Tanggal 22/07/13Integrasi Waktu Tunda (TDI) adalah teknik pencitraan yang mendahului pencitraan digital – tetapi masih memberikan keunggulan luar biasa di bidang pencitraan mutakhir saat ini. Ada dua kondisi di mana kamera TDI dapat unggul – keduanya saat subjek pencitraan sedang bergerak:
1 – Subjek yang dicitrakan pada dasarnya bergerak dengan kecepatan konstan, seperti pada inspeksi jaringan (misalnya memindai lembaran kertas, plastik, atau kain yang bergerak untuk mencari cacat dan kerusakan), jalur perakitan, atau mikrofluida dan aliran fluida.
2 – Subjek pencitraan statis yang dapat dicitrakan oleh kamera yang dipindahkan dari satu area ke area lain, baik dengan menggerakkan subjek maupun kamera. Contohnya meliputi pemindaian slide mikroskop, inspeksi material, inspeksi panel datar, dll.
Jika salah satu keadaan ini dapat berlaku pada pencitraan Anda, laman web ini akan membantu Anda mempertimbangkan apakah peralihan dari kamera 'pemindaian area' 2 dimensi konvensional ke kamera Line Scan TDI dapat meningkatkan pencitraan Anda.
Masalah dengan Area-Scan & Target Bergerak
● Gerakan Buram
Beberapa subjek pencitraan memang bergerak karena kebutuhan, misalnya dalam aliran fluida atau inspeksi web. Dalam aplikasi lain, seperti pemindaian slide dan inspeksi material, menjaga subjek tetap bergerak dapat jauh lebih cepat dan efisien daripada menghentikan gerakan untuk setiap gambar yang diambil. Namun, untuk kamera pemindaian area, jika subjek pencitraan bergerak relatif terhadap kamera, hal ini dapat menjadi tantangan.
Motion blur yang mendistorsi gambar kendaraan yang bergerak
Dalam situasi dengan pencahayaan terbatas atau di mana kualitas gambar tinggi dibutuhkan, waktu pencahayaan kamera yang lama mungkin diperlukan. Namun, gerakan subjek akan menyebarkan cahayanya ke beberapa piksel kamera selama pencahayaan, yang menyebabkan 'motion blur'. Hal ini dapat diminimalkan dengan menjaga pencahayaan tetap sangat singkat – di bawah waktu yang dibutuhkan suatu titik pada subjek untuk melintasi piksel kamera. Ini adalahunbiasanya dengan mengorbankan gambar yang gelap, berisik, dan seringkali tidak dapat digunakan.
●Jahitan
Selain itu, biasanya pencitraan subjek besar atau pencitraan berkelanjutan dengan kamera pemindaian area memerlukan akuisisi beberapa gambar, yang kemudian digabungkan. Penggabungan ini membutuhkan piksel yang tumpang tindih di antara gambar-gambar yang berdekatan, sehingga mengurangi efisiensi dan meningkatkan kebutuhan penyimpanan serta pemrosesan data.
●Pencahayaan tidak merata
Terlebih lagi, pencahayaannya jarang merata untuk menghindari masalah dan artefak pada batas antar gambar yang dijahit. Selain itu, untuk memberikan pencahayaan pada area yang cukup luas bagi kamera pemindai area dengan intensitas yang memadai, seringkali diperlukan penggunaan sumber cahaya DC berdaya tinggi dan berbiaya tinggi.
Pencahayaan yang tidak merata saat menggabungkan akuisisi multi-gambar otak tikus. Gambar dari Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Apa itu kamera TDI, dan apa manfaatnya?
Pada kamera pemindaian area 2 dimensi konvensional, terdapat tiga fase perolehan gambar: pengaturan ulang piksel, pencahayaan, dan pembacaan. Selama pencahayaan, foton dari pemandangan dideteksi, menghasilkan fotoelektron, yang disimpan dalam piksel kamera hingga akhir pencahayaan. Nilai dari setiap piksel kemudian dibaca, dan gambar 2D terbentuk. Piksel-piksel tersebut kemudian diatur ulang dan semua muatan dibersihkan untuk memulai pencahayaan berikutnya.
Namun, seperti yang telah disebutkan, jika subjek gambar bergerak relatif terhadap kamera, cahaya dari subjek dapat menyebar ke beberapa piksel selama pencahayaan ini, yang menyebabkan keburaman gerakan. Kamera TDI mengatasi keterbatasan ini dengan teknik inovatif. Hal ini ditunjukkan dalam [Animasi 1].
●Cara Kerja Kamera TDI
Kamera TDI beroperasi dengan cara yang sangat berbeda dengan kamera pemindaian area. Saat subjek gambar bergerak melintasi kamera selama proses pencahayaan, muatan elektronik yang membentuk gambar yang dihasilkan juga ikut bergerak, sehingga tetap sinkron. Selama proses pencahayaan, kamera TDI mampu memindahkan semua muatan yang dihasilkan dari satu baris piksel ke baris piksel berikutnya, di sepanjang kamera, yang disinkronkan dengan gerakan subjek gambar. Saat subjek bergerak melintasi kamera, setiap baris (dikenal sebagai 'TDI Stage') memberikan kesempatan baru untuk mengekspos kamera ke subjek dan mengumpulkan sinyal.
Setelah serangkaian muatan yang diperoleh mencapai ujung kamera, barulah nilainya dibaca dan disimpan sebagai potongan gambar 1 dimensi. Gambar 2-D dibentuk dengan menempelkan setiap potongan gambar berikutnya saat kamera membacanya. Setiap baris piksel dalam gambar yang dihasilkan melacak dan memotret 'potongan' yang sama dari subjek yang dicitrakan, artinya meskipun ada gerakan, tidak ada blur.
●Eksposur 256x Lebih Lama
Dengan kamera TDI, waktu pencahayaan efektif gambar ditentukan oleh total waktu yang dibutuhkan suatu titik pada subjek untuk melintasi setiap baris piksel, dengan hingga 256 tahapan yang tersedia pada beberapa kamera TDI. Ini berarti waktu pencahayaan yang tersedia secara efektif 256 kali lebih besar daripada yang dapat dicapai oleh kamera pemindaian area.
Hal ini dapat memberikan dua peningkatan, atau keseimbangan keduanya. Pertama, peningkatan kecepatan gambar yang signifikan dapat dicapai. Dibandingkan dengan kamera pemindaian area, subjek gambar dapat bergerak hingga 256 kali lebih cepat sambil tetap menangkap jumlah sinyal yang sama, asalkan laju garis kamera cukup cepat untuk mengimbanginya.
Di sisi lain, jika dibutuhkan sensitivitas yang lebih besar, waktu pencahayaan yang lebih lama dapat menghasilkan gambar dengan kualitas yang jauh lebih tinggi, intensitas pencahayaan yang lebih rendah, atau keduanya.
●Throughput data besar tanpa jahitan
Karena kamera TDI menghasilkan gambar 2 dimensi dari irisan 1 dimensi yang berurutan, gambar yang dihasilkan dapat berukuran sebesar yang dibutuhkan. Jumlah piksel pada arah 'horizontal' ditentukan oleh lebar kamera, misalnya 9072 piksel, sedangkan ukuran 'vertikal' gambar tidak terbatas, dan hanya ditentukan oleh lamanya waktu pengoperasian kamera. Dengan kecepatan saluran hingga 510kHz, hal ini dapat menghasilkan throughput data yang sangat besar.
Dengan kombinasi ini, kamera TDI dapat menawarkan bidang pandang yang sangat luas. Misalnya, kamera 9072 piksel dengan piksel 5µm memberikan bidang pandang horizontal 45mm dengan resolusi tinggi. Untuk mencapai lebar gambar yang sama dengan kamera pemindai area piksel 5µm, diperlukan hingga tiga kamera 4K yang berdampingan.
●Peningkatan pada kamera pemindai garis
Kamera TDI tidak hanya menawarkan peningkatan dibandingkan kamera pemindaian area. Kamera pemindaian garis, yang hanya menangkap satu baris piksel, juga memiliki banyak masalah yang sama dengan kamera pemindaian area, yaitu intensitas iluminasi dan pencahayaan pendek.
Meskipun seperti kamera TDI, kamera line scan menawarkan pencahayaan yang lebih merata dengan pengaturan yang lebih sederhana, dan menghindari kebutuhan penggabungan gambar, kamera ini seringkali membutuhkan pencahayaan yang sangat intens dan/atau pergerakan subjek yang lambat untuk menangkap sinyal yang cukup demi menghasilkan gambar berkualitas tinggi. Eksposur yang lebih panjang dan kecepatan subjek yang lebih cepat yang dimungkinkan oleh kamera TDI memungkinkan penggunaan pencahayaan dengan intensitas yang lebih rendah dan biaya yang lebih rendah sekaligus meningkatkan efisiensi pengambilan gambar. Misalnya, sebuah lini produksi dapat beralih dari lampu halogen berbiaya tinggi dan berdaya tinggi yang membutuhkan daya DC ke lampu LED.
Bagaimana cara kerja kamera TDI?
Ada tiga standar umum tentang cara mencapai pencitraan TDI pada sensor kamera.
● CCD TDIKamera CCD adalah jenis kamera digital tertua. Berkat desain elektroniknya, mencapai perilaku TDI pada CCD relatif sangat mudah, dengan banyak sensor kamera yang secara inheren mampu beroperasi dengan cara ini. Oleh karena itu, CCD TDI telah digunakan selama beberapa dekade.
Namun, teknologi CCD memiliki keterbatasan. Ukuran piksel terkecil yang umum tersedia untuk kamera CCD TDI adalah sekitar 12µm x 12µm – hal ini, ditambah dengan jumlah piksel yang kecil, membatasi kemampuan kamera untuk menangkap detail halus. Terlebih lagi, kecepatan akuisisi gambar lebih rendah dibandingkan teknologi lain, sementara noise pembacaan – faktor pembatas utama dalam pencitraan cahaya rendah – tinggi. Konsumsi daya juga tinggi, yang merupakan faktor utama dalam beberapa aplikasi. Hal ini mendorong keinginan untuk menciptakan kamera TDI berbasis arsitektur CMOS.
●CMOS TDI Awal: Domain tegangan dan penjumlahan digital
Kamera CMOS mengatasi banyak keterbatasan noise & kecepatan yang dimiliki kamera CCD, dengan konsumsi daya yang lebih rendah dan ukuran piksel yang lebih kecil. Namun, perilaku TDI jauh lebih sulit dicapai pada kamera CMOS karena desain pikselnya. CCD secara fisik memindahkan fotoelektron dari satu piksel ke piksel lainnya untuk mengelola sensor, sementara kamera CMOS mengubah sinyal dalam fotoelektron menjadi tegangan di setiap piksel sebelum pembacaan.
Perilaku TDI pada sensor CMOS telah dieksplorasi sejak tahun 2001. Namun, tantangan dalam menangani 'akumulasi' sinyal saat pencahayaan berpindah dari satu baris ke baris berikutnya cukup signifikan. Dua metode awal untuk TDI CMOS yang masih digunakan dalam kamera komersial saat ini adalah akumulasi domain tegangan dan penjumlahan digital TDI CMOS. Pada kamera akumulasi domain tegangan, setiap baris sinyal yang diperoleh seiring subjek gambar bergerak, tegangan yang diperoleh ditambahkan secara elektronik ke total akuisisi untuk bagian gambar tersebut. Akumulasi tegangan dengan cara ini menimbulkan noise tambahan untuk setiap tahap TDI tambahan yang ditambahkan, sehingga membatasi manfaat dari tahap tambahan tersebut. Masalah linearitas juga menjadi tantangan bagi penggunaan kamera ini untuk aplikasi presisi.
Metode kedua adalah penjumlahan digital (TDI). Dalam metode ini, kamera CMOS beroperasi secara efektif dalam mode pemindaian area dengan eksposur yang sangat singkat, yang disesuaikan dengan waktu yang dibutuhkan subjek gambar untuk bergerak melintasi satu baris piksel. Namun, baris-baris dari setiap frame berikutnya ditambahkan secara digital sedemikian rupa sehingga menghasilkan efek TDI. Karena seluruh kamera harus dibaca untuk setiap baris piksel dalam gambar yang dihasilkan, penjumlahan digital ini juga menambahkan noise pembacaan untuk setiap baris, dan membatasi kecepatan akuisisi.
●Standar modern: TDI CMOS domain muatan, atau CCD-on-CMOS TDI
Keterbatasan CMOS TDI di atas telah diatasi baru-baru ini melalui pengenalan TDI akumulasi domain muatan CMOS, yang juga dikenal sebagai CCD-on-CMOS TDI. Pengoperasian sensor ini ditunjukkan dalam [Animasi 1]. Sesuai namanya, sensor ini menawarkan pergerakan muatan seperti CCD dari satu piksel ke piksel berikutnya, mengakumulasi sinyal pada setiap tahap TDI melalui penambahan fotoelektron pada tingkat muatan individual. Hal ini secara efektif bebas derau. Namun, keterbatasan CCD TDI diatasi melalui penggunaan arsitektur pembacaan CMOS, yang memungkinkan kecepatan tinggi, derau rendah, dan konsumsi daya rendah yang umum pada kamera CMOS.
Spesifikasi TDI: apa yang penting?
●Teknologi:Faktor terpenting adalah teknologi sensor yang digunakan, seperti yang telah dibahas sebelumnya. CMOS TDI domain-muatan akan memberikan kinerja terbaik.
●Tahapan TDI:Ini adalah jumlah baris sensor tempat sinyal dapat diakumulasikan. Semakin banyak tahapan TDI yang dimiliki kamera, semakin lama waktu pencahayaan efektifnya. Atau, semakin cepat subjek gambar dapat bergerak, asalkan kamera memiliki laju garis yang memadai.
●Tarif Antrean:Jumlah baris yang dapat dibaca kamera per detik. Ini menentukan kecepatan maksimum pergerakan yang dapat diikuti kamera.
●Efisiensi KuantumHal ini menunjukkan sensitivitas kamera terhadap cahaya pada panjang gelombang yang berbeda, yang dipengaruhi oleh kemungkinan foton insiden terdeteksi dan menghasilkan fotoelektron. Efisiensi kuantum yang lebih tinggi dapat menghasilkan intensitas iluminasi yang lebih rendah, atau pengoperasian yang lebih cepat dengan tetap mempertahankan level sinyal yang sama.
Selain itu, kamera berbeda dalam rentang panjang gelombang di mana sensitivitas yang baik dapat dicapai, dengan beberapa kamera menawarkan sensitivitas hingga ke ujung spektrum ultraviolet (UV), pada panjang gelombang sekitar 200 nm.
●Baca Kebisingan:Noise pembacaan merupakan faktor penting lainnya dalam sensitivitas kamera, yang menentukan sinyal minimum yang dapat dideteksi di atas batas noise kamera. Dengan noise pembacaan yang tinggi, fitur gelap tidak dapat dideteksi dan rentang dinamis sangat berkurang, yang berarti pencahayaan yang lebih terang atau waktu pencahayaan yang lebih lama & kecepatan gerakan yang lebih lambat harus digunakan.
Spesifikasi TDI: apa yang penting?
Saat ini, kamera TDI digunakan untuk inspeksi web, inspeksi elektronik dan manufaktur, serta aplikasi penglihatan mesin lainnya. Selain itu, terdapat pula aplikasi yang menantang dalam kondisi minim cahaya seperti pencitraan fluoresensi dan pemindaian slide.
Namun, dengan diperkenalkannya kamera TDI CMOS berkecepatan tinggi, rendah noise, dan bersensitivitas tinggi, terdapat potensi besar untuk peningkatan kecepatan dan efisiensi dalam aplikasi baru yang sebelumnya hanya menggunakan kamera pemindaian area. Seperti yang telah kami perkenalkan di awal artikel, kamera TDI mungkin merupakan pilihan terbaik untuk mencapai kecepatan tinggi dan kualitas gambar yang tinggi, baik untuk pencitraan subjek yang terus bergerak, maupun di mana kamera dapat dipindai melintasi subjek pencitraan statis.
Misalnya, dalam aplikasi mikroskopi, kita dapat membandingkan kecepatan akuisisi teoretis kamera TDI 9K piksel, 256 stage, dan 5 µm piksel dengan kamera pemindai area 12MP dengan 5 µm piksel. Mari kita periksa akuisisi area 10 x 10 mm dengan perbesaran 20x dengan menggerakkan stage.
1. Menggunakan lensa objektif 20x dengan kamera pemindai area akan menghasilkan bidang pandang gambar 1,02 x 0,77 mm.
2. Dengan kamera TDI, lensa objektif 10x dengan perbesaran tambahan 2x dapat digunakan untuk mengatasi keterbatasan apa pun dalam bidang pandang mikroskop, untuk menghasilkan bidang pandang pencitraan horizontal 2,3 mm.
3. Dengan asumsi tumpang tindih piksel 2% antar gambar untuk tujuan penggabungan, 0,5 detik untuk memindahkan panggung ke lokasi yang ditentukan, dan waktu pencahayaan 10 ms, kita dapat menghitung waktu yang dibutuhkan kamera pemindai area. Demikian pula, kita dapat menghitung waktu yang dibutuhkan kamera TDI jika panggung terus bergerak untuk memindai ke arah Y, dengan waktu pencahayaan yang sama per baris.
4. Dalam kasus ini, kamera pemindaian area akan membutuhkan 140 gambar untuk diakuisisi, dengan waktu 63 detik untuk menggerakkan panggung. Kamera TDI hanya akan mengambil 5 gambar panjang, dengan waktu 2 detik untuk menggerakkan panggung ke kolom berikutnya.
5. Total waktu yang dihabiskan untuk memperoleh area berukuran 10 x 10 mm adalah64,4 detik untuk kamera pemindaian area,dan hanya9,9 detik untuk kamera TDI.
Jika Anda ingin melihat apakah kamera TDI dapat cocok dengan aplikasi Anda dan memenuhi kebutuhan Anda, hubungi kami hari ini.
