टीडीआई कैमरे 101: वे क्या हैं और कैसे काम करते हैं |

औद्योगिक और वैज्ञानिक इमेजिंग में, कम रोशनी में तेज़ गति से चलती वस्तुओं को कैद करना एक निरंतर चुनौती होती है। यहीं पर टाइम डिले इंटीग्रेशन (TDI) कैमरे काम आते हैं। TDI तकनीक मोशन सिंक्रोनाइज़ेशन और मल्टीपल एक्सपोज़र को मिलाकर असाधारण संवेदनशीलता और छवि स्पष्टता प्रदान करती है, खासकर उच्च गति वाले वातावरण में।

टीडीआई कैमरा क्या है?

टीडीआई कैमरा एक विशेष लाइन स्कैन कैमरा है जो गतिशील वस्तुओं की तस्वीरें लेता है। मानक एरिया स्कैन कैमरों के विपरीत, जो एक ही बार में पूरे फ्रेम को एक्सपोज़ करते हैं, टीडीआई कैमरे वस्तु की गति के साथ तालमेल बिठाते हुए पिक्सेल की एक पंक्ति से दूसरी पंक्ति में चार्ज स्थानांतरित करते हैं। विषय के हिलने पर प्रत्येक पिक्सेल पंक्ति प्रकाश को संचित करती है, जिससे एक्सपोज़र समय प्रभावी रूप से बढ़ता है और मोशन ब्लर उत्पन्न किए बिना सिग्नल की शक्ति बढ़ती है।

यह चार्ज एकीकरण सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआर) को नाटकीय रूप से बढ़ा देता है, जिससे टीडीआई कैमरे उच्च गति या कम रोशनी वाले अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बन जाते हैं।

टीडीआई कैमरा कैसे काम करता है?

टीडीआई कैमरे का संचालन चित्र 1 में दर्शाया गया है।

चित्र 1: समय विलंब एकीकरण (TDI) सेंसर का संचालन

टिप्पणी: टीडीआई कैमरे, गतिशील इमेजिंग विषय के साथ समन्वय में, अर्जित आवेशों को कई 'चरणों' में स्थानांतरित करते हैं। प्रत्येक चरण प्रकाश के संपर्क में आने का एक अतिरिक्त अवसर प्रदान करता है। एक टीडीआई सेंसर के 5-स्तंभ x 5-चरण खंड के साथ, कैमरे पर घूमते हुए एक चमकीले 'टी' द्वारा चित्रित। टक्सन ध्याना 9KTDI, हाइब्रिड CCD-शैली आवेश गति लेकिन CMOS-शैली समानांतर रीडआउट के साथ।

टीडीआई कैमरे प्रभावी रूप से लाइन स्कैन कैमरे होते हैं, जिनमें एक महत्वपूर्ण अंतर होता है: इमेजिंग विषय पर कैमरे को स्कैन करते समय डेटा प्राप्त करने वाली पिक्सेल की एक पंक्ति के बजाय, टीडीआई कैमरों में कई पंक्तियाँ होती हैं, जिन्हें 'स्टेज' के रूप में जाना जाता है, जो आमतौर पर 256 तक होती हैं।

हालाँकि, ये पंक्तियाँ किसी एरिया-स्कैन कैमरे की तरह द्वि-आयामी छवि नहीं बनातीं। इसके बजाय, जैसे ही स्कैन किया गया इमेजिंग विषय कैमरा सेंसर पर गति करता है, प्रत्येक पिक्सेल में संसूचित फोटोइलेक्ट्रॉन, इमेजिंग विषय की गति के साथ तालमेल बिठाते हुए अगली पंक्ति में चले जाते हैं, बिना पढ़े ही। प्रत्येक अतिरिक्त पंक्ति, इमेजिंग विषय को प्रकाश में लाने का एक अतिरिक्त अवसर प्रदान करती है। जब कोई इमेज स्लाइस सेंसर के पिक्सेल की अंतिम पंक्ति तक पहुँचती है, तभी वह पंक्ति मापन के लिए रीडआउट आर्किटेक्चर को भेजी जाती है।

इसलिए, कैमरा स्टेजों पर कई मापों के बावजूद, कैमरा रीड नॉइज़ का केवल एक ही उदाहरण सामने आता है। 256-स्टेज वाला TDI कैमरा नमूने को 256 गुना ज़्यादा समय तक दृश्य में रखता है, और इसलिए इसका एक्सपोज़र समय समकक्ष लाइन स्कैन कैमरे की तुलना में 256 गुना ज़्यादा होता है। एरिया स्कैन कैमरे के साथ समान एक्सपोज़र समय अत्यधिक मोशन ब्लर उत्पन्न करेगा, जिससे छवि बेकार हो जाएगी।

टीडीआई का उपयोग कब किया जा सकता है?

टीडीआई कैमरे किसी भी इमेजिंग अनुप्रयोग के लिए एक उत्कृष्ट समाधान हैं, जहां इमेजिंग विषय कैमरे के सापेक्ष गति में होता है, बशर्ते कि कैमरे के दृश्य में गति एक समान हो।

इसलिए, टीडीआई इमेजिंग के अनुप्रयोगों में, एक ओर, लाइन स्कैनिंग के वे सभी अनुप्रयोग शामिल हैं जहाँ द्वि-आयामी चित्र बनते हैं, जिससे तेज़ गति, बेहतर कम-प्रकाश संवेदनशीलता, बेहतर छवि गुणवत्ता, या ये तीनों एक साथ प्राप्त होते हैं। दूसरी ओर, ऐसी कई इमेजिंग तकनीकें हैं जिनमें एरिया-स्कैन कैमरों का उपयोग किया जाता है, जहाँ टीडीआई कैमरों का उपयोग किया जा सकता है।

उच्च-संवेदनशीलता वाले sCMOS TDI के लिए, जैविक प्रतिदीप्ति सूक्ष्मदर्शी में 'टाइल और स्टिच' इमेजिंग, टाइलिंग के स्थान पर स्टेज के निरंतर स्कैन का उपयोग करके की जा सकती है। या सभी TDI निरीक्षण अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हो सकते हैं। TDI का एक अन्य महत्वपूर्ण अनुप्रयोग इमेजिंग फ़्लो साइटोमेट्री है, जहाँ कोशिकाओं की प्रतिदीप्ति छवियाँ तब प्राप्त की जाती हैं जब वे एक माइक्रोफ्लुइडिक चैनल से प्रवाहित होते हुए कैमरे से गुजरती हैं।

एससीएमओएस टीडीआई के फायदे और नुकसान

पेशेवरों

● इमेजिंग विषय पर स्कैन करते समय उच्च गति पर मनमाने आकार की 2-आयामी छवियों को कैप्चर कर सकता है।
● एकाधिक टीडीआई चरण, कम शोर और उच्च क्यूई लाइन स्कैन कैमरों की तुलना में अत्यधिक उच्च संवेदनशीलता का कारण बन सकते हैं।
● बहुत उच्च रीडआउट गति प्राप्त की जा सकती है, उदाहरण के लिए, 9,072 पिक्सेल चौड़ी छवि के लिए 510,000Hz (लाइनें प्रति सेकंड) तक।
●प्रकाश केवल एक-आयामी होना चाहिए और दूसरे (स्कैन किए गए) आयाम में किसी समतल-क्षेत्र या अन्य सुधार की आवश्यकता नहीं हो सकती। इसके अतिरिक्त, लाइन स्कैन की तुलना में लंबा एक्सपोज़र समय एसी प्रकाश स्रोतों के कारण होने वाली झिलमिलाहट को 'सुचारू' कर सकता है।
● गतिशील छवियों को बिना किसी गति धुंधलापन के तथा उच्च गति और संवेदनशीलता के साथ प्राप्त किया जा सकता है।
●बड़े क्षेत्रों को स्कैन करना क्षेत्र स्कैन कैमरों की तुलना में काफी तेज हो सकता है।
● उन्नत सॉफ्टवेयर या ट्रिगरिंग सेटअप के साथ, 'एरिया-स्कैन-जैसा' मोड फोकस और संरेखण के लिए एरिया-स्कैन अवलोकन प्रदान कर सकता है।

दोष

● पारंपरिक sCMOS कैमरों की तुलना में अभी भी अधिक शोर है, जिसका अर्थ है कि अल्ट्रा-लो-लाइट अनुप्रयोग पहुंच से बाहर हैं।
● इमेजिंग विषय की गति को कैमरे की स्कैनिंग के साथ सिंक्रनाइज़ करने के लिए उन्नत ट्रिगरिंग के साथ विशेषज्ञ सेटअप की आवश्यकता होती है, गति पर बहुत अच्छा नियंत्रण, या सिंक्रनाइज़ेशन को सक्षम करने के लिए गति की सटीक भविष्यवाणी।
● एक नई तकनीक के रूप में, हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर कार्यान्वयन के लिए वर्तमान में कुछ ही समाधान मौजूद हैं।

कम रोशनी में सक्षम sCMOS TDI

जबकि इमेजिंग तकनीक के रूप में टीडीआई डिजिटल इमेजिंग से पहले की है, और बहुत पहले ही प्रदर्शन में लाइन स्कैन से आगे निकल गई थी, केवल पिछले कुछ वर्षों में ही टीडीआई कैमरों ने कम रोशनी वाले अनुप्रयोगों तक पहुंचने के लिए आवश्यक संवेदनशीलता हासिल की है, जिसके लिए आमतौर पर वैज्ञानिक-ग्रेड की संवेदनशीलता की आवश्यकता होती है।एससीएमओएस कैमरे.

'sCMOS TDI' सेंसर पर आवेशों की CCD-शैली की गति को sCMOS-शैली के रीडआउट के साथ जोड़ता है, जिसमें बैक-इल्युमिनेटेड सेंसर उपलब्ध हैं। पिछले CCD-आधारित या विशुद्ध रूप से CMOS-आधारित* TDI कैमरों में रीडआउट बहुत धीमा था, पिक्सेल संख्या कम थी, स्टेज कम थे, और रीड नॉइज़ 30e- से >100e- के बीच था। इसके विपरीत, टक्सन जैसे sCMOS TDI कैमरों मेंध्यान 9KTDI sCMOS कैमरा7.2e- का रीड नॉइज़ प्रदान करता है, जो बैक-इल्युमिनेशन के माध्यम से उच्च क्वांटम दक्षता के साथ संयुक्त है, जिससे पहले की तुलना में काफी कम प्रकाश स्तर के अनुप्रयोगों में TDI का उपयोग संभव हो पाता है।

कई अनुप्रयोगों में, TDI प्रक्रिया द्वारा सक्षम किया गया लंबा एक्सपोज़र समय, 1e- के करीब रीड नॉइज़ वाले उच्च गुणवत्ता वाले sCMOS क्षेत्र-स्कैन कैमरों की तुलना में रीड नॉइज़ में वृद्धि की भरपाई कर सकता है।

टीडीआई कैमरों के सामान्य अनुप्रयोग

टीडीआई कैमरे कई उद्योगों में पाए जाते हैं जहां परिशुद्धता और गति समान रूप से महत्वपूर्ण हैं:

● सेमीकंडक्टर वेफर निरीक्षण
● फ्लैट पैनल डिस्प्ले (एफपीडी) परीक्षण
● वेब निरीक्षण (कागज़, फिल्म, पन्नी, वस्त्र)
● चिकित्सा निदान या सामान जांच में एक्स-रे स्कैनिंग
● डिजिटल पैथोलॉजी में स्लाइड और मल्टी-वेल प्लेट स्कैनिंग
● रिमोट सेंसिंग या कृषि में हाइपरस्पेक्ट्रल इमेजिंग
● एसएमटी लाइनों में पीसीबी और इलेक्ट्रॉनिक्स निरीक्षण

ये अनुप्रयोग वास्तविक दुनिया की बाधाओं के तहत TDI इमेजिंग द्वारा प्रदान की जाने वाली उन्नत कंट्रास्ट, गति और स्पष्टता से लाभान्वित होते हैं।

उदाहरण: स्लाइड और मल्टी-वेल प्लेट स्कैनिंग

जैसा कि बताया गया है, sCMOS TDI कैमरों के लिए एक महत्वपूर्ण अनुप्रयोग स्टिचिंग अनुप्रयोग है, जिसमें स्लाइड या मल्टी-वेल प्लेट स्कैनिंग शामिल है। द्वि-आयामी क्षेत्र कैमरों से बड़े फ्लोरोसेंट या ब्राइटफील्ड माइक्रोस्कोपी नमूनों की स्कैनिंग, XY माइक्रोस्कोप स्टेज की कई गतिविधियों से बनी छवियों के ग्रिड को स्टिच करने पर निर्भर करती है। प्रत्येक छवि के लिए स्टेज को रुकने, स्थिर होने और फिर से चालू होने की आवश्यकता होती है, साथ ही रोलिंग शटर में किसी भी प्रकार की देरी भी आवश्यक होती है। दूसरी ओर, TDI, स्टेज के गतिमान होने पर भी छवियों को प्राप्त कर सकता है। फिर छवि कुछ लंबी 'पट्टियों' से बनती है, जिनमें से प्रत्येक नमूने की पूरी चौड़ाई को कवर करती है। इससे इमेजिंग स्थितियों के आधार पर, सभी स्टिचिंग अनुप्रयोगों में अधिग्रहण गति और डेटा थ्रूपुट में उल्लेखनीय वृद्धि हो सकती है।

स्टेज की गति TDI कैमरे के कुल एक्सपोज़र समय के व्युत्क्रमानुपाती होती है, इसलिए कम एक्सपोज़र समय (1-20ms) क्षेत्र स्कैन कैमरों की तुलना में इमेजिंग गति में सबसे अधिक सुधार प्रदान करते हैं, जिससे कुल अधिग्रहण समय में एक क्रम या उससे भी अधिक कमी आ सकती है। लंबे एक्सपोज़र समय (जैसे > 100ms) के लिए, क्षेत्र स्कैन आमतौर पर समय लाभ बनाए रख सकता है।

केवल दस सेकंड में बनाई गई एक बहुत बड़ी (2 गीगापिक्सेल) प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी छवि का एक उदाहरण चित्र 2 में दिखाया गया है। एक क्षेत्र स्कैन कैमरे के साथ बनाई गई एक समतुल्य छवि में कई मिनट तक का समय लग सकता है।

चित्र 2: टीडीआई स्कैनिंग और सिलाई के माध्यम से 10 सेकंड में बनाई गई 2 गीगापिक्सेल छवि

टिप्पणी: ट्यूक्सेन ध्यान 9kTDI का उपयोग करके प्राप्त हाइलाइटर पेन डॉट्स की 10x आवर्धन छवि, जिसे प्रतिदीप्ति सूक्ष्मदर्शी से देखा गया। 3.6 मिलीसेकंड एक्सपोज़र समय का उपयोग करके 10 सेकंड में प्राप्त की गई। छवि आयाम: 30 मिमी x 17 मिमी, 58,000 x 34,160 पिक्सेल।

TDI को सिंक्रनाइज़ करना

टीडीआई कैमरे का इमेजिंग विषय के साथ (कुछ प्रतिशत के भीतर) समन्वय आवश्यक है – वेग का बेमेल होना 'गति धुंधलापन' प्रभाव पैदा करेगा। यह समन्वय दो तरीकों से किया जा सकता है:

भविष्य कहनेवालाकैमरे की गति को नमूने की गति, प्रकाशिकी (आवर्धन), और कैमरे के पिक्सेल आकार के ज्ञान के आधार पर गति की गति से मेल खाने के लिए सेट किया जाता है। या परीक्षण और त्रुटि।

उत्प्रेरितइमेजिंग विषयों को गति देने वाले कई माइक्रोस्कोप स्टेज, गैन्ट्री और अन्य उपकरणों में एनकोडर शामिल हो सकते हैं जो एक निश्चित गति दूरी के लिए कैमरे को एक ट्रिगर पल्स भेजते हैं। इससे स्टेज/गैन्ट्री और कैमरा गति की गति की परवाह किए बिना सिंक में बने रहते हैं।

टीडीआई कैमरा बनाम लाइन स्कैन और एरिया स्कैन कैमरा

अन्य लोकप्रिय इमेजिंग प्रौद्योगिकियों की तुलना में TDI इस प्रकार है:

विशेषता	टीडीआई कैमरा	लाइन स्कैन कैमरा	क्षेत्र स्कैन कैमरा
संवेदनशीलता	बहुत ऊँचा	मध्यम	निम्न से मध्यम
छवि गुणवत्ता (गति)	उत्कृष्ट	अच्छा	उच्च गति पर धुंधला
प्रकाश की आवश्यकताएं	कम	मध्यम	उच्च
गति संगतता	उत्कृष्ट (यदि समकालिक)	अच्छा	गरीब
सर्वश्रेष्ठ के लिए	उच्च गति, कम रोशनी	तेज़ गति से चलने वाली वस्तुएँ	स्थिर या धीमे दृश्य

जब दृश्य तेज़ी से घूम रहा हो और प्रकाश का स्तर सीमित हो, तो TDI एक स्पष्ट विकल्प है। लाइन स्कैन संवेदनशीलता में एक कदम नीचे है, जबकि सरल या स्थिर सेटअप के लिए एरिया स्कैन बेहतर है।

सही TDI कैमरा चुनना

टीडीआई कैमरा चुनते समय निम्नलिखित बातों पर विचार करें:

● टीडीआई चरणों की संख्या: अधिक चरणों से एसएनआर बढ़ता है, लेकिन लागत और जटिलता भी बढ़ती है।
● सेंसर प्रकार: sCMOS को इसकी गति और कम शोर के लिए पसंद किया जाता है; CCD अभी भी कुछ विरासत प्रणालियों के लिए उपयुक्त हो सकता है।
● इंटरफ़ेस: अपने सिस्टम के साथ संगतता सुनिश्चित करें - कैमरा लिंक, कोएक्सप्रेस और 10GigE सामान्य विकल्प हैं, 100G CoF और 40G CoF नए रुझान के रूप में उभरे हैं।
● वर्णक्रमीय प्रतिक्रिया: अनुप्रयोग की आवश्यकताओं के आधार पर मोनोक्रोम, रंग, या निकट-अवरक्त (NIR) के बीच चुनें।
● सिंक्रनाइज़ेशन विकल्प: बेहतर गति संरेखण के लिए एनकोडर इनपुट या बाहरी ट्रिगर समर्थन जैसी सुविधाओं की तलाश करें।

यदि आपके अनुप्रयोग में नाजुक जैविक नमूने, उच्च गति निरीक्षण, या कम प्रकाश वाले वातावरण शामिल हैं, तो sCMOS TDI संभवतः सही विकल्प है।

निष्कर्ष

टीडीआई कैमरे इमेजिंग तकनीक में एक शक्तिशाली विकास का प्रतिनिधित्व करते हैं, खासकर जब इन्हें एससीएमओएस सेंसर पर बनाया जाता है। मोशन सिंक्रोनाइज़ेशन को मल्टी-लाइन इंटीग्रेशन के साथ जोड़कर, ये गतिशील, कम रोशनी वाले दृश्यों के लिए बेजोड़ संवेदनशीलता और स्पष्टता प्रदान करते हैं।

चाहे आप वेफर्स का निरीक्षण कर रहे हों, स्लाइड्स को स्कैन कर रहे हों, या उच्च गति निरीक्षण कर रहे हों, यह समझना कि टीडीआई कैसे काम करता है, आपको सबसे अच्छा समाधान चुनने में मदद कर सकता हैवैज्ञानिक कैमरेआपकी इमेजिंग चुनौतियों के लिए.

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

क्या टीडीआई कैमरे एरिया स्कैन मोड में काम कर सकते हैं?

टीडीआई कैमरे सेंसर टाइमिंग की एक ट्रिक के ज़रिए 'एरिया-स्कैन-लाइक' मोड में (बहुत पतली) द्वि-आयामी तस्वीरें बना सकते हैं। यह फ़ोकस और अलाइनमेंट जैसे कामों में मददगार हो सकता है।

'एरिया-स्कैन एक्सपोज़र' शुरू करने के लिए, सेंसर को पहले TDI को कम से कम उतने चरणों में आगे बढ़ाकर 'क्लियर' किया जाता है जितने चरण कैमरे के होते हैं, जितनी जल्दी हो सके, और फिर रोक दिया जाता है। यह या तो सॉफ़्टवेयर नियंत्रण या हार्डवेयर ट्रिगरिंग के माध्यम से किया जाता है, और आदर्श रूप से अंधेरे में किया जाता है। उदाहरण के लिए, एक 256-स्टेज कैमरे को कम से कम 256 पंक्तियाँ पढ़नी चाहिए, फिर रुक जाना चाहिए। डेटा की ये 256 पंक्तियाँ हटा दी जाती हैं।

जब कैमरा चालू नहीं होता या लाइनें नहीं पढ़ी जातीं, तो सेंसर एक क्षेत्र-स्कैन सेंसर की तरह ही व्यवहार करता है, जो छवि को उजागर करता है।

इसके बाद, कैमरे को निष्क्रिय अवस्था में रखते हुए, वांछित एक्सपोज़र समय बीत जाना चाहिए, और फिर कैमरे को कम से कम चरणों की संख्या तक आगे बढ़ाकर, प्राप्त छवि की प्रत्येक पंक्ति को पढ़ना चाहिए। एक बार फिर, आदर्श रूप से यह 'पढ़ा हुआ' चरण अंधेरे में होना चाहिए।

इस तकनीक को टीडीआई ऑपरेशन से न्यूनतम विरूपण और धुंधलापन के साथ 'लाइव पूर्वावलोकन' या क्षेत्र-स्कैन छवियों का अनुक्रम प्रदान करने के लिए दोहराया जा सकता है।