Tanggal 25/08/08Dalam pencitraan industri dan ilmiah, menangkap objek yang bergerak cepat dalam kondisi minim cahaya selalu menjadi tantangan. Di sinilah kamera Time Delay Integration (TDI) berperan. Teknologi TDI menggabungkan sinkronisasi gerakan dan beberapa eksposur untuk menghasilkan sensitivitas dan kejernihan gambar yang luar biasa, terutama dalam lingkungan berkecepatan tinggi.
Apa itu Kamera TDI?
Kamera TDI adalah kamera pemindai garis khusus yang menangkap gambar objek bergerak. Tidak seperti kamera pemindai area standar yang mengekspos seluruh frame sekaligus, kamera TDI memindahkan muatan dari satu baris piksel ke baris piksel berikutnya secara sinkron dengan gerakan objek. Setiap baris piksel mengakumulasi cahaya seiring subjek bergerak, sehingga secara efektif meningkatkan waktu pencahayaan dan memperkuat sinyal tanpa menimbulkan efek blur.
Integrasi muatan ini secara drastis meningkatkan rasio sinyal terhadap derau (SNR), menjadikan kamera TDI ideal untuk aplikasi berkecepatan tinggi atau cahaya redup.
Bagaimana Cara Kerja Kamera TDI?
Pengoperasian kamera TDI diilustrasikan pada Gambar 1.
Gambar 1: Pengoperasian sensor Time Delay Integration (TDI)
CATATAN: Kamera TDI memindahkan muatan yang diperoleh melalui beberapa 'tahap' secara sinkron dengan subjek gambar yang bergerak. Setiap tahap memberikan peluang tambahan untuk terpapar cahaya. Diilustrasikan melalui 'T' terang yang bergerak melintasi kamera, dengan segmen sensor TDI yang terdiri dari 5 kolom dan 5 tahap. Tucsen Dhyana 9KTDI dengan pergerakan muatan hibrida bergaya CCD tetapi pembacaan paralel bergaya CMOS.
Kamera TDI pada dasarnya adalah kamera pemindai garis, dengan satu perbedaan penting: alih-alih satu baris piksel yang memperoleh data saat kamera dipindai melintasi subjek pencitraan, kamera TDI memiliki beberapa baris, yang dikenal sebagai 'tahapan', hingga umumnya berjumlah 256.
Namun, baris-baris ini tidak membentuk gambar dua dimensi seperti kamera pemindaian area. Sebaliknya, ketika subjek gambar yang dipindai bergerak melintasi sensor kamera, fotoelektron yang terdeteksi di dalam setiap piksel berpindah ke baris berikutnya secara sinkron dengan pergerakan subjek gambar, tanpa terbaca. Setiap baris tambahan kemudian memberikan kesempatan tambahan untuk mengekspos subjek gambar ke cahaya. Hanya setelah potongan gambar mencapai baris piksel terakhir sensor, baris tersebut diteruskan ke arsitektur pembacaan untuk pengukuran.
Oleh karena itu, meskipun beberapa pengukuran dilakukan di seluruh tahapan kamera, hanya satu contoh noise pembacaan kamera yang muncul. Kamera TDI 256-tahap menjaga sampel tetap terlihat 256 kali lebih lama, sehingga memiliki waktu pencahayaan 256 kali lebih lama daripada kamera pemindai garis yang setara. Waktu pencahayaan yang setara dengan kamera pemindai area akan menghasilkan blur gerakan yang ekstrem, sehingga gambar menjadi tidak berguna.
Kapan TDI Dapat Digunakan?
Kamera TDI merupakan solusi terbaik untuk aplikasi pencitraan apa pun di mana subjek pencitraan bergerak relatif terhadap kamera, dengan syarat gerakan tersebut seragam di seluruh tampilan kamera.
Oleh karena itu, aplikasi pencitraan TDI mencakup, di satu sisi, semua pemindaian garis yang menghasilkan gambar dua dimensi, sekaligus menghadirkan kecepatan yang lebih tinggi, sensitivitas cahaya rendah yang jauh lebih baik, kualitas gambar yang lebih baik, atau ketiganya sekaligus. Di sisi lain, terdapat banyak teknik pencitraan yang menggunakan kamera pemindaian area yang dapat menggunakan kamera TDI.
Untuk TDI sCMOS sensitivitas tinggi, pencitraan 'ubin dan jahit' dalam mikroskop fluoresensi biologis dapat dilakukan dengan menggunakan pemindaian terus-menerus pada stage, alih-alih pengubinan. Atau, semua TDI dapat sangat cocok untuk aplikasi inspeksi. Aplikasi penting lainnya untuk TDI adalah pencitraan sitometri aliran, di mana gambar fluoresensi sel diperoleh saat melewati kamera sambil mengalir melalui saluran mikrofluida.
Kelebihan dan Kekurangan sCMOS TDI
Kelebihan
● Dapat menangkap gambar 2 dimensi dengan ukuran sembarangan dengan kecepatan tinggi saat memindai subjek pencitraan.
● Beberapa tahap TDI, tingkat kebisingan rendah, dan QE tinggi dapat menghasilkan sensitivitas yang jauh lebih tinggi daripada kamera pemindaian garis.
● Kecepatan pembacaan yang sangat tinggi dapat dicapai, misalnya, hingga 510.000Hz (baris per detik), untuk gambar selebar 9.072 piksel.
●Pencahayaan hanya perlu 1 dimensi dan tidak memerlukan koreksi bidang datar atau koreksi lainnya pada dimensi kedua (yang dipindai). Selain itu, waktu pencahayaan yang lebih lama dibandingkan dengan pemindaian garis dapat 'menghaluskan' kedipan akibat sumber cahaya AC.
● Gambar bergerak dapat diperoleh tanpa kaburnya gerakan dan dengan kecepatan dan sensitivitas tinggi.
●Memindai area yang luas dapat dilakukan jauh lebih cepat daripada kamera pemindai area.
● Dengan perangkat lunak canggih atau pengaturan pemicu, mode 'seperti pemindaian area' dapat memberikan ikhtisar pemindaian area untuk fokus dan penyelarasan.
Kontra
● Noise masih lebih tinggi dibandingkan kamera sCMOS konvensional, yang berarti aplikasi cahaya sangat rendah tidak dapat dijangkau.
● Memerlukan pengaturan spesialis dengan pemicu tingkat lanjut untuk menyinkronkan pergerakan subjek pencitraan dengan pemindaian kamera, kontrol kecepatan gerakan yang sangat teliti, atau prediksi kecepatan yang akurat untuk memungkinkan sinkronisasi.
● Sebagai teknologi baru, saat ini hanya ada sedikit solusi untuk implementasi perangkat keras dan perangkat lunak.
sCMOS TDI yang mampu bekerja dalam kondisi minim cahaya
Meskipun TDI sebagai teknik pencitraan sudah ada sebelum pencitraan digital, dan sudah lama melampaui pemindaian garis dalam hal kinerja, baru dalam beberapa tahun terakhir kamera TDI memperoleh sensitivitas yang diperlukan untuk mencapai aplikasi cahaya rendah yang biasanya memerlukan sensitivitas tingkat ilmiah.kamera sCMOS.
'sCMOS TDI' menggabungkan pergerakan muatan bergaya CCD melintasi sensor dengan pembacaan bergaya sCMOS, dengan sensor bercahaya belakang yang tersedia. Kamera TDI berbasis CCD atau berbasis CMOS murni* sebelumnya memiliki pembacaan yang jauh lebih lambat, jumlah piksel yang lebih sedikit, tahapan yang lebih sedikit, dan noise pembacaan antara 30e- dan >100e-. Sebaliknya, sCMOS TDI seperti TucsenKamera Dhyana 9KTDI sCMOSmenawarkan noise baca sebesar 7,2e-, dipadukan dengan efisiensi kuantum yang lebih tinggi melalui iluminasi belakang, yang memungkinkan penggunaan TDI dalam aplikasi tingkat cahaya yang jauh lebih rendah daripada yang memungkinkan sebelumnya.
Dalam banyak aplikasi, waktu pencahayaan yang lebih lama yang dimungkinkan oleh proses TDI dapat lebih dari sekadar mengimbangi peningkatan noise pembacaan dibandingkan dengan kamera pemindaian area sCMOS berkualitas tinggi dengan noise pembacaan mendekati 1e-.
Aplikasi Umum Kamera TDI
Kamera TDI ditemukan di banyak industri di mana presisi dan kecepatan sama pentingnya:
● Inspeksi wafer semikonduktor
● Pengujian tampilan panel datar (FPD)
● Inspeksi web (kertas, film, foil, tekstil)
● Pemindaian sinar X dalam diagnostik medis atau pemeriksaan bagasi
● Pemindaian slide dan pelat multi-sumur dalam patologi digital
● Pencitraan hiperspektral dalam penginderaan jarak jauh atau pertanian
● Inspeksi PCB dan elektronik di jalur SMT
Aplikasi ini mendapat manfaat dari peningkatan kontras, kecepatan, dan kejelasan yang diberikan pencitraan TDI dalam batasan dunia nyata.
Contoh: Pemindaian Slide dan Pelat Multi-Sumur
Sebagaimana telah disebutkan, salah satu aplikasi yang sangat menjanjikan untuk kamera sCMOS TDI adalah aplikasi penggabungan, termasuk pemindaian slide atau pelat multi-sumur. Pemindaian sampel mikroskop fluoresen atau brightfield berukuran besar dengan kamera area 2 dimensi bergantung pada penggabungan kisi gambar yang terbentuk dari beberapa gerakan tahapan mikroskop XY. Setiap gambar mengharuskan tahapan untuk berhenti, diam, lalu mulai ulang, disertai penundaan rana bergulir. Di sisi lain, TDI dapat memperoleh gambar saat tahapan sedang bergerak. Gambar kemudian dibentuk dari sejumlah kecil 'strip' panjang, yang masing-masing menutupi seluruh lebar sampel. Hal ini berpotensi menghasilkan kecepatan akuisisi dan throughput data yang jauh lebih tinggi di semua aplikasi penggabungan, tergantung pada kondisi pencitraan.
Kecepatan pergerakan panggung berbanding terbalik dengan total waktu pencahayaan kamera TDI. Oleh karena itu, waktu pencahayaan yang singkat (1-20 ms) menawarkan peningkatan kecepatan pengambilan gambar yang paling signifikan dibandingkan dengan kamera pemindaian area. Hal ini kemudian dapat menghasilkan pengurangan waktu akuisisi total hingga satu orde magnitudo atau lebih besar. Untuk waktu pencahayaan yang lebih lama (misalnya > 100 ms), pemindaian area biasanya dapat mempertahankan keunggulan waktu.
Contoh gambar mikroskop fluoresensi berukuran sangat besar (2 Gigapiksel) yang terbentuk hanya dalam waktu sepuluh detik ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar ekuivalen yang terbentuk dengan kamera pemindaian area diperkirakan memerlukan waktu hingga beberapa menit.
Gambar 2: Gambar 2 Gigapiksel terbentuk dalam 10 detik melalui pemindaian & penjahitan TDI
CATATAN: Gambar perbesaran 10x diperoleh menggunakan Tucsen Dhyana 9kTDI berupa titik-titik spidol stabilo yang diamati dengan mikroskop fluoresensi. Gambar diperoleh dalam 10 detik dengan waktu pencahayaan 3,6 ms. Dimensi gambar: 30 mm x 17 mm, 58.000 x 34.160 piksel.
Sinkronisasi TDI
Sinkronisasi kamera TDI dengan subjek gambar (hingga beberapa persen) sangat penting – ketidaksesuaian kecepatan akan menyebabkan efek 'gerakan kabur'. Sinkronisasi ini dapat dilakukan dengan dua cara:
PrediktifKecepatan kamera diatur agar sesuai dengan kecepatan gerak berdasarkan pengetahuan tentang kecepatan gerak sampel, optik (perbesaran), dan ukuran piksel kamera. Atau, coba-coba.
TerpicuBanyak stage mikroskop, gantry, dan peralatan lain untuk menggerakkan subjek pencitraan dapat dilengkapi enkoder yang mengirimkan pulsa pemicu ke kamera untuk jarak gerak tertentu. Hal ini memungkinkan stage/gantry dan kamera tetap sinkron terlepas dari kecepatan gerak.
Kamera TDI vs. Kamera Pemindai Garis dan Pemindai Area
Berikut ini perbandingan TDI dengan teknologi pencitraan populer lainnya:
| Fitur | Kamera TDI | Kamera Pemindai Garis | Kamera Pemindai Area |
| Kepekaan | Sangat Tinggi | Sedang | Rendah hingga Sedang |
| Kualitas Gambar (gerakan) | Bagus sekali | Bagus | Kabur pada kecepatan tinggi |
| Persyaratan Pencahayaan | Rendah | Sedang | Tinggi |
| Kompatibilitas Gerakan | Sangat baik (jika disinkronkan) | Bagus | Miskin |
| Terbaik Untuk | Kecepatan tinggi, cahaya redup | Objek yang bergerak cepat | Adegan statis atau lambat |
TDI adalah pilihan yang tepat ketika pemandangan bergerak cepat dan tingkat cahaya terbatas. Pemindaian garis memiliki sensitivitas yang lebih rendah, sementara pemindaian area lebih baik untuk pengaturan sederhana atau stasioner.
Memilih Kamera TDI yang Tepat
Saat memilih kamera TDI, pertimbangkan hal berikut:
● Jumlah tahap TDI: Lebih banyak tahap akan meningkatkan SNR, tetapi juga biaya dan kompleksitas.
● Jenis sensor: sCMOS lebih disukai karena kecepatannya dan noise yang rendah; CCD mungkin masih cocok untuk beberapa sistem lama.
● Antarmuka: Pastikan kompatibilitas dengan sistem Anda—Camera Link, CoaXPress, dan 10GigE adalah opsi umum, 100G CoF dan 40G CoF telah muncul sebagai tren baru.
● Respons spektral: Pilih antara monokrom, berwarna, atau inframerah dekat (NIR) berdasarkan kebutuhan aplikasi.
● Opsi sinkronisasi: Cari fitur seperti masukan encoder atau dukungan pemicu eksternal untuk penyelarasan gerakan yang lebih baik.
Jika aplikasi Anda melibatkan sampel biologis yang halus, inspeksi berkecepatan tinggi, atau lingkungan dengan cahaya redup, sCMOS TDI mungkin merupakan pilihan yang tepat.
Kesimpulan
Kamera TDI merepresentasikan evolusi yang dahsyat dalam teknologi pencitraan, terutama jika dibangun di atas sensor sCMOS. Dengan menggabungkan sinkronisasi gerakan dengan integrasi multi-garis, kamera ini menawarkan sensitivitas dan kejernihan yang tak tertandingi untuk pemandangan dinamis dengan pencahayaan redup.
Baik Anda memeriksa wafer, memindai slide, atau melakukan inspeksi kecepatan tinggi, memahami cara kerja TDI dapat membantu Anda memilih solusi terbaik di antarakamera ilmiahuntuk tantangan pencitraan Anda.
Tanya Jawab Umum
Bisakah kamera TDI beroperasi dalam mode pemindaian area?
Kamera TDI dapat menghasilkan gambar 2 dimensi (sangat tipis) dalam mode "mirip pemindaian area", yang dicapai melalui trik pengaturan waktu sensor. Hal ini dapat membantu tugas-tugas seperti pemfokusan dan penyelarasan.
Untuk memulai 'eksposur pemindaian area', sensor pertama-tama 'dibersihkan' dengan memajukan TDI setidaknya sebanyak jumlah tahapan yang dimiliki kamera, secepat mungkin, lalu berhenti. Hal ini dicapai melalui kontrol perangkat lunak atau pemicu perangkat keras, dan idealnya dilakukan dalam kondisi gelap. Misalnya, kamera dengan 256 tahapan harus membaca setidaknya 256 baris, lalu berhenti. 256 baris data ini kemudian dibuang.
Saat kamera tidak dipicu atau garis terbaca, sensor berperilaku seperti sensor pemindaian area yang memaparkan gambar.
Waktu pencahayaan yang diinginkan kemudian harus berlalu saat kamera diam, sebelum kembali memajukan kamera setidaknya beberapa tahapannya, membaca setiap baris gambar yang baru saja diambil. Sekali lagi, idealnya fase 'pembacaan' ini harus terjadi dalam kegelapan.
Teknik ini dapat diulang untuk memberikan 'pratinjau langsung' atau rangkaian gambar pemindaian area dengan distorsi dan keburaman minimal dari operasi TDI.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Hak cipta dilindungi undang-undang. Saat mengutip, harap sebutkan sumbernya:www.tucsen.com
