2008.08.25.Az ipari és tudományos képalkotásban a gyorsan mozgó objektumok gyenge fényviszonyok melletti rögzítése állandó kihívást jelent. Itt jönnek képbe az időzített integrációval (TDI) működő kamerák. A TDI technológia a mozgásszinkronizációt és a többszörös expozíciókat ötvözi, így kivételes érzékenységet és képtisztaságot biztosít, különösen nagy sebességű környezetben.
Mi az a TDI kamera?
A TDI kamera egy speciális vonalszkenneres kamera, amely mozgó tárgyak képét rögzíti. A hagyományos területszkenneres kamerákkal ellentétben, amelyek egyszerre exponálnak egy teljes képet, a TDI kamerák a tárgy mozgásával szinkronban mozgatják a töltést az egyik pixelsorról a másikra. Minden pixelsor fényt gyűjt a tárgy mozgásával, hatékonyan növelve az expozíciós időt és javítva a jel erősségét anélkül, hogy mozgás okozta elmosódást okozna.
Ez a töltésintegráció drámaian megnöveli a jel-zaj arányt (SNR), így a TDI kamerák ideálisak nagy sebességű vagy gyenge fényviszonyok melletti alkalmazásokhoz.
Hogyan működik egy TDI kamera?
Egy TDI kamera működését az 1. ábra szemlélteti.
1. ábra: Az időkésleltetéses integrációs (TDI) érzékelők működése
JEGYZET: A TDI kamerák a felvett töltéseket több „fokozaton” keresztül mozgatják, szinkronban a mozgó képalkotó tárggyal. Minden egyes fokozat további lehetőséget biztosít a fénynek való kitettségre. Ezt egy fényes „T” betű szemlélteti, amely egy kamerán mozog, egy 5 oszlopos és 5 fokozatú TDI-érzékelő szegmensével. Tucsen Dhyana 9KTDI hibrid CCD-stílusú töltésmozgással, de CMOS-stílusú párhuzamos kiolvasással.
A TDI kamerák gyakorlatilag vonalkamerák, egy fontos különbséggel: a képalkotó alanyon történő pásztázás során a pixelek egyetlen sora helyett több sorral, úgynevezett „szakaszokkal” rendelkeznek, jellemzően akár 256-ig.
Ezek a sorok azonban nem alkotnak kétdimenziós képet, mint egy terület-szkenner kamera. Ehelyett, ahogy a beolvasott képalkotó alany áthalad a kamera érzékelőjén, az egyes pixelekben detektált fotoelektronok a képalkotó alany mozgásával szinkronban a következő sorba ugranak, anélkül, hogy még kiolvasnák őket. Minden további sor ezután további lehetőséget biztosít a képalkotó alany megvilágítására. Csak akkor, ha egy képszelet eléri az érzékelő utolsó pixelsorát, kerül a sor a kiolvasó architektúrába mérésre.
Ezért, annak ellenére, hogy több mérés is történik a kameraállásokon, a kameraolvasási zajnak csak egyetlen példánya jelenik meg. Egy 256-állású TDI kamera 256-szor hosszabb ideig tartja látóterében a mintát, és így 256-szor hosszabb az expozíciós ideje, mint az egyenértékű vonalkamerának. Egy azonos expozíciós idő egy területkamerával extrém mozgáselmosódást eredményezne, ami használhatatlanná tenné a képet.
Mikor használható a TDI?
A TDI kamerák kiváló megoldást jelentenek minden olyan képalkotási alkalmazáshoz, ahol a képalkotó alany mozog a kamerához képest, feltéve, hogy a mozgás egyenletes a kamera látóterében.
A TDI képalkotás alkalmazásai tehát egyrészt magukban foglalják a vonalas szkennelés minden olyan alkalmazását, ahol kétdimenziós képeket hoznak létre, miközben nagyobb sebességet, jelentősen javított érzékenységet gyenge fényviszonyok mellett, jobb képminőséget, vagy mindhármat egyszerre biztosítanak. Másrészt számos olyan képalkotó technika létezik, amelyek területszkenneres kamerákat használnak, ahol a TDI kamerák használhatók.
Nagy érzékenységű sCMOS TDI esetén a biológiai fluoreszcens mikroszkópiában a „tile and stitch” képalkotás elvégezhető a tárgyasztal folyamatos pásztázásával a csempézés helyett. Vagy az összes TDI jól alkalmazható ellenőrző alkalmazásokhoz. A TDI egy másik fontos alkalmazása az áramlási citometria képalkotása, ahol a sejtek fluoreszcencia képeit akkor rögzítik, amikor azok egy kamerán haladnak át, miközben egy mikrofluidikai csatornán áramlanak.
Az sCMOS TDI előnyei és hátrányai
Előnyök
● Nagy sebességgel képes tetszőleges méretű kétdimenziós képek rögzítésére egy képalkotó tárgyon keresztül történő szkennelés során.
● A több TDI fokozat, az alacsony zajszint és a magas QE drasztikusan nagyobb érzékenységet eredményezhet, mint a vonalkamerák.
● Nagyon nagy kiolvasási sebesség érhető el, például akár 510 000 Hz (sor/másodperc) egy 9072 pixel széles kép esetén.
●A megvilágításnak csak egydimenziósnak kell lennie, és nem igényel síklátóterű vagy egyéb korrekciókat a második (szkennelt) dimenzióban. Ezenkívül a vonalszkenneléshez képest hosszabb expozíciós idők „kisimíthatják” a váltakozó áramú fényforrások okozta villogást.
● A mozgóképek rögzítése elmosódás nélkül, nagy sebességgel és érzékenységgel történhet.
●A nagy területek szkennelése drasztikusan gyorsabb lehet, mint a területszkenneres kameráké.
● Fejlett szoftverekkel vagy triggerelési beállításokkal egy „terület-szkennelésszerű” mód terület-szkennelési áttekintést nyújt a fókuszáláshoz és az igazításhoz.
Hátrányok
● Még mindig magasabb a zajszint, mint a hagyományos sCMOS kameráknál, ami azt jelenti, hogy az ultragyenge fényviszonyok melletti alkalmazások elérhetetlenek.
● Speciális beállításokat igényel fejlett triggerelési lehetőségekkel a képalkotó alany mozgásának a kamera pásztázásával való szinkronizálásához, a mozgási sebesség nagyon finom szabályozását, vagy a sebesség pontos előrejelzését a szinkronizálás lehetővé tételéhez.
● Új technológiaként jelenleg kevés megoldás létezik a hardveres és szoftveres megvalósításra.
Gyenge fényviszonyok mellett is használható sCMOS TDI
Bár a TDI, mint képalkotó technika, megelőzte a digitális képalkotást, és teljesítményében már régen felülmúlta a vonalas szkennelést, csak az elmúlt néhány évben érték el azt az érzékenységet, amely ahhoz szükséges, hogy gyenge fényviszonyok mellett is használhatóak legyenek, amelyek általában tudományos minőségű érzékenységet igényelnének.sCMOS kamerák.
Az „sCMOS TDI” a töltések CCD-stílusú mozgását ötvözi az érzékelőn keresztül az sCMOS-stílusú kiolvasással, és hátulról megvilágított érzékelők is elérhetők. A korábbi CCD-alapú vagy tisztán CMOS-alapú* TDI kamerák drasztikusan lassabb kiolvasással, kisebb pixelszámmal, kevesebb fokozattal és 30e- és >100e- közötti olvasási zajjal rendelkeztek. Ezzel szemben az sCMOS TDI, mint például a TucsenDhyana 9KTDI sCMOS kamera7,2e- olvasási zajt kínál, a háttérvilágításnak köszönhetően nagyobb kvantumhatásfokkal kombinálva, lehetővé téve a TDI használatát a korábbinál lényegesen alacsonyabb fényszintű alkalmazásokban.
Számos alkalmazásban a TDI eljárás által lehetővé tett hosszabb expozíciós idők bőven kompenzálhatják az olvasási zaj növekedését a közel 1e- olvasási zajú, kiváló minőségű sCMOS területpásztázó kamerákhoz képest.
A TDI kamerák gyakori alkalmazásai
A TDI kamerák számos olyan iparágban megtalálhatók, ahol a pontosság és a sebesség egyformán fontos:
● Félvezető lapka vizsgálata
● Síkképernyős kijelző (FPD) tesztelése
● Hálós ellenőrzés (papír, fólia, fólia, textil)
● Röntgenvizsgálat orvosi diagnosztikában vagy poggyászvizsgálatban
● Slide és többlyukú lemez szkennelése digitális patológiában
● Hiperspektrális képalkotás a távérzékelésben vagy a mezőgazdaságban
● NYÁK- és elektronikai ellenőrzés SMT-gyártósorokon
Ezek az alkalmazások kihasználják a TDI képalkotás valós körülmények között nyújtott fokozott kontrasztját, sebességét és tisztaságát.
Példa: Slide és Multi-Lect lemez szkennelés
Amint említettük, az sCMOS TDI kamerák egyik ígéretes alkalmazása az összeillesztési alkalmazások, beleértve a tárgylemezes vagy többkútú lemezes szkennelést. A nagyméretű fluoreszcens vagy világos látóterű mikroszkópos minták kétdimenziós területű kamerákkal történő szkennelése egy XY mikroszkóp tárgyasztal többszörös mozgásából létrehozott képrács összeillesztésén alapul. Minden képhez a tárgyasztalnak le kell állnia, le kell nyugodnia, majd újra kell indulnia, a gördülő zár esetleges késleltetésével együtt. A TDI ezzel szemben képes képeket készíteni, miközben a tárgyasztal mozgásban van. A kép ezután kis számú hosszú „csíkból” áll össze, amelyek mindegyike a minta teljes szélességét lefedi. Ez potenciálisan drasztikusan nagyobb képalkotási sebességet és adatátvitelt eredményezhet minden összeillesztési alkalmazásban, a képalkotási körülményektől függően.
A tárgyasztal mozgási sebessége fordítottan arányos a TDI kamera teljes expozíciós idejével, így a rövid expozíciós idők (1-20 ms) kínálják a legnagyobb képalkotási sebességjavulást a területpásztázó kamerákhoz képest, ami ezután nagyságrendnyi vagy még nagyobb csökkenéshez vezethet a teljes képalkotási időben. Hosszabb expozíciós idők (pl. > 100 ms) esetén a területpásztázás általában időelőnyt biztosíthat.
A 2. ábra egy nagyon nagy (2 gigapixeles) fluoreszcens mikroszkópos képre mutat példát, amely mindössze tíz másodperc alatt készült. Egy területszkenneres kamerával készített ekvivalens kép elkészítése várhatóan akár több percig is eltarthat.
2. ábra: 2 gigapixeles kép, 10 másodperc alatt létrehozva TDI szkenneléssel és összeillesztéssel
JEGYZET: 10-szeres nagyítású kép, melyet a Tucsen Dhyana 9kTDI mikroszkóppal készítettek kiemelő tollpontokról, fluoreszcens mikroszkóppal vizsgálva. 10 másodperc alatt, 3,6 ms expozíciós idővel készült a kép. Képméretek: 30 mm x 17 mm, 58 000 x 34 160 pixel.
TDI szinkronizálása
A TDI kamera és a képalkotó téma (néhány százalékon belüli) szinkronizálása elengedhetetlen – a sebességkülönbség „mozgás okozta elmosódáshoz” vezet. Ez a szinkronizálás kétféleképpen valósítható meg:
PrediktívA kamera sebességét a mozgási sebességhez igazítjuk a minta mozgási sebességének, az optikának (nagyítás) és a kamera pixelméretének ismerete alapján. Vagy próbálkozással és hibákkal.
KiváltvaSok mikroszkóp tárgyasztal, gantry és egyéb, a képalkotó alanyok mozgatására szolgáló berendezés tartalmazhat olyan kódolókat, amelyek egy adott mozgási távolságon belül trigger impulzust küldenek a kamerának. Ez lehetővé teszi, hogy a tárgyasztal/gantry és a kamera szinkronban maradjon a mozgási sebességtől függetlenül.
TDI kamerák vs. vonal- és terület-szkenner kamerák
Így viszonyul a TDI más népszerű képalkotó technológiákhoz:
| Jellemző | TDI kamera | Vonalszkenner kamera | Területszkenner kamera |
| Érzékenység | Nagyon magas | Közepes | Alacsonytól közepesig |
| Képminőség (mozgás) | Kiváló | Jó | Elmosódott nagy sebességnél |
| Világítási követelmények | Alacsony | Közepes | Magas |
| Mozgáskompatibilitás | Kiváló (ha szinkronizálva van) | Jó | Szegény |
| Legjobb | Nagy sebességű, gyenge fényviszonyok mellett | Gyorsan mozgó tárgyak | Statikus vagy lassú jelenetek |
A TDI egyértelműen a legjobb választás, ha a jelenet gyorsan mozog, és a fényviszonyok korlátozottak. A vonalszkennelés érzékenysége alacsonyabb, míg a területszkennelés egyszerű vagy álló beállításokhoz ajánlott.
A megfelelő TDI kamera kiválasztása
TDI kamera kiválasztásakor a következőket kell figyelembe venni:
● TDI fokozatok száma: Több fokozat növeli a jel-zaj arányt (SNR), de a költségeket és a bonyolultságot is.
● Érzékelő típusa: az sCMOS-t sebessége és alacsony zajszintje miatt részesítik előnyben; a CCD továbbra is alkalmas lehet egyes régebbi rendszerekhez.
● Interfész: Biztosítsa a rendszerrel való kompatibilitást – a Camera Link, a CoaXPress és a 10GigE gyakori opciók, a 100G CoF és a 40G CoF pedig új trendként jelent meg.
● Spektrális válasz: Az alkalmazás igényeitől függően választhat monokróm, színes vagy közeli infravörös (NIR) mód közül.
● Szinkronizációs lehetőségek: Keressen olyan funkciókat, mint az enkóder bemenetek vagy a külső trigger támogatása a jobb mozgásillesztés érdekében.
Ha az alkalmazása érzékeny biológiai mintákat, nagy sebességű vizsgálatot vagy gyenge fényviszonyokat foglal magában, az sCMOS TDI valószínűleg a megfelelő választás.
Következtetés
A TDI kamerák erőteljes fejlődést jelentenek a képalkotási technológiában, különösen az sCMOS érzékelőkre építve. A mozgásszinkronizáció és a többvonalas integráció kombinálásával páratlan érzékenységet és tisztaságot kínálnak dinamikus, gyenge fényviszonyok melletti jelenetekhez.
Akár wafereket vizsgál, akár tárgylemezeket szkennel, akár nagy sebességű vizsgálatokat végez, a TDI működésének megértése segíthet a legjobb megoldás kiválasztásában.tudományos kameráka képalkotási kihívásaihoz.
GYIK
Működhetnek a TDI kamerák területpásztázási módban?
A TDI kamerák képesek (nagyon vékony) kétdimenziós képeket létrehozni „terület-szkennelésszerű” módban, amit az érzékelő időzítésének egy trükkjével érnek el. Ez hasznos lehet olyan feladatoknál, mint a fókuszálás és az igazítás.
A „terület-szkenneléses expozíció” megkezdéséhez a szenzort először „törlik” a TDI legalább annyi lépéssel történő előremozdításával, ahány fokozata van a kamerának, a lehető leggyorsabban, majd leállítják. Ezt vagy szoftveres vezérléssel, vagy hardveres indítással lehet elérni, és ideális esetben sötétben kell végrehajtani. Például egy 256 fokozatú kamerának legalább 256 sort kell beolvasnia, majd le kell állnia. Ezt a 256 adatsort elvetik.
Amíg a kamera nem reagál, és nem olvassák ki a vonalakat, az érzékelő ugyanúgy viselkedik, mint egy terület-szkenner, amely képet exponál.
A kívánt expozíciós időnek ezután tétlen kamerával kell eltelnie, mielőtt a kamerát legalább a megadott számú fokozattal előre mozgatná, és az imént rögzített kép minden egyes sorát kiolvasná. Ideális esetben ennek a „kiolvasási” fázisnak ismét sötétben kell történnie.
Ez a technika megismételhető, hogy „élő előnézetet” vagy területszkennelési képek sorozatát kapjunk, minimális torzítással és elmosódással a TDI műveletből adódóan.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Minden jog fenntartva. Hivatkozáskor kérjük, tüntesse fel a forrást:www.tucsen.com
