आर-पार गति करता है, वैसे-वैसे प्राप्त छवि बनाने वाले इलेक्ट्रॉनिक चार्ज भी गति करते हैं और सिंक्रोनाइज़ रहते हैं। एक्सपोज़र के दौरान, टीडीआई कैमरे, इमेजिंग सब्जेक्ट की गति के साथ सिंक्रोनाइज़ करते हुए, पिक्सेल की एक पंक्ति से दूसरी पंक्ति में सभी प्राप्त चार्ज को स्थानांतरित करने में सक्षम होते हैं। जैसे-जैसे सब्जेक्ट कैमरे के आर-पार गति करता है, प्रत्येक पंक्ति (जिसे 'टीडीआई स्टेज' कहा जाता है), कैमरे को सब्जेक्ट के सामने एक्सपोज़ करने और सिग्नल एकत्रित करने का एक नया अवसर प्रदान करती है।
जब अर्जित आवेशों की एक पंक्ति कैमरे के अंत तक पहुँचती है, तभी मान पढ़े जाते हैं और छवि के एक-आयामी स्लाइस के रूप में संग्रहीत किए जाते हैं। द्वि-आयामी छवि, छवि के प्रत्येक क्रमिक स्लाइस को कैमरे द्वारा पढ़ते समय एक साथ चिपकाकर बनाई जाती है। परिणामी छवि में पिक्सेल की प्रत्येक पंक्ति, इमेजिंग विषय के समान 'स्लाइस' को ट्रैक और इमेज करती है, जिसका अर्थ है कि गति के बावजूद, कोई धुंधलापन नहीं है।
●256x लंबा एक्सपोज़र
टीडीआई कैमरों में, छवि का प्रभावी एक्सपोज़र समय, विषय पर किसी बिंदु द्वारा पिक्सेल की प्रत्येक पंक्ति को पार करने में लगने वाले पूरे समय से निर्धारित होता है, और कुछ टीडीआई कैमरों में 256 स्टेज तक उपलब्ध होते हैं। इसका अर्थ है कि उपलब्ध एक्सपोज़र समय, एरिया-स्कैन कैमरे द्वारा प्राप्त किए जा सकने वाले समय से प्रभावी रूप से 256 गुना अधिक होता है।
इससे दो में से कोई एक सुधार या दोनों का संतुलन प्राप्त हो सकता है। सबसे पहले, इमेजिंग गति में उल्लेखनीय वृद्धि प्राप्त की जा सकती है। एरिया स्कैन कैमरे की तुलना में, इमेजिंग विषय 256 गुना तक तेज़ी से गति कर सकता है और साथ ही उतनी ही मात्रा में सिग्नल कैप्चर कर सकता है, बशर्ते कैमरे की लाइन रेट पर्याप्त तेज़ हो।
दूसरी ओर, यदि अधिक संवेदनशीलता की आवश्यकता हो, तो अधिक लम्बा एक्सपोजर समय बहुत अधिक उच्च गुणवत्ता वाली छवियां, कम रोशनी की तीव्रता, या दोनों ही प्राप्त कर सकता है।
●सिलाई के बिना बड़ा डेटा थ्रूपुट
चूँकि TDI कैमरा लगातार एक-आयामी स्लाइस से एक द्वि-आयामी छवि बनाता है, इसलिए परिणामी छवि आवश्यकतानुसार बड़ी हो सकती है। जबकि 'क्षैतिज' दिशा में पिक्सेल की संख्या कैमरे की चौड़ाई द्वारा निर्धारित होती है, उदाहरण के लिए 9072 पिक्सेल, छवि का 'ऊर्ध्वाधर' आकार असीमित होता है, और यह केवल इस बात से निर्धारित होता है कि कैमरा कितनी देर तक चलता है। 510kHz तक की लाइन दरों के साथ, यह विशाल डेटा थ्रूपुट प्रदान कर सकता है।
इसके साथ, TDI कैमरे बहुत विस्तृत दृश्य क्षेत्र प्रदान कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, 5µm पिक्सेल वाला 9072 पिक्सेल कैमरा उच्च रिज़ॉल्यूशन के साथ 45 मिमी का क्षैतिज दृश्य क्षेत्र प्रदान करता है। 5µm पिक्सेल क्षेत्र स्कैन कैमरे के साथ समान इमेजिंग चौड़ाई प्राप्त करने के लिए, साथ-साथ तीन 4K कैमरों की आवश्यकता होगी।
●लाइन स्कैन कैमरों में सुधार
टीडीआई कैमरे सिर्फ़ एरिया स्कैन कैमरों की तुलना में बेहतर प्रदर्शन ही नहीं करते। लाइन स्कैन कैमरे, जो पिक्सेल की सिर्फ़ एक पंक्ति ही कैप्चर करते हैं, उनमें भी रोशनी की तीव्रता और कम एक्सपोज़र जैसी कई समस्याएँ एरिया स्कैन कैमरों जैसी ही होती हैं।
यद्यपि TDI कैमरों की तरह, लाइन स्कैन कैमरे भी सरल सेटअप के साथ अधिक समान रोशनी प्रदान करते हैं और इमेज स्टिचिंग की आवश्यकता से बचते हैं, फिर भी उच्च-गुणवत्ता वाली छवि के लिए पर्याप्त सिग्नल कैप्चर करने हेतु अक्सर उन्हें बहुत तीव्र रोशनी और/या विषय की धीमी गति की आवश्यकता हो सकती है। TDI कैमरे लंबे एक्सपोज़र और तेज़ विषय गति प्रदान करते हैं, जिससे कम तीव्रता और कम लागत वाली लाइटिंग का उपयोग किया जा सकता है और साथ ही इमेजिंग दक्षता में भी सुधार होता है। उदाहरण के लिए, एक उत्पादन लाइन उच्च-लागत, उच्च बिजली खपत वाली हैलोजन लाइटों से, जिन्हें DC पावर की आवश्यकता होती है, LED लाइटिंग में स्थानांतरित हो सकती है।
टीडीआई कैमरे कैसे काम करते हैं?
कैमरा सेंसर पर TDI इमेजिंग प्राप्त करने के लिए तीन सामान्य मानक हैं।
● सीसीडी टीडीआई– सीसीडी कैमरे डिजिटल कैमरों की सबसे पुरानी शैली हैं। अपने इलेक्ट्रॉनिक डिज़ाइन के कारण, सीसीडी पर टीडीआई व्यवहार प्राप्त करना अपेक्षाकृत बहुत आसान है, क्योंकि कई कैमरा सेंसर स्वाभाविक रूप से इस तरह से काम करने में सक्षम होते हैं। इसलिए, टीडीआई सीसीडी दशकों से उपयोग में हैं।
हालाँकि, सीसीडी तकनीक की अपनी सीमाएँ हैं। सीसीडी टीडीआई कैमरों के लिए आमतौर पर उपलब्ध सबसे छोटा पिक्सेल आकार लगभग 12µm x 12µm होता है - यह, पिक्सेल की छोटी संख्या के साथ, कैमरों की बारीक विवरणों को समझने की क्षमता को सीमित करता है। इसके अलावा, अन्य तकनीकों की तुलना में इसकी गति कम होती है, जबकि रीड नॉइज़ - कम रोशनी में इमेजिंग में एक प्रमुख सीमित कारक - अधिक होता है। बिजली की खपत भी अधिक होती है, जो कुछ अनुप्रयोगों में एक प्रमुख कारक है। इसी कारण CMOS आर्किटेक्चर पर आधारित टीडीआई कैमरे बनाने की इच्छा जागृत हुई।
●प्रारंभिक CMOS TDI: वोल्टेज-डोमेन और डिजिटल योग
CMOS कैमरे, CCD कैमरों की शोर और गति संबंधी कई सीमाओं को पार करते हैं, कम बिजली की खपत करते हैं और छोटे पिक्सेल आकार प्रदान करते हैं। हालाँकि, पिक्सेल डिज़ाइन के कारण, CMOS कैमरों पर TDI व्यवहार प्राप्त करना कहीं अधिक कठिन था। जहाँ CCD सेंसर को नियंत्रित करने के लिए फोटोइलेक्ट्रॉनों को एक पिक्सेल से दूसरे पिक्सेल तक भौतिक रूप से स्थानांतरित करते हैं, वहीं CMOS कैमरे रीडआउट से पहले फोटोइलेक्ट्रॉनों में संकेतों को प्रत्येक पिक्सेल में वोल्टेज में परिवर्तित करते हैं।
CMOS सेंसर पर TDI के व्यवहार का 2001 से अध्ययन किया जा रहा है, हालाँकि, एक पंक्ति से दूसरी पंक्ति में एक्सपोज़र के बढ़ने पर सिग्नल के 'संचय' को कैसे संभाला जाए, यह चुनौती महत्वपूर्ण थी। CMOS TDI के लिए दो प्रारंभिक विधियाँ, जिनका उपयोग आज भी वाणिज्यिक कैमरों में किया जाता है, वोल्टेज-डोमेन संचयन और डिजिटल समिंग TDI CMOS हैं। वोल्टेज-डोमेन संचयन कैमरों में, जैसे-जैसे इमेजिंग विषय आगे बढ़ता है, सिग्नल की प्रत्येक पंक्ति प्राप्त होती है, प्राप्त वोल्टेज इलेक्ट्रॉनिक रूप से छवि के उस भाग के कुल अधिग्रहण में जुड़ जाता है। इस प्रकार वोल्टेज का संचयन प्रत्येक अतिरिक्त TDI चरण के लिए अतिरिक्त शोर उत्पन्न करता है, जिससे अतिरिक्त चरणों के लाभ सीमित हो जाते हैं। रैखिकता संबंधी समस्याएँ भी सटीक अनुप्रयोगों के लिए इन कैमरों के उपयोग को चुनौती देती हैं।
दूसरी विधि डिजिटल समिंग TDI है। इस विधि में, एक CMOS कैमरा प्रभावी रूप से एरिया स्कैन मोड में चलता है, जिसमें इमेजिंग विषय द्वारा पिक्सेल की एक पंक्ति में गति करने में लगने वाले समय के अनुसार बहुत कम एक्सपोज़र होता है। लेकिन, प्रत्येक क्रमिक फ़्रेम की पंक्तियों को डिजिटल रूप से इस प्रकार जोड़ा जाता है कि एक TDI प्रभाव प्राप्त होता है। चूँकि परिणामी छवि में पिक्सेल की प्रत्येक पंक्ति के लिए पूरे कैमरे को पढ़ना आवश्यक होता है, इसलिए यह डिजिटल जोड़ प्रत्येक पंक्ति के लिए रीड नॉइज़ भी जोड़ता है, और अधिग्रहण की गति को सीमित करता है।
●आधुनिक मानक: चार्ज-डोमेन TDI CMOS, या CCD-on-CMOS TDI
CMOS TDI की उपरोक्त सीमाएँ हाल ही में चार्ज-डोमेन संचय TDI CMOS, जिसे CCD-on-CMOS TDI भी कहा जाता है, के आगमन से दूर हो गई हैं। इन सेंसरों का संचालन [एनिमेशन 1] में प्रदर्शित किया गया है। जैसा कि नाम से ही स्पष्ट है, ये सेंसर एक पिक्सेल से दूसरे पिक्सेल तक आवेशों की CCD जैसी गति प्रदान करते हैं, और प्रत्येक TDI चरण पर अलग-अलग आवेशों के स्तर पर फोटोइलेक्ट्रॉनों के योग के माध्यम से सिग्नल संचित करते हैं। यह प्रभावी रूप से शोर-मुक्त है। हालाँकि, CCD TDI की सीमाएँ CMOS रीडआउट आर्किटेक्चर के उपयोग से दूर हो जाती हैं, जिससे CMOS कैमरों में सामान्य उच्च गति, कम शोर और कम बिजली की खपत संभव हो जाती है।
टीडीआई विनिर्देश: क्या मायने रखता है?
●तकनीकी:सबसे महत्वपूर्ण कारक यह है कि किस सेंसर तकनीक का उपयोग किया गया है, जैसा कि ऊपर चर्चा की गई है। चार्ज-डोमेन CMOS TDI सबसे अच्छा प्रदर्शन देगा।
●टीडीआई चरण:यह सेंसर की पंक्तियों की संख्या है जिन पर सिग्नल संचित हो सकता है। कैमरे में जितने अधिक TDI चरण होंगे, उसका प्रभावी एक्सपोज़र समय उतना ही लंबा हो सकता है। या, इमेजिंग विषय उतनी ही तेज़ी से गति कर सकता है, बशर्ते कैमरे में पर्याप्त लाइन दर हो।
●लाइन दर:कैमरा प्रति सेकंड कितनी पंक्तियाँ पढ़ सकता है? यह इस बात पर निर्भर करता है कि कैमरा अधिकतम कितनी गति बनाए रख सकता है।
●क्वांटम दक्षता: यह विभिन्न तरंगदैर्घ्यों पर प्रकाश के प्रति कैमरे की संवेदनशीलता को दर्शाता है, जो किसी आपतित फोटॉन के पता लगने और एक फोटोइलेक्ट्रॉन उत्पन्न करने की संभावना से निर्धारित होता है। उच्च क्वांटम दक्षता समान सिग्नल स्तरों को बनाए रखते हुए कम प्रदीप्ति शक्ति, या तेज़ संचालन प्रदान कर सकती है।
इसके अतिरिक्त, कैमरे तरंगदैर्ध्य सीमा के मामले में भिन्न होते हैं जिस पर अच्छी संवेदनशीलता प्राप्त की जा सकती है, कुछ कैमरे स्पेक्ट्रम के अल्ट्रा-वायलेट (यूवी) छोर तक, लगभग 200nm तरंगदैर्ध्य पर संवेदनशीलता प्रदान करते हैं।
●पठन शोर:रीड नॉइज़ कैमरे की संवेदनशीलता का एक अन्य महत्वपूर्ण कारक है, जो कैमरे के नॉइज़ फ़्लोर से ऊपर पहचाने जा सकने वाले न्यूनतम सिग्नल को निर्धारित करता है। उच्च रीड नॉइज़ के साथ, गहरे रंग की विशेषताओं का पता नहीं लगाया जा सकता है और डायनेमिक रेंज बहुत कम हो जाती है, जिसका अर्थ है कि अधिक चमकदार रोशनी या लंबे एक्सपोज़र समय और धीमी गति से गति का उपयोग करना होगा।
टीडीआई विनिर्देश: क्या मायने रखता है?
वर्तमान में, टीडीआई कैमरों का उपयोग वेब निरीक्षण, इलेक्ट्रॉनिक्स और विनिर्माण निरीक्षण, और अन्य मशीन-विज़न अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है। इसके साथ ही, फ्लोरोसेंस इमेजिंग और स्लाइड स्कैनिंग जैसे चुनौतीपूर्ण कम-प्रकाश अनुप्रयोगों में भी इसका उपयोग किया जाता है।
हालाँकि, उच्च गति, कम शोर, उच्च संवेदनशीलता वाले TDI CMOS कैमरों के आगमन के साथ, उन नए अनुप्रयोगों में गति और दक्षता में वृद्धि की अपार संभावनाएँ हैं जहाँ पहले केवल क्षेत्र-स्कैन कैमरों का उपयोग किया जाता था। जैसा कि हमने लेख की शुरुआत में बताया था, TDI कैमरे उच्च गति और उच्च छवि गुणवत्ता प्राप्त करने के लिए सबसे अच्छा विकल्प हो सकते हैं, चाहे वे पहले से ही निरंतर गतिमान विषयों की इमेजिंग के लिए हों, या जहाँ कैमरे को स्थिर इमेजिंग विषयों पर स्कैन किया जा सकता हो।
उदाहरण के लिए, माइक्रोस्कोपी अनुप्रयोग में, हम 5 µm पिक्सेल वाले 9K पिक्सेल, 256 स्टेज TDI कैमरे की सैद्धांतिक अधिग्रहण गति की तुलना 5 µm पिक्सेल वाले 12MP कैमरा क्षेत्र स्कैन कैमरे से कर सकते हैं। आइए स्टेज को घुमाकर 20x आवर्धन वाले 10 x 10 मिमी क्षेत्र को प्राप्त करने का परीक्षण करें।
1. क्षेत्र स्कैन कैमरे के साथ 20x ऑब्जेक्टिव का उपयोग करने से 1.02 x 0.77 मिमी का इमेजिंग दृश्य क्षेत्र प्राप्त होगा।
2. टीडीआई कैमरे के साथ, 2x अतिरिक्त आवर्धन के साथ 10x ऑब्जेक्टिव का उपयोग माइक्रोस्कोप के दृश्य क्षेत्र में किसी भी सीमा को दूर करने के लिए किया जा सकता है, जिससे 2.3 मिमी क्षैतिज इमेजिंग दृश्य क्षेत्र प्रदान किया जा सकता है।
3. सिलाई के लिए छवियों के बीच 2% पिक्सेल ओवरलैप, स्टेज को एक निश्चित स्थान पर ले जाने में 0.5 सेकंड और 10 मिलीसेकंड एक्सपोज़र समय मानते हुए, हम उस समय की गणना कर सकते हैं जो क्षेत्र स्कैन कैमरा लेगा। इसी प्रकार, हम उस समय की गणना कर सकते हैं जो TDI कैमरा लेगा यदि स्टेज को Y दिशा में स्कैन करने के लिए निरंतर गति में रखा जाए, और प्रत्येक पंक्ति के लिए एक्सपोज़र समय समान हो।
4. इस स्थिति में, एरिया स्कैन कैमरे को 140 चित्र प्राप्त करने होंगे, और स्टेज को हिलाने में 63 सेकंड लगेंगे। TDI कैमरा केवल 5 लंबी तस्वीरें प्राप्त करेगा, और स्टेज को अगले कॉलम में ले जाने में केवल 2 सेकंड लगेंगे।
5. 10 x 10 मिमी क्षेत्र प्राप्त करने में कुल कितना समय लगेगा?क्षेत्र स्कैन कैमरा के लिए 64.4 सेकंड,और बसटीडीआई कैमरे के लिए 9.9 सेकंड।
यदि आप यह जानना चाहते हैं कि क्या कोई TDI कैमरा आपके अनुप्रयोग तथा आपकी आवश्यकताओं के अनुरूप है, तो आज ही हमसे संपर्क करें।
