25.08.2008.U industrijskom i znanstvenom snimanju, snimanje brzo pokretnih objekata u uvjetima slabog osvjetljenja predstavlja stalan izazov. Tu nastupaju kamere s integracijom vremenskog kašnjenja (TDI). TDI tehnologija kombinira sinkronizaciju pokreta i višestruke ekspozicije kako bi pružila iznimnu osjetljivost i jasnoću slike, posebno u okruženjima velike brzine.
Što je TDI kamera?
TDI kamera je specijalizirana kamera s linijskim skeniranjem koja snima slike objekata u pokretu. Za razliku od standardnih kamera s površinskim skeniranjem koje odjednom eksponiraju cijeli kadar, TDI kamere prebacuju naboj iz jednog reda piksela u sljedeći sinkronizirano s kretanjem objekta. Svaki red piksela akumulira svjetlost dok se objekt kreće, učinkovito povećavajući vrijeme ekspozicije i poboljšavajući snagu signala bez uvođenja zamućenja pokreta.
Ova integracija naboja dramatično povećava omjer signala i šuma (SNR), što TDI kamere čini idealnim za primjene velike brzine ili slabog osvjetljenja.
Kako radi TDI kamera?
Rad TDI kamere prikazan je na slici 1.
Slika 1: Rad senzora s integracijom vremenskog kašnjenja (TDI)
BILJEŠKA: TDI kamere pomiču stečene naboje preko više 'faza' sinkronizirano s pokretnim objektom snimanja. Svaka faza pruža dodatnu priliku za izlaganje svjetlu. Ilustrirano svijetlim 'T' koji se pomiče preko kamere, s segmentom TDI senzora od 5 stupaca x 5 faza. Tucsen Dhyana 9KTDI s hibridnim CCD-stilom kretanja naboja, ali CMOS-stilom paralelnog očitavanja.
TDI kamere su zapravo kamere s linijskim skeniranjem, s jednom važnom razlikom: umjesto jednog reda piksela koji prikupljaju podatke dok se kamere skeniraju preko objekta snimanja, TDI kamere imaju više redova, poznatih kao 'faze', obično do 256.
Međutim, ovi redovi ne tvore dvodimenzionalnu sliku poput kamere za skeniranje područja. Umjesto toga, kako se skenirani objekt snimanja kreće preko senzora kamere, detektirani fotoelektroni unutar svakog piksela pomiču se u sljedeći red sinkronizirano s kretanjem objekta snimanja, bez da se još očitaju. Svaki dodatni red tada pruža dodatnu priliku za izlaganje objekta snimanja svjetlu. Tek kada isječak slike dosegne posljednji red piksela senzora, taj se red zatim prosljeđuje arhitekturi očitavanja na mjerenje.
Dakle, unatoč višestrukim mjerenjima koja se provode na više razina kamere, uvodi se samo jedan slučaj šuma očitavanja kamere. TDI kamera s 256 razina drži uzorak u vidnom polju 256 puta dulje, te stoga ima 256 puta dulje vrijeme ekspozicije od ekvivalentne kamere s linijskim skeniranjem. Ekvivalentno vrijeme ekspozicije s kamerom s površinskim skeniranjem rezultiralo bi ekstremnim zamućenjem pokreta, čineći sliku beskorisnom.
Kada se TDI može koristiti?
TDI kamere su izvrsno rješenje za bilo koju primjenu snimanja gdje se subjekt snimanja kreće u odnosu na kameru, pod uvjetom da je kretanje jednoliko u cijelom vidnom polju kamere.
Primjene TDI snimanja stoga uključuju, s jedne strane, sve one linijskog skeniranja gdje se formiraju dvodimenzionalne slike, a istovremeno donose veće brzine, znatno poboljšanu osjetljivost pri slabom osvjetljenju, bolju kvalitetu slike ili sve tri odjednom. S druge strane, postoje mnoge tehnike snimanja koje koriste kamere za površinsko skeniranje gdje se mogu koristiti TDI kamere.
Za visokoosjetljivi sCMOS TDI, snimanje 'pločica i šavova' u biološkoj fluorescentnoj mikroskopiji može se izvesti korištenjem neprekidnog skeniranja stolića umjesto popločavanja. Ili svi TDI mogu biti dobro prikladni za inspekcijske primjene. Druga važna primjena TDI-ja je protočna citometrija, gdje se fluorescentne slike stanica dobivaju dok prolaze pored kamere dok teku kroz mikrofluidni kanal.
Prednosti i nedostaci sCMOS TDI-ja
Prednosti
● Može snimati dvodimenzionalne slike proizvoljne veličine velikom brzinom prilikom skeniranja preko objekta snimanja.
● Višestruki TDI stupnjevi, niska razina šuma i visoka kvantna učinkovitost (QE) mogu dovesti do drastično veće osjetljivosti u odnosu na kamere s linijskim skeniranjem.
● Mogu se postići vrlo velike brzine očitavanja, na primjer, do 510 000 Hz (linija u sekundi), za sliku širine 9 072 piksela.
●Osvjetljenje treba biti samo jednodimenzionalno i ne zahtijeva korekcije ravnog polja ili druge korekcije u drugoj (skeniranoj) dimenziji. Osim toga, dulja vremena ekspozicije u usporedbi s linijskim skeniranjem mogu 'izgladiti' treperenje uzrokovano izmjeničnim izvorima svjetlosti.
● Pokretne slike mogu se snimiti bez zamućenja pokreta te s velikom brzinom i osjetljivošću.
●Skeniranje velikih područja može biti drastično brže od kamera za skeniranje područja.
● S naprednim softverom ili postavkama okidanja, način rada 'nalik skeniranju područja' može pružiti pregled skeniranja područja za fokusiranje i poravnanje.
Nedostaci
● I dalje veći šum od konvencionalnih sCMOS kamera, što znači da su primjene u uvjetima ultra slabog osvjetljenja nedostižne.
● Zahtijeva specijalizirane postavke s naprednim okidanjem za sinkronizaciju kretanja objekta snimanja sa skeniranjem kamere, vrlo finu kontrolu brzine kretanja ili točno predviđanje brzine radi omogućavanja sinkronizacije.
● Budući da je riječ o novoj tehnologiji, trenutno postoji malo rješenja za implementaciju hardvera i softvera.
sCMOS TDI otporan na slabu svjetlost
Iako TDI kao tehnika snimanja prethodi digitalnom snimanju i davno je nadmašio linijsko skeniranje u performansama, tek su u posljednjih nekoliko godina TDI kamere stekle osjetljivost potrebnu za primjenu u uvjetima slabog osvjetljenja koja bi inače zahtijevala osjetljivost znanstvene razine.sCMOS kamere.
'sCMOS TDI' kombinira kretanje naboja preko senzora u CCD stilu s očitavanjem u sCMOS stilu, s dostupnim senzorima s pozadinskim osvjetljenjem. Prethodne TDI kamere temeljene na CCD-u ili isključivo CMOS-u* imale su drastično sporije očitavanje, manji broj piksela, manje stupnjeva i šum očitavanja između 30e- i >100e-. Nasuprot tome, sCMOS TDI poput TucsenaDhyana 9KTDI sCMOS kameranudi šum očitavanja od 7,2e-, u kombinaciji s većom kvantnom učinkovitošću putem pozadinskog osvjetljenja, što omogućuje korištenje TDI-a u primjenama sa znatno nižom razinom osvjetljenja nego što je to prije bilo moguće.
U mnogim primjenama, dulja vremena ekspozicije koja omogućuje TDI proces mogu više nego kompenzirati povećanje šuma očitavanja u usporedbi s visokokvalitetnim sCMOS kamerama s površinskim skeniranjem sa šumom očitavanja blizu 1e-.
Uobičajene primjene TDI kamera
TDI kamere se nalaze u mnogim industrijama gdje su preciznost i brzina podjednako važne:
● Inspekcija poluvodičkih pločica
● Ispitivanje ravnih zaslona (FPD)
● Inspekcija rolne (papir, film, folija, tekstil)
● Rendgensko snimanje u medicinskoj dijagnostici ili pregledu prtljage
● Skeniranje pločica i višejažnih ploča u digitalnoj patologiji
● Hiperspektralno snimanje u daljinskom istraživanju ili poljoprivredi
● Inspekcija tiskanih pločica i elektronike u SMT linijama
Ove primjene imaju koristi od poboljšanog kontrasta, brzine i jasnoće koju TDI snimanje pruža u stvarnim uvjetima.
Primjer: Skeniranje pločica i višejažnih ploča
Kao što je spomenuto, jedna od primjena sa značajnim potencijalom za sCMOS TDI kamere su aplikacije spajanja, uključujući skeniranje pločica ili višejažnih ploča. Skeniranje velikih fluorescentnih ili uzoraka mikroskopije svijetlog polja dvodimenzionalnim kamerama oslanja se na spajanje mreže slika formirane višestrukim pokretima XY mikroskopskog stolića. Svaka slika zahtijeva da se stolić zaustavi, smiri, a zatim ponovno pokrene, zajedno sa svim kašnjenjima pomicanja zatvarača. S druge strane, TDI može snimati slike dok se stolić kreće. Slika se zatim formira od malog broja dugih 'traka', od kojih svaka pokriva cijelu širinu uzorka. To potencijalno može dovesti do drastično većih brzina akvizicije i protoka podataka u svim primjenama spajanja, ovisno o uvjetima snimanja.
Brzina kojom se stolić može pomicati obrnuto je proporcionalna ukupnom vremenu ekspozicije TDI kamere, pa kratka vremena ekspozicije (1-20 ms) nude najveće poboljšanje brzine snimanja u usporedbi s kamerama za površinsko skeniranje, što zatim može dovesti do smanjenja ukupnog vremena akvizicije za red veličine ili čak i veće smanjenje. Za dulja vremena ekspozicije (npr. > 100 ms), površinsko skeniranje obično može zadržati vremensku prednost.
Primjer vrlo velike (2 gigapiksela) fluorescentne mikroskopske slike formirane za samo deset sekundi prikazan je na slici 2. Za ekvivalentnu sliku formiranu kamerom za skeniranje područja može se očekivati da će biti potrebno i do nekoliko minuta.
Slika 2: Slika od 2 gigapiksela formirana za 10 sekundi putem TDI skeniranja i spajanja
BILJEŠKA: Slika uvećana 10x snimljena korištenjem Tucsen Dhyana 9kTDI markera s točkama promatranim fluorescentnom mikroskopijom. Snimljeno za 10 sekundi s vremenom ekspozicije od 3,6 ms. Dimenzije slike: 30 mm x 17 mm, 58 000 x 34 160 piksela.
Sinkronizacija TDI-ja
Sinkronizacija TDI kamere sa snimanim objektom (unutar nekoliko postotaka) je bitna – neusklađenost brzine dovest će do efekta 'zamućenja pokreta'. Ova sinkronizacija se može provesti na dva načina:
PrediktivniBrzina kamere postavljena je tako da odgovara brzini kretanja na temelju poznavanja brzine kretanja uzorka, optike (uvećanja) i veličine piksela kamere. Ili pokušaja i pogrešaka.
PokrenutoMnogi mikroskopski stolići, portali i druga oprema za pomicanje subjekata snimanja mogu uključivati enkodere koji šalju okidački impuls kameri za zadanu udaljenost kretanja. To omogućuje da stolić/portalni stolić i kamera ostanu sinkronizirani bez obzira na brzinu kretanja.
TDI kamere u odnosu na kamere s linijskim skeniranjem i kamere s površinskim skeniranjem
Evo kako se TDI uspoređuje s drugim popularnim tehnologijama snimanja:
| Značajka | TDI kamera | Kamera za linijsko skeniranje | Kamera za skeniranje područja |
| Osjetljivost | Vrlo visoko | Srednji | Nisko do srednje |
| Kvaliteta slike (pokret) | Izvrsno | Dobro | Zamućeno pri velikim brzinama |
| Zahtjevi za rasvjetu | Nisko | Srednji | Visoko |
| Kompatibilnost pokreta | Izvrsno (ako je sinkronizirano) | Dobro | Siromašno |
| Najbolje za | Velika brzina, slabo osvjetljenje | Brzopokretni objekti | Statične ili spore scene |
TDI je jasan izbor kada se scena brzo kreće, a razina svjetla je ograničena. Linijsko skeniranje smanjuje osjetljivost, dok je površinsko skeniranje bolje za jednostavne ili stacionarne postavke.
Odabir prave TDI kamere
Prilikom odabira TDI kamere, uzmite u obzir sljedeće:
● Broj TDI stupnjeva: Više stupnjeva povećava omjer signal-šum (SNR), ali i troškove i složenost.
● Vrsta senzora: sCMOS je poželjniji zbog svoje brzine i niskog šuma; CCD još uvijek može biti prikladan za neke starije sustave.
● Sučelje: Osigurajte kompatibilnost s vašim sustavom — Camera Link, CoaXPress i 10GigE su uobičajene opcije, a 100G CoF i 40G CoF pojavili su se kao novi trendovi.
● Spektralni odziv: Odaberite između monokromatskog, u boji ili bliskog infracrvenog (NIR) spektra na temelju potreba primjene.
● Mogućnosti sinkronizacije: Potražite značajke poput ulaza za enkoder ili podrške za vanjsko okidanje za bolje usklađivanje kretanja.
Ako vaša primjena uključuje osjetljive biološke uzorke, brzu inspekciju ili okruženja sa slabim osvjetljenjem, sCMOS TDI je vjerojatno pravi izbor.
Zaključak
TDI kamere predstavljaju snažnu evoluciju u tehnologiji snimanja, posebno kada su izgrađene na sCMOS senzorima. Kombiniranjem sinkronizacije pokreta s višelinijskom integracijom, nude neusporedivu osjetljivost i jasnoću za dinamične scene sa slabim osvjetljenjem.
Bez obzira pregledavate li pločice, skenirate slajdove ili izvodite inspekcije velikom brzinom, razumijevanje načina rada TDI-ja može vam pomoći da odaberete najbolje rješenje među...znanstvene kamereza vaše izazove sa slikama.
Često postavljana pitanja
Mogu li TDI kamere raditi u načinu rada skeniranja područja?
TDI kamere mogu stvarati (vrlo tanke) dvodimenzionalne slike u načinu rada sličnom skeniranju područja, što se postiže trikom vremena senzora. To može biti korisno za zadatke poput fokusiranja i poravnanja.
Za početak 'ekspozicije skeniranjem područja', senzor se prvo 'čisti' pomicanjem TDI-ja za barem onoliko koraka koliko kamera ima stupnjeva, što je brže moguće, a zatim zaustavljanjem. To se postiže ili softverskom kontrolom ili hardverskim okidanjem, a idealno se izvodi u mraku. Na primjer, kamera s 256 stupnjeva trebala bi pročitati najmanje 256 redaka, a zatim se zaustaviti. Ovih 256 redaka podataka se odbacuje.
Dok se kamera ne aktivira niti se linije očitavaju, senzor se ponaša baš kao senzor za skeniranje područja koji eksponira sliku.
Željeno vrijeme ekspozicije trebalo bi proći dok je kamera u mirovanju, prije nego što se kamera ponovno pomakne naprijed barem za određeni broj koraka, očitavajući svaki redak upravo snimljene slike. Idealno bi bilo ponovno, da se ova faza 'očitavanja' odvija u mraku.
Ova se tehnika može ponoviti kako bi se dobio 'pregled uživo' ili niz slika skeniranih područja s minimalnim izobličenjem i zamućenjem uzrokovanim TDI operacijom.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Sva prava pridržana. Prilikom citiranja, molimo navedite izvor:www.tucsen.com
