22.07.2013.Integracija vremenskog kašnjenja (TDI) je tehnika snimanja koja prethodi digitalnom snimanju, ali i dalje pruža ogromne prednosti na samom vrhuncu snimanja. Postoje dvije okolnosti u kojima TDI kamere mogu zablistati – obje kada je subjekt snimanja u pokretu:
1 – Subjekt snimanja inherentno se kreće konstantnom brzinom, kao kod inspekcije weba (kao što je skeniranje pokretnih listova papira, plastike ili tkanine radi otkrivanja nedostataka i oštećenja), montažnih traka ili mikrofluidike i tokova fluida.
2 – Statičko snimanje objekata koji se mogu snimiti kamerom koja se pomiče s područja na područje, bilo pomicanjem objekta ili kamere. Primjeri uključuju skeniranje mikroskopskih pločica, pregled materijala, pregled ravnih ploča itd.
Ako se bilo koja od ovih okolnosti može primijeniti na vaše snimanje, ova web stranica će vam pomoći da razmotrite hoće li prelazak s konvencionalnih dvodimenzionalnih kamera za 'površinsko skeniranje' na TDI kamere s linijskim skeniranjem poboljšati vaše snimanje.
Problem sa skeniranjem područja i pokretnim ciljevima
● Zamućenje pokreta
Neki subjekti snimanja nužno se kreću, na primjer pri pregledu protoka fluida ili mreže. U drugim primjenama, kao što su skeniranje slajdova i pregled materijala, održavanje subjekta u pokretu može biti znatno brže i učinkovitije od zaustavljanja kretanja za svaku snimljenu sliku. Međutim, za kamere s površinskim skeniranjem, ako se subjekt snimanja kreće u odnosu na kameru, to može predstavljati izazov.
Zamućenje pokreta koje iskrivljuje sliku vozila u pokretu
U situacijama s ograničenim osvjetljenjem ili gdje je potrebna visoka kvaliteta slike, možda će biti poželjno dugo vrijeme ekspozicije kamere. Međutim, kretanje subjekta će proširiti svjetlost na više piksela kamere tijekom ekspozicije, što će dovesti do 'zamućenja pokreta'. To se može smanjiti održavanjem ekspozicije vrlo kratkim - ispod vremena koje bi bilo potrebno da točka na subjektu prijeđe piksel kamere. To je...unobično na štetu tamnih, bučnih, često neupotrebljivih slika.
●Šivanje
Osim toga, snimanje velikih ili kontinuiranih objekata snimanja kamerama za skeniranje područja obično zahtijeva snimanje više slika, koje se zatim spajaju. Ovo spajanje zahtijeva preklapanje piksela između susjednih slika, što smanjuje učinkovitost i povećava zahtjeve za pohranu i obradu podataka.
●Neravnomjerno osvjetljenje
Štoviše, osvjetljenje će rijetko biti dovoljno ravnomjerno da se izbjegnu problemi i artefakti na granicama između spojenih slika. Također, kako bi se osiguralo osvjetljenje dovoljno velikog područja za kameru za skeniranje područja s dovoljnim intenzitetom, često je potrebna upotreba snažnih i skupih istosmjernih izvora svjetlosti.
Neravnomjerno osvjetljenje pri spajanju višeslojnog snimka mišjeg mozga. Slika iz rada Watsona i suradnika, 2017.: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Što je TDI kamera i kako pomaže?
U konvencionalnim dvodimenzionalnim kamerama za skeniranje područja, postoje tri faze snimanja slike: resetiranje piksela, ekspozicija i očitavanje. Tijekom ekspozicije detektiraju se fotoni iz scene, što rezultira fotoelektronima koji se pohranjuju u pikselima kamere do kraja ekspozicije. Vrijednosti iz svakog piksela se zatim očitavaju i formira se dvodimenzionalna slika. Pikseli se zatim resetiraju i svi naboji se brišu kako bi se započela sljedeća ekspozicija.
Međutim, kao što je spomenuto, ako se subjekt snimanja kreće u odnosu na kameru, svjetlost s subjekta može se proširiti na više piksela tijekom ove ekspozicije, što dovodi do zamućenja pokreta. TDI kamere prevladavaju ovo ograničenje inovativnom tehnikom. To je prikazano u [Animacija 1].
●Kako rade TDI kamere
TDI kamere rade na fundamentalno drugačiji način od kamera za površinsko skeniranje. Kako se subjekt snimanja kreće po kameri tijekom ekspozicije, elektronički naboji koji čine snimljenu sliku također se pomiču, ostajući sinkronizirani. Tijekom ekspozicije, TDI kamere mogu premještati sve stečene naboje iz jednog reda piksela u sljedeći, duž kamere, sinkronizirano s kretanjem subjekta snimanja. Kako se subjekt kreće po kameri, svaki red (poznat kao 'TDI pozornica') pruža novu priliku za izlaganje kamere subjektu i akumuliranje signala.
Nakon što niz prikupljenih naboja dosegne kraj kamere, tek tada se vrijednosti očitavaju i pohranjuju kao jednodimenzionalni dio slike. Dvodimenzionalna slika nastaje lijepljenjem svakog sljedećeg dijela slike dok ih kamera očitava. Svaki red piksela u rezultirajućoj slici prati i snima isti 'dijel' subjekta snimanja, što znači da unatoč kretanju nema zamućenja.
●256x duža ekspozicija
Kod TDI kamera, efektivno vrijeme ekspozicije slike određeno je ukupnim vremenom potrebnim da točka na subjektu prođe kroz svaki red piksela, s do 256 dostupnih faza na nekim TDI kamerama. To znači da je dostupno vrijeme ekspozicije efektivno 256 puta veće nego što bi to mogla postići kamera s površinskim skeniranjem.
To može donijeti jedno od dva poboljšanja ili ravnotežu između oba. Prvo, može se postići značajno povećanje brzine snimanja. U usporedbi s kamerom za skeniranje područja, subjekt snimanja može se kretati do 256 puta brže, a istovremeno snimati istu količinu signala, pod uvjetom da je brzina linije kamere dovoljno brza da prati tempo.
S druge strane, ako je potrebna veća osjetljivost, dulje vrijeme ekspozicije moglo bi omogućiti slike puno veće kvalitete, niži intenzitet osvjetljenja ili oboje.
●Veliki protok podataka bez spajanja
Budući da TDI kamera stvara dvodimenzionalnu sliku iz uzastopnih jednodimenzionalnih slojeva, rezultirajuća slika može biti onoliko velika koliko je potrebno. Dok je broj piksela u 'horizontalnom' smjeru dan širinom kamere, na primjer 9072 piksela, 'vertikalna' veličina slike je neograničena i jednostavno određena time koliko dugo kamera radi. S brzinama linije do 510 kHz, ovo može pružiti ogroman protok podataka.
U kombinaciji s tim, TDI kamere mogu ponuditi vrlo široka vidna polja. Na primjer, kamera od 9072 piksela s pikselima od 5 µm pruža horizontalno vidno polje od 45 mm s visokom rezolucijom. Za postizanje iste širine snimanja s kamerom za skeniranje s površinom piksela od 5 µm, bile bi potrebne do tri 4K kamere jedna pored druge.
●Poboljšanja u odnosu na linije skeniranja kamera
TDI kamere ne nude samo poboljšanja u odnosu na kamere s površinskim skeniranjem. Kamere s linijskim skeniranjem, koje snimaju samo jednu liniju piksela, također pate od mnogih istih problema s intenzitetom osvjetljenja i kratkim ekspozicijama kao i kamere s površinskim skeniranjem.
Iako, poput TDI kamera, linije skeniranja nude ravnomjernije osvjetljenje s jednostavnijim postavljanjem i izbjegavaju potrebu za spajanjem slika, često mogu zahtijevati vrlo intenzivno osvjetljenje i/ili sporo kretanje objekta kako bi snimile dovoljno signala za visokokvalitetnu sliku. Dulje ekspozicije i veće brzine objekta koje TDI kamere omogućuju znače da se može koristiti niži intenzitet i jeftinija rasvjeta, a istovremeno se poboljšava učinkovitost snimanja. Na primjer, proizvodna linija može prijeći sa skupih halogenih svjetala s visokom potrošnjom energije koja zahtijevaju istosmjernu struju na LED rasvjetu.
Kako rade TDI kamere?
Postoje tri uobičajena standarda za postizanje TDI snimanja na senzoru kamere.
● CCD TDI– CCD kamere su najstariji tip digitalnih fotoaparata. Zbog svog elektroničkog dizajna, postizanje TDI ponašanja na CCD-u je relativno vrlo jednostavno, a mnogi senzori kamere inherentno mogu raditi na ovaj način. TDI CCD-ovi se stoga koriste već desetljećima.
Međutim, CCD tehnologija ima svoja ograničenja. Najmanja veličina piksela koja je obično dostupna za CCD TDI kamere je oko 12µm x 12µm – to, uz mali broj piksela, ograničava sposobnost kamera da razlučuju fine detalje. Štoviše, brzina akvizicije je niža nego kod drugih tehnologija, dok je šum očitavanja – glavni ograničavajući faktor kod snimanja pri slabom osvjetljenju – visok. Potrošnja energije je također visoka, što je glavni faktor u nekim primjenama. To je dovelo do želje za stvaranjem TDI kamera temeljenih na CMOS arhitekturi.
●Rani CMOS TDI: Zbrajanje u naponskoj domeni i digitalno zbrajanje
CMOS kamere prevladavaju mnoga ograničenja šuma i brzine CCD kamera, a istovremeno troše manje energije i nude manje veličine piksela. Međutim, TDI ponašanje bilo je mnogo teže postići na CMOS kamerama zbog njihovog dizajna piksela. Dok CCD-ovi fizički pomiču fotoelektrone od piksela do piksela kako bi upravljali senzorom, CMOS kamere pretvaraju signale u fotoelektronima u napone u svakom pikselu prije očitavanja.
Ponašanje TDI-ja na CMOS senzoru istražuje se od 2001. godine, međutim, izazov u vezi s time kako se nositi s 'akumulacijom' signala kako se ekspozicija pomiče iz jednog reda u drugi bio je značajan. Dvije rane metode za CMOS TDI koje se i danas koriste u komercijalnim kamerama su akumulacija naponske domene i digitalno zbrajanje TDI CMOS-a. U kamerama s akumulacijom naponske domene, kako se svaki red signala prikuplja dok se subjekt snimanja kreće, prikupljeni napon se elektronički dodaje ukupnoj akviziciji za taj dio slike. Akumuliranje napona na ovaj način uvodi dodatni šum za svaku dodatnu TDI fazu koja se dodaje, ograničavajući prednosti dodatnih faza. Problemi s linearnošću također otežavaju korištenje ovih kamera za precizne primjene.
Druga metoda je digitalno zbrajanje TDI-a. U ovoj metodi, CMOS kamera učinkovito radi u načinu skeniranja područja s vrlo kratkom ekspozicijom usklađenom s vremenom potrebnim da se subjekt snimanja pomakne preko jednog reda piksela. Međutim, retci iz svakog sljedećeg kadra digitalno se zbrajaju na takav način da se postiže TDI efekt. Budući da se cijela kamera mora očitati za svaki red piksela u rezultirajućoj slici, ovo digitalno zbrajanje također dodaje šum očitavanja za svaki red i ograničava brzinu akvizicije.
●Moderni standard: CMOS s nabojnom domenom TDI ili CCD-na-CMOS TDI
Gore navedena ograničenja CMOS TDI senzora nedavno su prevladana uvođenjem TDI CMOS senzora s akumulacijom naboja u domeni, poznatog i kao CCD-on-CMOS TDI. Rad ovih senzora prikazan je u [Animacija 1]. Kao što ime implicira, ovi senzori nude kretanje naboja s jednog piksela na drugi slično CCD-u, akumulirajući signal u svakoj TDI fazi dodavanjem fotoelektrona na razini pojedinačnih naboja. To je učinkovito bez šuma. Međutim, ograničenja CCD TDI senzora prevladavaju se korištenjem CMOS arhitekture očitavanja, što omogućuje velike brzine, nisku razinu šuma i nisku potrošnju energije uobičajene za CMOS kamere.
TDI specifikacije: što je važno?
●Tehnologija:Najvažniji faktor je koja se tehnologija senzora koristi, kao što je gore objašnjeno. CMOS TDI s domenom naboja pružit će najbolje performanse.
●Faze TDI-ja:Ovo je broj redaka senzora preko kojih se signal može akumulirati. Što više TDI stupnjeva kamera ima, to dulje može biti njezino efektivno vrijeme ekspozicije. Ili, brže se subjekt snimanja može kretati, pod uvjetom da kamera ima dovoljnu linijsku brzinu.
●Cijena linije:Koliko redaka kamera može pročitati u sekundi. To određuje maksimalnu brzinu kretanja koju kamera može pratiti.
●Kvantna učinkovitost: Ovo označava osjetljivost kamere na svjetlost različitih valnih duljina, danu vjerojatnošću detekcije upadnog fotona i stvaranja fotoelektrona. Veća kvantna učinkovitost može ponuditi nižu snagu osvjetljenja ili brži rad uz održavanje istih razina signala.
Osim toga, kamere se razlikuju po rasponu valnih duljina na kojima se može postići dobra osjetljivost, pri čemu neke kamere nude osjetljivost sve do ultraljubičastog (UV) kraja spektra, na valnoj duljini od oko 200 nm.
●Čitanje šuma:Šum očitavanja je drugi značajan faktor osjetljivosti kamere, koji određuje minimalni signal koji se može detektirati iznad praga šuma kamere. S visokim šumom očitavanja, tamne značajke se ne mogu detektirati, a dinamički raspon je znatno smanjen, što znači da se mora koristiti jače osvjetljenje ili dulje vrijeme ekspozicije i sporije brzine kretanja.
TDI specifikacije: što je važno?
Trenutno se TDI kamere koriste za inspekciju weba, elektronike i proizvodnje te druge primjene strojnog vida. Uz to, postoje i zahtjevne primjene u uvjetima slabog osvjetljenja poput fluorescentnog snimanja i skeniranja slajdova.
Međutim, s uvođenjem brzih, niskošumnih i visokoosjetljivih TDI CMOS kamera, postoji veliki potencijal za povećanje brzine i učinkovitosti u novim primjenama koje su prije koristile samo kamere s površinskim skeniranjem. Kao što smo naveli na početku članka, TDI kamere mogu biti najbolji izbor za postizanje velikih brzina i visoke kvalitete slike, bilo za snimanje objekata u stalnom pokretu ili tamo gdje bi kamera mogla skenirati statične objekte snimanja.
Na primjer, u mikroskopskoj primjeni, mogli bismo usporediti teorijsku brzinu akvizicije TDI kamere od 9K piksela, 256 slikovnih postolja i 5 µm piksela s kamerom za skeniranje područja od 12MP i 5 µm piksela. Ispitajmo akviziciju područja 10 x 10 mm s 20x povećanjem pomicanjem slikovnog postolja.
1. Korištenjem objektiva s 20x uvećanjem s kamerom za skeniranje područja dobilo bi se vidno polje od 1,02 x 0,77 mm.
2. S TDI kamerom, objektiv s 10x uvećanjem i 2x dodatnim povećanjem mogao bi se koristiti za prevladavanje bilo kakvog ograničenja u vidnom polju mikroskopa, čime bi se postiglo horizontalno vidno polje od 2,3 mm.
3. Uz pretpostavku preklapanja piksela od 2% između slika radi spajanja, 0,5 sekundi za pomicanje pozornice na zadanu lokaciju i vrijeme ekspozicije od 10 ms, možemo izračunati vrijeme koje bi kameri trebalo za skeniranje područja. Slično tome, možemo izračunati vrijeme koje bi TDI kameri trebalo da se pozornica stalno kreće za skeniranje u smjeru Y, s istim vremenom ekspozicije po retku.
4. U ovom slučaju, kamera za skeniranje područja trebala bi snimiti 140 slika, uz 63 sekunde utrošene za pomicanje pozornice. TDI kamera snimila bi samo 5 dugih slika, uz samo 2 sekunde utrošene za pomicanje pozornice u sljedeći stupac.
5. Ukupno vrijeme utrošeno na akviziciju površine 10 x 10 mm bilo bi64,4 sekunde za kameru za skeniranje područja,i samo9,9 sekundi za TDI kameru.
Ako želite vidjeti odgovara li TDI kamera vašoj primjeni i ispunjava li vaše potrebe, kontaktirajte nas još danas.
