13/07/2022La tecnica di integrazione a ritardo temporale (TDI) è una tecnica di imaging precedente all'avvento dell'imaging digitale, ma che offre ancora oggi enormi vantaggi all'avanguardia del settore. Le telecamere TDI eccellono in due circostanze specifiche, entrambe quando il soggetto ripreso è in movimento:
1 – Il soggetto dell'immagine è intrinsecamente in movimento a velocità costante, come nell'ispezione di nastri (ad esempio, la scansione di fogli di carta, plastica o tessuto in movimento per individuare 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, muovendo sia il soggetto che la telecamera. Esempi includono la scansione di vetrini al microscopio, l'ispezione dei materiali, l'ispezione di pannelli piatti, ecc.
Se una di queste circostanze si applica al tuo caso di imaging, questa pagina web ti aiuterà a valutare se il passaggio da telecamere convenzionali a scansione bidimensionale "area scan" a telecamere Line Scan TDI potrebbe migliorare la qualità delle tue immagini.
Il problema con Area-Scan e bersagli in movimento
● Effetto sfocatura di movimento
Alcuni soggetti da acquisire tramite imaging sono necessariamente in movimento, ad esempio nell'ispezione di fluidi o nastri. In altre applicazioni, come la scansione di vetrini e l'ispezione di materiali, mantenere il soggetto in movimento può essere considerevolmente più veloce ed efficiente rispetto all'arresto del movimento per ogni immagine acquisita. Tuttavia, per le telecamere a scansione di area, se il soggetto da acquisire è in movimento rispetto alla telecamera, ciò può rappresentare una sfida.
Sfocatura da movimento che distorce l'immagine di un veicolo in movimento
In situazioni con illuminazione limitata o dove è richiesta un'elevata qualità dell'immagine, potrebbe essere desiderabile un tempo di esposizione lungo della fotocamera. Tuttavia, il movimento del soggetto diffonderà la sua luce su più pixel della fotocamera durante l'esposizione, causando la "sfocatura da movimento". Questo può essere minimizzato mantenendo esposizioni molto brevi, inferiori al tempo necessario affinché un punto del soggetto attraversi un pixel della fotocamera. Questo è ilunsolitamente a scapito di immagini scure, rumorose e spesso inutilizzabili.
●Cucitura
Inoltre, l'acquisizione di immagini di soggetti ampi o continui tramite telecamere a scansione di area richiede in genere l'acquisizione di più immagini, che vengono poi unite. Questa operazione di unione comporta la sovrapposizione dei pixel tra le immagini adiacenti, riducendo l'efficienza e aumentando i requisiti di archiviazione e di elaborazione dei dati.
●Illuminazione non uniforme
Inoltre, l'illuminazione raramente sarà sufficientemente uniforme da evitare problemi e artefatti ai bordi tra le immagini unite. Infine, per illuminare un'area abbastanza ampia con un'intensità adeguata per la telecamera a scansione di area, spesso è necessario utilizzare sorgenti luminose a corrente continua ad alta potenza e costose.
Illuminazione non uniforme durante l'assemblaggio di un'acquisizione multi-immagine del cervello di un topo. Immagine tratta da Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Cos'è una telecamera TDI e a cosa serve?
Nelle telecamere a scansione bidimensionale convenzionali, l'acquisizione di un'immagine si articola in tre fasi: azzeramento dei pixel, esposizione e lettura. Durante l'esposizione, i fotoni provenienti dalla scena vengono rilevati, generando fotoelettroni che vengono immagazzinati nei pixel della telecamera fino al termine dell'esposizione. I valori di ciascun pixel vengono quindi letti, formando un'immagine bidimensionale. Successivamente, i pixel vengono azzerati e tutte le cariche vengono eliminate per iniziare l'esposizione successiva.
Tuttavia, come già accennato, se il soggetto ripreso si muove rispetto alla telecamera, la luce proveniente dal soggetto può diffondersi su più pixel durante l'esposizione, causando sfocatura da movimento. Le telecamere TDI superano questa limitazione utilizzando una tecnica innovativa. Questa viene mostrata nell'[Animazione 1].
●Come funzionano le telecamere TDI
Le telecamere TDI funzionano in modo fondamentalmente diverso rispetto alle telecamere a scansione di area. Quando il soggetto si muove davanti alla telecamera durante l'esposizione, anche le cariche elettroniche che compongono l'immagine acquisita si muovono, 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, sincronizzandole con il movimento del soggetto. Man mano che il soggetto si muove davanti alla telecamera, ogni riga (nota come "stadio TDI") offre una nuova opportunità per esporre la telecamera al soggetto e accumulare il segnale.
Una volta che una fila di cariche acquisite raggiunge l'estremità della telecamera, solo allora i valori vengono letti e memorizzati come una sezione unidimensionale dell'immagine. L'immagine bidimensionale si forma unendo ciascuna sezione successiva dell'immagine man mano che viene letta dalla telecamera. Ogni riga di pixel nell'immagine risultante traccia e riprende la stessa "sezione" del soggetto, il che significa che, nonostante il movimento, non si verifica alcuna sfocatura.
●Esposizione 256 volte più lunga
Con le telecamere TDI, il tempo di esposizione effettivo dell'immagine è dato dal tempo totale impiegato da un punto del soggetto per attraversare ogni riga di pixel, con un massimo di 256 fasi disponibili su alcune telecamere TDI. Ciò significa che il tempo di esposizione disponibile è effettivamente 256 volte maggiore di quello che una telecamera a scansione di area potrebbe raggiungere.
Questo può portare a due miglioramenti, o a una combinazione di entrambi. In primo luogo, si può ottenere un notevole aumento della velocità di acquisizione delle immagini. Rispetto a una telecamera a scansione di area, il soggetto da riprendere può muoversi fino a 256 volte più velocemente, pur acquisendo la stessa quantità di segnale, a condizione che la velocità di scansione della telecamera sia sufficientemente elevata.
D'altra parte, se è richiesta una maggiore sensibilità, un tempo di esposizione più lungo potrebbe consentire di ottenere immagini di qualità molto superiore, un'intensità di illuminazione inferiore, o entrambe le cose.
●Elevata velocità di trasmissione dati senza unione dei dati
Poiché la telecamera TDI produce un'immagine bidimensionale a partire da successive sezioni unidimensionali, l'immagine risultante può avere dimensioni a piacere. Mentre il numero di pixel in direzione orizzontale è determinato dalla larghezza della telecamera, ad esempio 9072 pixel, la dimensione verticale dell'immagine è illimitata e dipende semplicemente dalla durata di funzionamento della telecamera. Con frequenze di linea fino a 510 kHz, è possibile ottenere un'enorme velocità di trasmissione dati.
In combinazione con ciò, le telecamere TDI possono offrire campi visivi molto ampi. Ad esempio, una telecamera da 9072 pixel con pixel da 5 µm fornisce un campo visivo orizzontale di 45 mm ad alta risoluzione. Per ottenere la stessa larghezza di immagine con una telecamera a scansione di area con pixel 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 di area. Anche le telecamere a scansione lineare, che catturano una singola riga di pixel, soffrono di molti degli stessi problemi di intensità luminosa e tempi di esposizione brevi delle telecamere a scansione di 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 unire le immagini, spesso richiedono un'illuminazione molto intensa e/o movimenti lenti del soggetto per catturare un segnale sufficiente a ottenere un'immagine di alta qualità. I tempi di esposizione più lunghi e le velocità del soggetto più elevate consentite dalle telecamere TDI permettono di utilizzare un'illuminazione meno intensa e meno costosa, migliorando al contempo l'efficienza di acquisizione delle immagini. Ad esempio, una linea di produzione potrebbe passare da costose e potenti lampade alogene ad alto consumo energetico, alimentate in 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 fotocamere CCD sono il tipo più antico di fotocamere digitali. Grazie alla loro progettazione elettronica, ottenere un comportamento TDI su un CCD è relativamente molto semplice, e molti sensori di fotocamere sono intrinsecamente in grado di funzionare in questo modo. I CCD TDI sono quindi in uso da decenni.
Tuttavia, la tecnologia CCD presenta dei limiti. La dimensione minima dei pixel comunemente disponibile per le telecamere CCD TDI è di circa 12 µm x 12 µm: questo, insieme al numero ridotto 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 necessità di creare telecamere TDI basate sull'architettura CMOS.
●TDI CMOS di prima generazione: somma digitale e dominio della tensione
Le fotocamere CMOS superano molti dei limiti di rumore e velocità delle fotocamere CCD, consumando meno energia e offrendo dimensioni dei pixel più piccole. Tuttavia, il comportamento TDI (Time-Dependent Imaging) è stato molto più difficile da ottenere nelle fotocamere CMOS, a causa della progettazione dei loro pixel. Mentre i CCD spostano fisicamente i fotoelettroni da un pixel all'altro per gestire il sensore, le fotocamere CMOS convertono i segnali dei fotoelettroni in tensioni in ciascun pixel prima della lettura.
Il comportamento del TDI su un sensore CMOS è stato studiato fin dal 2001, tuttavia, la sfida di come gestire l'"accumulo" del segnale man mano che l'esposizione si sposta da una riga all'altra è stata significativa. Due dei primi metodi per il TDI su CMOS, ancora oggi utilizzati nelle fotocamere commerciali, sono l'accumulo nel dominio della tensione e il TDI CMOS a somma digitale. Nelle fotocamere con 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. L'accumulo di tensioni in questo modo introduce rumore aggiuntivo per ogni stadio TDI extra aggiunto, limitando i vantaggi derivanti da stadi aggiuntivi. Anche i problemi di linearità rappresentano una sfida per l'utilizzo di queste fotocamere in applicazioni di precisione.
Il secondo metodo è la somma digitale TDI. In questo metodo, una telecamera CMOS funziona effettivamente in modalità di scansione di area con un'esposizione molto breve, corrispondente al tempo impiegato dal soggetto per spostarsi su una singola riga di pixel. Tuttavia, le righe di ogni fotogramma successivo vengono sommate digitalmente in modo da produrre un effetto TDI. Poiché l'intera telecamera deve essere letta per ogni riga di pixel nell'immagine risultante, questa somma digitale introduce anche il rumore di lettura per ogni riga e limita la velocità di acquisizione.
●Lo standard moderno: CMOS TDI a dominio di carica, o CCD-on-CMOS TDI
I limiti del TDI CMOS sopra descritti sono stati recentemente superati grazie all'introduzione del TDI CMOS ad accumulo nel dominio della carica, noto anche come TDI CCD-on-CMOS. Il funzionamento di questi sensori è illustrato nell'[Animazione 1]. Come suggerisce il nome, questi sensori offrono un movimento di cariche da un pixel all'altro simile a quello di un CCD, accumulando il segnale in ogni stadio TDI tramite l'aggiunta di fotoelettroni a livello delle singole cariche. Questo sistema è di fatto privo di rumore. Tuttavia, i limiti del TDI CCD vengono superati grazie all'utilizzo di un'architettura di lettura CMOS, che consente di ottenere le elevate velocità, il basso rumore e il basso consumo energetico tipici delle fotocamere CMOS.
Specifiche TDI: cosa conta davvero?
●Tecnologia:Il fattore più importante è la tecnologia del sensore utilizzata, come discusso in precedenza. La tecnologia CMOS TDI a dominio di carica offre le migliori prestazioni.
●Fasi TDI:Questo indica il numero di righe del sensore su cui è possibile accumulare il segnale. Maggiore è il numero di stadi TDI di una telecamera, maggiore sarà il suo tempo di esposizione effettivo. In altre parole, più velocemente potrà muoversi il soggetto ripreso, a condizione che la telecamera abbia una frequenza di campionamento sufficiente.
●Tariffa di linea:Il numero di righe che la telecamera può leggere al secondo. Questo determina la velocità massima di movimento che la telecamera può seguire.
●Efficienza quantisticaQuesto valore 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. Un'efficienza quantica più elevata può offrire una minore intensità di illuminazione o un funzionamento più rapido, mantenendo gli stessi livelli di segnale.
Inoltre, le fotocamere differiscono per la gamma di lunghezze d'onda in cui è possibile ottenere una buona sensibilità, con alcune che offrono sensibilità fino all'estremità ultravioletta (UV) dello spettro, a circa 200 nm di lunghezza d'onda.
●Leggi il rumore:Il rumore di lettura è l'altro fattore significativo che influenza la sensibilità di una fotocamera, determinando il segnale minimo rilevabile al di sopra del livello di rumore di fondo. Con un elevato rumore di lettura, i dettagli scuri non possono essere rilevati e la gamma dinamica si riduce drasticamente, il che significa che è necessario utilizzare un'illuminazione più intensa oppure tempi di esposizione più lunghi e velocità di movimento inferiori.
Specifiche TDI: cosa conta davvero?
Attualmente, le telecamere TDI vengono utilizzate per l'ispezione di nastri, l'ispezione di componenti elettronici e di produzione, nonché per altre applicazioni di visione artificiale. A queste si aggiungono applicazioni complesse in condizioni di scarsa illuminazione, come l'imaging a fluorescenza e la scansione di vetrini.
Tuttavia, con l'introduzione di telecamere CMOS TDI ad alta velocità, basso rumore e alta sensibilità, si aprono grandi potenzialità per un aumento di velocità ed efficienza in nuove applicazioni che in precedenza utilizzavano solo telecamere a scansione di area. Come accennato all'inizio dell'articolo, le telecamere TDI potrebbero rappresentare la scelta migliore per ottenere elevate velocità e un'alta qualità d'immagine sia per l'imaging di soggetti in costante movimento, sia per l'imaging di soggetti statici tramite scansione della telecamera.
Ad esempio, in un'applicazione di microscopia, potremmo confrontare la velocità di acquisizione teorica di una telecamera TDI a 9K pixel e 256 stadi con pixel da 5 µm con quella di una telecamera a scansione di area da 12 MP con pixel da 5 µm. Esaminiamo l'acquisizione di un'area di 10 x 10 mm con ingrandimento 20x spostando il tavolino.
1. Utilizzando un obiettivo 20x con la telecamera a scansione di area si otterrebbe un campo visivo 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, ottenendo così un campo visivo orizzontale di 2,3 mm.
3. Ipotizzando una sovrapposizione di pixel del 2% tra le immagini ai fini dell'unione, 0,5 secondi per spostare il piano di scansione in una posizione predefinita e un tempo di esposizione di 10 ms, possiamo calcolare il tempo impiegato dalla telecamera a scansione di area. Analogamente, possiamo calcolare il tempo impiegato dalla telecamera TDI se il piano di scansione fosse mantenuto in costante movimento per scansionare nella direzione Y, con lo stesso tempo di esposizione per riga.
4. In questo caso, la telecamera a scansione di area richiederebbe l'acquisizione di 140 immagini, con un tempo di spostamento del piano di acquisizione di 63 secondi. La telecamera TDI, invece, acquisirebbe solo 5 immagini lunghe, con un tempo di spostamento del piano di acquisizione di soli 2 secondi verso la 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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