2013.07.22.Az időkésleltetéses integráció (TDI) egy képalkotási technika, amely megelőzi a digitális képalkotást, de a mai képalkotás élvonalában is óriási előnyöket kínál. Két esetben tudnak a TDI kamerák igazán ragyogni – mindkettő akkor, amikor a képalkotó téma mozgásban van:
1 – A képalkotó alany eredendően állandó sebességgel mozog, mint például a hálóvizsgálat (például mozgó papír-, műanyag- vagy szövetlapok hibáinak és sérüléseinek vizsgálata), az összeszerelő sorok, vagy a mikrofluidok és folyadékáramlások esetében.
2 – Statikus képalkotó témák, amelyeket egy területről területre mozgatott kamera képes leképezni, akár a téma, akár a kamera mozgatásával. Ilyenek például a mikroszkóp tárgylemezének szkennelése, anyagvizsgálat, síkpaneles vizsgálat stb.
Ha ezen körülmények bármelyike vonatkozhat az Ön képalkotására, ez a weboldal segít eldönteni, hogy a hagyományos kétdimenziós „terület-szkenner” kamerákról a vonalas szkennelésű TDI kamerákra való váltás lendületet adhat-e a képalkotásnak.
A területszkennelés és a mozgó célpontok problémája
● Mozgás okozta elmosódás
Néhány képalkotó alany szükségszerűen mozog, például folyadékáramlás vagy hálóvizsgálat során. Más alkalmazásokban, például tárgylemez-szkennelésnél és anyagvizsgálatnál, a tárgy mozgásban tartása lényegesen gyorsabb és hatékonyabb lehet, mint a mozgás megállítása minden egyes felvett képnél. A terület-szkenneres kamerák esetében azonban, ha a képalkotó alany a kamerához képest mozog, ez kihívást jelenthet.
Mozgás okozta elmosódás torzítja a mozgó jármű képét
Gyenge megvilágítás esetén, vagy ahol kiváló képminőségre van szükség, hosszú expozíciós időre lehet szükség. A téma mozgása azonban az expozíció során több pixelre is eloszlatja a fényt, ami „mozgás okozta elmosódáshoz” vezet. Ez minimalizálható, ha az expozíciókat nagyon rövidre állítjuk – kevesebbre, mint amennyi idő alatt a téma egy pontja áthaladna egy pixelen. Ez a...unáltalában sötét, zajos, gyakran használhatatlan képek rovására.
●Varrás
Ezenkívül a nagy vagy folyamatos képalkotású témák területszkenneres kamerákkal történő képalkotása jellemzően több kép elkészítését igényli, amelyeket aztán összefűznek. Ez az összeillesztés átfedő pixeleket igényel a szomszédos képek között, ami csökkenti a hatékonyságot és növeli az adattárolási és -feldolgozási követelményeket.
●Egyenetlen megvilágítás
Ráadásul a megvilágítás ritkán lesz elég egyenletes ahhoz, hogy elkerülje a problémákat és a műtermékeket az összeillesztett képek közötti határokon. Ahhoz pedig, hogy a terület-szkenner kamera kellően nagy területet megvilágítson megfelelő intenzitással, gyakran nagy teljesítményű, drága egyenáramú fényforrásokat kell használni.
Egyenetlen megvilágítás egy egér agyának többképes felvételének összevarrásakor. Watson és munkatársai 2017-es képe: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Mi az a TDI kamera, és hogyan segít?
A hagyományos kétdimenziós területszkenneres kamerákban a képalkotás három fázisból áll: a pixelek visszaállítása, expozíció és kiolvasás. Az expozíció során a jelenetből származó fotonokat detektálják, ami fotoelektronokat eredményez, amelyeket a kamera pixelei tárolnak az expozíció végéig. Ezután minden pixel értékeit kiolvassák, és létrehozzák a 2D-s képet. A pixeleket ezután visszaállítják, és az összes töltést törlik a következő expozíció megkezdéséhez.
Azonban, ahogy említettük, ha a képalkotó téma a kamerához képest mozog, a témáról érkező fény több pixelre is kiterjedhet az expozíció során, ami mozgás okozta elmosódáshoz vezethet. A TDI kamerák egy innovatív technikával küszöbölik ki ezt a korlátozást. Ezt mutatja be az [1. animáció].
●Hogyan működnek a TDI kamerák?
A TDI kamerák alapvetően másképp működnek, mint a területi pásztázó kamerák. Ahogy a képalkotó alany a kamerán mozog az expozíció során, a felvett képet alkotó elektromos töltések is elmozdulnak, szinkronban maradva. Expozíció közben a TDI kamerák képesek az összes felvett töltést a kamera egyik pixelsorából a másikba áthelyezni, a képalkotó alany mozgásával szinkronizálva. Ahogy a téma mozog a kamerán, minden sor (más néven „TDI szakasz”) újabb lehetőséget biztosít a kamera expozíciójára a témára, és a jel összegyűjtésére.
Csak akkor olvassa ki és tárolja az értékeket a kamera egydimenziós szeleteként, amikor a töltések sora eléri a végét. A kétdimenziós kép úgy jön létre, hogy a kamera a kép minden egyes egymást követő szeletét összeragasztja, miközben azokat olvassa. A kapott kép minden egyes pixelsora a képalkotó alany ugyanazt a „szeletét” követi és képzi, ami azt jelenti, hogy a mozgás ellenére sincs elmosódás.
●256-szor hosszabb expozíció
A TDI kamerák esetében a kép effektív expozíciós idejét az az idő adja meg, amely alatt a téma egy pontja bejárja a pixelek minden sorát, egyes TDI kamerákon akár 256 fokozat is elérhető. Ez azt jelenti, hogy a rendelkezésre álló expozíciós idő gyakorlatilag 256-szor nagyobb, mint amit egy terület-szkenneres kamera el tud érni.
Ez kétféle javulást, vagy a kettő egyensúlyát eredményezheti. Először is, jelentősen megnőhet a képalkotási sebesség. Egy területi szkennelésű kamerához képest a képalkotó alany akár 256-szor gyorsabban mozoghat, miközben ugyanolyan mennyiségű jelet rögzít, feltéve, hogy a kamera vonali sebessége elég gyors ahhoz, hogy lépést tartson vele.
Másrészt, ha nagyobb érzékenységre van szükség, a hosszabb expozíciós idő sokkal jobb minőségű képeket, alacsonyabb megvilágítási intenzitást, vagy mindkettőt tehet lehetővé.
●Nagy adatátviteli sebesség összeillesztés nélkül
Mivel a TDI kamera egymást követő egydimenziós szeletekből hoz létre kétdimenziós képet, az így kapott kép tetszőleges méretű lehet. Míg a „vízszintes” irányú pixelek számát a kamera szélessége adja meg, például 9072 pixel, a kép „függőleges” mérete korlátlan, és egyszerűen a kamera működési ideje határozza meg. Akár 510 kHz-es vonali sebességgel ez hatalmas adatátvitelt biztosíthat.
Ezzel kombinálva a TDI kamerák nagyon széles látómezőt kínálhatnak. Például egy 9072 pixeles kamera 5 µm-es pixelekkel 45 mm-es vízszintes látómezőt biztosít nagy felbontással. Ugyanennek a képalkotási szélességnek az eléréséhez egy 5 µm-es pixelterületű pásztázó kamerával akár három 4K-s kamerára is szükség lenne egymás mellett.
●Fejlesztések a vonalkamerákhoz képest
A TDI kamerák nemcsak a területkamerákhoz képest kínálnak fejlesztéseket. A vonalkamerák, amelyek csak egyetlen pixelsort rögzítenek, ugyanazokkal a problémákkal küzdenek a megvilágítási intenzitás és a rövid expozíciók tekintetében, mint a területkamerák.
Bár a TDI kamerákhoz hasonlóan a vonalkamerák egyenletesebb megvilágítást kínálnak egyszerűbb beállítással, és elkerülik a képösszeillesztés szükségességét, gyakran nagyon intenzív megvilágításra és/vagy lassú témamozgásra van szükségük ahhoz, hogy elegendő jelet rögzítsenek a kiváló minőségű képhez. A TDI kamerák által lehetővé tett hosszabb expozíciók és gyorsabb témasebesség alacsonyabb intenzitású, olcsóbb világítást tesz lehetővé, miközben javítja a képalkotási hatékonyságot. Például egy gyártósor át tud állni a drága, nagy energiafogyasztású, egyenáramot igénylő halogénlámpákról a LED-világításra.
Hogyan működnek a TDI kamerák?
Három általános szabvány létezik a TDI képalkotás elérésére egy kameraérzékelőn.
● CCD TDI– A CCD-kamerák a digitális fényképezőgépek legrégebbi típusát képviselik. Elektronikus kialakításuknak köszönhetően a CCD-ken viszonylag egyszerű a TDI viselkedés elérése, mivel számos kameraérzékelő eredendően képes ilyen módon működni. A TDI CCD-ket ezért évtizedek óta használják.
A CCD-technológiának azonban megvannak a maga korlátai. A CCD TDI kamerákhoz általában elérhető legkisebb pixelméret körülbelül 12 µm x 12 µm – ez a kis pixelszámmal együtt korlátozza a kamerák finom részletek felbontásának képességét. Ráadásul az adatgyűjtés sebessége alacsonyabb, mint más technológiáknál, míg az olvasási zaj – amely a gyenge fényviszonyok melletti képalkotás egyik fő korlátozó tényezője – magas. Az energiafogyasztás is magas, ami egyes alkalmazásokban jelentős tényező. Ez vezetett a CMOS architektúrán alapuló TDI kamerák létrehozásának igényéhez.
●Korai CMOS TDI: Feszültségtartományú és digitális összegzés
A CMOS kamerák számos zaj- és sebességkorlátozást leküzdenek a CCD kamerákra jellemzően, miközben kevesebb energiát fogyasztanak és kisebb pixelméretet kínálnak. A TDI viselkedést azonban sokkal nehezebb volt elérni a CMOS kamerákon a pixelek kialakítása miatt. Míg a CCD-k fizikailag mozgatják a fotoelektronokat pixelről pixelre az érzékelő kezelése érdekében, a CMOS kamerák a fotoelektronokban lévő jeleket feszültségekké alakítják az egyes pixelekben, mielőtt kiolvasnák őket.
A CMOS érzékelők TDI viselkedését 2001 óta vizsgálják, azonban jelentős kihívást jelentett, hogyan kezeljük a jel „felhalmozódását”, ahogy az expozíció egyik sorról a másikra halad. A CMOS TDI két korai módszere, amelyeket ma is használnak a kereskedelmi forgalomban kapható kamerákban, a feszültségtartomány-akkumuláció és a digitális összegző TDI CMOS. A feszültségtartomány-akkumulációs kamerákban, ahogy a képalkotó téma elhalad mellette, a felvett feszültséget elektronikusan hozzáadják a kép adott részére vonatkozó teljes adatgyűjtéshez. A feszültségek ilyen módon történő felhalmozása minden egyes hozzáadott TDI fokozathoz további zajt okoz, korlátozva a további fokozatok előnyeit. A linearitással kapcsolatos problémák szintén megnehezítik ezen kamerák precíz alkalmazásokhoz való használatát.
A második módszer a digitális összegző TDI. Ebben a módszerben egy CMOS kamera gyakorlatilag területpásztázási módban fut, nagyon rövid expozícióval, amely illeszkedik ahhoz az időhöz, amely alatt a képalkotó alany áthalad egyetlen pixelsoron. Azonban az egyes egymást követő képkockák sorai digitálisan összeadódnak oly módon, hogy TDI-effektust hozzanak létre. Mivel a teljes kamerát ki kell olvasni a kapott kép minden egyes pixelsorához, ez a digitális összeadás minden sorhoz hozzáadja az olvasási zajt is, és korlátozza az adatgyűjtés sebességét.
●A modern szabvány: töltéstartományú TDI CMOS, vagy CCD-on-CMOS TDI
A CMOS TDI fenti korlátait a közelmúltban sikerült leküzdeni a töltéstartomány-akkumulációs TDI CMOS, más néven CCD-on-CMOS TDI bevezetésével. Ezen érzékelők működését az [1. animáció] mutatja be. Ahogy a neve is sugallja, ezek az érzékelők a töltések CCD-szerű mozgatását teszik lehetővé egyik pixelről a másikra, minden TDI fokozatban jelet gyűjtve a fotoelektronok hozzáadásával az egyes töltések szintjén. Ez gyakorlatilag zajmentes. A CCD TDI korlátait azonban a CMOS kiolvasási architektúra használata küszöböli ki, lehetővé téve a CMOS kamerákra jellemző nagy sebességet, alacsony zajszintet és alacsony energiafogyasztást.
TDI specifikációk: mi számít?
●Technológia:A legfontosabb tényező a fent említett érzékelőtechnológia. A töltéstartományú CMOS TDI biztosítja a legjobb teljesítményt.
●TDI szakaszok:Ez az érzékelő sorainak száma, amelyeken keresztül jel gyűjthető. Minél több TDI fokozattal rendelkezik egy kamera, annál hosszabb lehet a tényleges expozíciós ideje. Vagy annál gyorsabban tud mozogni a képalkotó téma, feltéve, hogy a kamera megfelelő sorsebességgel rendelkezik.
●Vonalsebesség:Hány sort tud a kamera másodpercenként beolvasni. Ez határozza meg a kamera által tartható maximális mozgási sebességet.
●Kvantumhatékonyság: Ez a kamera különböző hullámhosszú fényérzékenységét jelzi, amelyet a beeső foton detektálásának és fotoelektron előállításának valószínűsége határoz meg. A nagyobb kvantumhatásfok alacsonyabb megvilágítási erősséget vagy gyorsabb működést kínálhat, miközben ugyanazokat a jelszinteket fenntartja.
Ezenkívül a kamerák abban is különböznek, hogy milyen hullámhossztartományban érhető el a jó érzékenység, egyes kamerák egészen a spektrum ultraibolya (UV) végéig, körülbelül 200 nm hullámhosszon kínálnak érzékenységet.
●Olvasási zaj:Az olvasási zaj a kamera érzékenységének másik jelentős tényezője, amely meghatározza a kamera zajszintje felett érzékelhető minimális jelet. Magas olvasási zaj esetén a sötét területek nem érzékelhetők, és a dinamikatartomány jelentősen csökken, ami azt jelenti, hogy erősebb megvilágítást vagy hosszabb expozíciós időt és lassabb mozgási sebességet kell használni.
TDI specifikációk: mi számít?
Jelenleg a TDI kamerákat hálóvizsgálathoz, elektronikai és gyártásvizsgálathoz, valamint egyéb gépi látási alkalmazásokhoz használják. Emellett kihívást jelentő, gyenge fényviszonyok melletti alkalmazások is előfordulnak, mint például a fluoreszcens képalkotás és a tárgylemez-szkennelés.
A nagy sebességű, alacsony zajszintű, nagy érzékenységű TDI CMOS kamerák megjelenésével azonban nagy potenciál rejlik a sebesség és a hatékonyság növelésében azokban az új alkalmazásokban, amelyek korábban csak terület-szkenner kamerákat használtak. Ahogy a cikk elején bemutattuk, a TDI kamerák jelenthetik a legjobb választást a nagy sebesség és a kiváló képminőség eléréséhez, akár már folyamatosan mozgó témák képalkotásakor, akár olyan esetekben, amikor a kamera statikus képalkotó témákon keresztül pásztázható.
Például egy mikroszkópos alkalmazásban összehasonlíthatjuk egy 9K pixeles, 256 tárgyasztalos, 5 µm-es pixelméretű TDI kamera elméleti képalkotási sebességét egy 12 MP-es, 5 µm-es pixelméretű kamerafelülettel rendelkező pásztázó kameráéval. Vizsgáljuk meg egy 10 x 10 mm-es terület 20x-os nagyítású képalkotását a tárgyasztal mozgatásával.
1. Egy 20x-os objektív és a területpásztázó kamera használata 1,02 x 0,77 mm-es képalkotó látómezőt eredményezne.
2. A TDI kamerával egy 10x-es objektív és egy további 2x-es nagyítás használható a mikroszkóp látómezőjének bármilyen korlátozásának leküzdésére, így 2,3 mm-es vízszintes képalkotó látómező érhető el.
3. Feltételezve, hogy a képek összeillesztése 2%-os pixelátfedéssel történik, a tárgyasztal egy adott helyre mozgatása 0,5 másodpercet vesz igénybe, és az expozíciós idő 10 ms, kiszámíthatjuk a területpásztázó kamera által végzett szkennelési időt. Hasonlóképpen kiszámíthatjuk a TDI kamera által végzett szkennelési időt, ha a tárgyasztalt folyamatosan mozgásban tartanánk az Y irányban történő szkenneléshez, soronként azonos expozíciós idővel.
4. Ebben az esetben a területszkenner kamerának 140 kép készítésére lenne szüksége, a tárgyasztal mozgatása pedig 63 másodpercet venne igénybe. A TDI kamera mindössze 5 hosszú képet készítene, a tárgyasztal következő oszlopba mozgatása pedig mindössze 2 másodpercet venne igénybe.
5. A 10 x 10 mm-es terület megszerzéséhez szükséges teljes idő a következő lenne:64,4 másodperc a területi szkennelő kamera esetében,és csak9,9 másodperc a TDI kamera esetében.
Ha szeretné megtudni, hogy egy TDI kamera megfelel-e az Ön alkalmazásának és igényeinek, vegye fel velünk a kapcsolatot még ma.
