22/07/13L'integrazione a ritardo temporale (TDI) è una tecnica di imaging che precede l'imaging digitale, ma che offre ancora oggi enormi vantaggi all'avanguardia dell'imaging. Le telecamere TDI possono dare il meglio di sé in due circostanze, entrambe con il soggetto in movimento:
1 – Il soggetto dell'immagine è intrinsecamente in movimento a velocità costante, come nell'ispezione web (ad esempio la scansione di fogli di carta, plastica o tessuto in movimento per rilevare difetti e danni), nelle linee di assemblaggio o nella microfluidica e nei flussi di fluidi.
2 – Soggetti statici che possono essere ripresi da una telecamera spostata da un'area all'altra, spostando il soggetto o la telecamera. Esempi includono la scansione di vetrini da microscopio, l'ispezione di materiali, l'ispezione di schermi piatti, ecc.
Se una di queste circostanze può essere applicata al tuo imaging, questa pagina web ti aiuterà a valutare se il passaggio dalle tradizionali telecamere bidimensionali "area scan" alle telecamere Line Scan TDI potrebbe dare una spinta al tuo imaging.
Il problema con Area-Scan e Moving Targets
● Sfocatura da movimento
Alcuni soggetti da riprendere sono necessariamente in movimento, ad esempio nell'ispezione del flusso di fluidi o di nastri trasportatori. In altre applicazioni, come la scansione di diapositive e l'ispezione di materiali, mantenere il soggetto in movimento può essere considerevolmente più rapido ed efficiente rispetto all'arresto del movimento per ogni immagine acquisita. Tuttavia, per le telecamere a scansione area, se il soggetto da riprendere è in movimento rispetto alla telecamera, questo può rappresentare una sfida.
Sfocatura da movimento che distorce l'immagine di un veicolo in movimento
In situazioni di illuminazione limitata o in cui è richiesta un'elevata qualità dell'immagine, potrebbe essere preferibile un tempo di esposizione lungo. Tuttavia, il movimento del soggetto distribuirà la luce su più pixel della fotocamera durante l'esposizione, causando un effetto "motion blur". Questo può essere ridotto al minimo mantenendo esposizioni molto brevi, inferiori al tempo che un punto sul soggetto impiegherebbe per attraversare un pixel della fotocamera. Questo è ilundi solito a scapito di immagini scure, rumorose e spesso inutilizzabili.
●Cucitura
Inoltre, in genere, l'acquisizione di immagini di soggetti di grandi dimensioni o di immagini continue con telecamere a scansione area richiede l'acquisizione di più immagini, che vengono poi unite. Questa operazione richiede la sovrapposizione di pixel tra immagini adiacenti, riducendo l'efficienza e aumentando i requisiti di archiviazione ed elaborazione dei dati.
●Illuminazione non uniforme
Inoltre, l'illuminazione sarà raramente sufficientemente uniforme da evitare problemi e artefatti ai bordi tra le immagini unite. Inoltre, per fornire un'illuminazione sufficientemente intensa su un'area sufficientemente ampia per la telecamera area-scan, spesso è necessario utilizzare sorgenti luminose a corrente continua ad alta potenza e costo elevato.
Illuminazione non uniforme durante l'unione di più immagini acquisite del cervello di un topo. Immagine da Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Cos'è una telecamera TDI e in che modo può essere utile?
Nelle fotocamere area-scan bidimensionali convenzionali, l'acquisizione di un'immagine avviene in tre fasi: reset dei pixel, esposizione e lettura. Durante l'esposizione, vengono rilevati i fotoni provenienti dalla scena, che si traducono in fotoelettroni, che vengono memorizzati nei pixel della fotocamera fino al termine dell'esposizione. I valori di ogni pixel vengono quindi letti e si forma un'immagine 2D. I pixel vengono quindi resettati e tutte le cariche vengono eliminate per iniziare l'esposizione successiva.
Tuttavia, come accennato, se il soggetto ripreso è in movimento rispetto alla fotocamera, la luce del soggetto può diffondersi su più pixel durante l'esposizione, causando sfocature dovute al movimento. Le fotocamere TDI superano questa limitazione utilizzando una tecnica innovativa. Questo è dimostrato in [Animazione 1].
●Come funzionano le telecamere TDI
Le telecamere TDI funzionano in modo fondamentalmente diverso dalle telecamere a scansione area. Quando il soggetto si muove attraverso la telecamera durante l'esposizione, anche le cariche elettroniche che compongono l'immagine acquisita si spostano, rimanendo sincronizzate. Durante l'esposizione, le telecamere TDI sono in grado di spostare tutte le cariche acquisite da una riga di pixel all'altra, lungo la telecamera, sincronizzandosi con il movimento del soggetto. Mentre il soggetto si muove attraverso la telecamera, ogni riga (nota come "TDI Stage") offre una nuova opportunità per esporre la telecamera al soggetto e accumulare il segnale.
Solo quando una fila di cariche acquisite raggiunge la fine della telecamera, i valori vengono letti e memorizzati come una sezione unidimensionale dell'immagine. L'immagine bidimensionale si forma unendo insieme le sezioni successive dell'immagine man mano che la telecamera le legge. Ogni riga di pixel nell'immagine risultante traccia e riproduce la stessa "sezione" del soggetto, il che significa che, nonostante il movimento, non si verifica alcuna sfocatura.
●Esposizione 256x più lunga
Con le telecamere TDI, il tempo di esposizione effettivo dell'immagine è dato dal tempo totale impiegato da un punto sul soggetto per attraversare ogni riga di pixel, con fino a 256 livelli disponibili su alcune telecamere TDI. Ciò significa che il tempo di esposizione disponibile è effettivamente 256 volte maggiore di quello che potrebbe raggiungere una telecamera a scansione area.
Ciò può apportare due miglioramenti, o un equilibrio tra i due. In primo luogo, è possibile ottenere un significativo aumento della velocità di imaging. Rispetto a una telecamera a scansione d'area, il soggetto ripreso può muoversi fino a 256 volte più velocemente, pur catturando la stessa quantità di segnale, a condizione che la velocità di linea della telecamera sia sufficientemente elevata da tenere il passo.
D'altro canto, se è richiesta una maggiore sensibilità, un tempo di esposizione più lungo potrebbe consentire di ottenere immagini di qualità molto più elevata, un'intensità di illuminazione inferiore o entrambe le cose.
●Elevata capacità di elaborazione dei dati senza cucitura
Poiché la telecamera TDI produce un'immagine bidimensionale a partire da sezioni monodimensionali successive, l'immagine risultante può avere le dimensioni desiderate. Mentre il numero di pixel in direzione "orizzontale" è dato dalla larghezza della telecamera, ad esempio 9072 pixel, la dimensione "verticale" dell'immagine è illimitata e determinata semplicemente dalla durata di utilizzo della telecamera. Con velocità di linea fino a 510 kHz, questo può garantire un'enorme capacità di elaborazione dei dati.
Grazie a ciò, le telecamere TDI possono offrire campi visivi molto ampi. Ad esempio, una telecamera da 9072 pixel con pixel da 5 µm offre un campo visivo orizzontale di 45 mm ad alta risoluzione. Per ottenere la stessa ampiezza di immagine con una telecamera a scansione d'area da 5 µm, sarebbero necessarie fino a tre telecamere 4K affiancate.
●Miglioramenti rispetto alle telecamere a scansione lineare
Le telecamere TDI non offrono solo miglioramenti rispetto alle telecamere a scansione area. Anche le telecamere a scansione lineare, che catturano una singola linea di pixel, presentano molti degli stessi problemi di intensità luminosa e tempi di esposizione brevi delle telecamere a scansione area.
Sebbene, come le telecamere TDI, le telecamere a scansione lineare offrano un'illuminazione più uniforme con una configurazione più semplice ed evitino la necessità di stitching delle immagini, spesso richiedono un'illuminazione molto intensa e/o un movimento lento del soggetto per catturare un segnale sufficiente per un'immagine di alta qualità. Le esposizioni più lunghe e le velocità più elevate del soggetto consentite dalle telecamere TDI consentono di utilizzare un'illuminazione a bassa intensità e a basso costo, migliorando al contempo l'efficienza di imaging. Ad esempio, una linea di produzione potrebbe essere in grado di passare dalle costose lampade alogene ad alto consumo energetico che richiedono alimentazione a corrente continua all'illuminazione a LED.
Come funzionano le telecamere TDI?
Esistono tre standard comuni per ottenere immagini TDI su un sensore di fotocamera.
● CCD TDI– Le telecamere CCD sono il modello più antico di fotocamere digitali. Grazie alla loro progettazione elettronica, ottenere il comportamento TDI su un CCD è relativamente molto semplice, con molti sensori di fotocamere intrinsecamente in grado di funzionare in questo modo. I CCD TDI sono quindi in uso da decenni.
Tuttavia, la tecnologia CCD presenta i suoi limiti. La dimensione minima dei pixel comunemente disponibile per le telecamere CCD TDI è di circa 12 µm x 12 µm: questo, insieme al ridotto numero di pixel, limita la capacità delle telecamere di risolvere i dettagli più fini. Inoltre, la velocità di acquisizione è inferiore rispetto ad altre tecnologie, mentre il rumore di lettura, un fattore limitante importante nell'imaging in condizioni di scarsa illuminazione, è elevato. Anche il consumo energetico è elevato, il che rappresenta un fattore determinante in alcune applicazioni. Ciò ha portato alla volontà di creare telecamere TDI basate sull'architettura CMOS.
●TDI CMOS iniziale: dominio della tensione e somma digitale
Le telecamere CMOS superano molti dei limiti di rumore e velocità delle telecamere CCD, consumando meno energia e offrendo pixel di dimensioni inferiori. Tuttavia, il comportamento TDI era molto più difficile da ottenere sulle telecamere CMOS, a causa della progettazione dei pixel. Mentre i CCD spostano fisicamente i fotoelettroni da un pixel all'altro per gestire il sensore, le telecamere CMOS convertono i segnali nei fotoelettroni in tensioni in ciascun pixel prima della lettura.
Il comportamento del TDI su un sensore CMOS è stato esplorato fin dal 2001, tuttavia, la sfida su come gestire l'"accumulo" di segnale durante il passaggio dell'esposizione da una riga all'altra era significativa. Due dei primi metodi per il TDI CMOS, ancora utilizzati nelle fotocamere commerciali, sono l'accumulo nel dominio della tensione e il TDI CMOS a somma digitale. Nelle fotocamere ad accumulo nel dominio della tensione, man mano che ogni riga di segnale viene acquisita al passaggio del soggetto, la tensione acquisita viene aggiunta elettronicamente all'acquisizione totale per quella parte dell'immagine. Accumulare tensioni in questo modo introduce rumore aggiuntivo per ogni stadio TDI aggiuntivo aggiunto, limitando i vantaggi degli stadi aggiuntivi. Anche i problemi di linearità mettono a dura prova l'utilizzo di queste fotocamere per applicazioni di precisione.
Il secondo metodo è la somma digitale TDI. In questo metodo, una telecamera CMOS funziona di fatto in modalità area scan con un'esposizione molto breve, corrispondente al tempo impiegato dal soggetto per muoversi attraverso una singola riga di pixel. Tuttavia, le righe di ogni fotogramma successivo vengono sommate digitalmente in modo da ottenere un effetto TDI. Poiché l'intera telecamera deve essere letta per ogni riga di pixel nell'immagine risultante, questa somma digitale aggiunge anche il rumore di lettura per ogni riga e limita la velocità di acquisizione.
●Lo standard moderno: CMOS TDI a dominio di carica o TDI CCD-on-CMOS
I limiti del CMOS TDI sopra descritti sono stati superati di recente grazie all'introduzione del CMOS TDI ad accumulo di carica, noto anche come CCD-on-CMOS TDI. Il funzionamento di questi sensori è illustrato in [Animazione 1]. Come suggerisce il nome, questi sensori offrono il movimento di cariche da un pixel all'altro, simile a quello dei CCD, accumulando il segnale in ogni stadio TDI attraverso l'aggiunta di fotoelettroni a livello delle singole cariche. Questo è praticamente privo di rumore. Tuttavia, i limiti del CCD TDI vengono superati grazie all'utilizzo dell'architettura di lettura CMOS, che consente le elevate velocità, il basso rumore e il basso consumo energetico tipici delle telecamere CMOS.
Specifiche TDI: cosa conta?
●Tecnologia:Il fattore più importante è la tecnologia dei sensori utilizzata, come discusso in precedenza. I sensori TDI CMOS a dominio di carica offrono le prestazioni migliori.
●Fasi TDI:Questo è il numero di righe del sensore su cui può essere accumulato il segnale. Più stadi TDI ha una fotocamera, più lungo può essere il suo tempo di esposizione effettivo. Oppure, più velocemente può muoversi il soggetto ripreso, a condizione che la fotocamera abbia una velocità di linea sufficiente.
●Velocità di linea:Numero di righe che la telecamera può leggere al secondo. Questo determina la velocità massima di movimento che la telecamera può mantenere.
●Efficienza quantistica: Indica la sensibilità della fotocamera alla luce a diverse lunghezze d'onda, data dalla probabilità che un fotone incidente venga rilevato e produca un fotoelettrone. Una maggiore efficienza quantica può offrire una minore intensità luminosa o un funzionamento più rapido mantenendo gli stessi livelli di segnale.
Inoltre, le fotocamere differiscono per l'intervallo di lunghezza d'onda in cui è possibile ottenere una buona sensibilità: alcune fotocamere offrono una sensibilità fino all'estremità ultravioletta (UV) dello spettro, a una lunghezza d'onda di circa 200 nm.
●Rumore di lettura:Il rumore di lettura è l'altro fattore significativo nella sensibilità di una telecamera, poiché determina il segnale minimo che può essere rilevato al di sopra del rumore di fondo della telecamera. Con un rumore di lettura elevato, le caratteristiche scure non possono essere rilevate e la gamma dinamica è notevolmente ridotta, il che significa che è necessario utilizzare un'illuminazione più intensa o tempi di esposizione più lunghi e velocità di movimento più lente.
Specifiche TDI: cosa conta?
Attualmente, le telecamere TDI vengono utilizzate per l'ispezione di nastri trasportatori, l'ispezione di componenti elettronici e di produzione e altre applicazioni di visione artificiale. A queste si affiancano applicazioni complesse in condizioni di scarsa illuminazione, come l'imaging a fluorescenza e la scansione di diapositive.
Tuttavia, con l'introduzione di telecamere CMOS TDI ad alta velocità, basso rumore e alta sensibilità, esiste un grande potenziale per aumentare la velocità e l'efficienza in nuove applicazioni che in precedenza utilizzavano solo telecamere a scansione area. Come abbiamo introdotto all'inizio dell'articolo, le telecamere TDI potrebbero rappresentare la scelta migliore per ottenere velocità elevate e un'elevata qualità dell'immagine, sia per l'acquisizione di soggetti in continuo movimento, sia per la scansione di soggetti statici.
Ad esempio, in un'applicazione di microscopia, potremmo confrontare la velocità di acquisizione teorica di una telecamera TDI da 9K pixel, 256 stadi con pixel da 5 µm con una telecamera a scansione d'area da 12 MP con pixel da 5 µm. Esaminiamo l'acquisizione di un'area di 10 x 10 mm con ingrandimento 20x tramite lo spostamento del tavolino.
1. Utilizzando un obiettivo 20x con la telecamera a scansione d'area si otterrebbe un campo visivo di imaging di 1,02 x 0,77 mm.
2. Con la telecamera TDI, è possibile utilizzare un obiettivo 10x con un ingrandimento aggiuntivo 2x per superare qualsiasi limitazione nel campo visivo del microscopio, per ottenere un campo visivo di imaging orizzontale di 2,3 mm.
3. Supponendo una sovrapposizione di pixel del 2% tra le immagini per l'unione, 0,5 secondi per spostare il tavolino in una posizione definita e un tempo di esposizione di 10 ms, possiamo calcolare il tempo che impiegherebbe la telecamera a scansione d'area. Analogamente, possiamo calcolare il tempo che impiegherebbe la telecamera TDI se il tavolino fosse mantenuto in movimento costante per la scansione in direzione Y, con lo stesso tempo di esposizione per linea.
4. In questo caso, la telecamera a scansione d'area richiederebbe l'acquisizione di 140 immagini, impiegando 63 secondi per spostare il tavolino. La telecamera TDI acquisirebbe solo 5 immagini lunghe, impiegando solo 2 secondi per spostare il tavolino alla colonna successiva.
5. Il tempo totale impiegato per acquisire l'area di 10 x 10 mm sarebbe64,4 secondi per la telecamera di scansione dell'area,e solo9,9 secondi per la telecamera TDI.
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