22/07/13שילוב השהיית זמן (TDI) היא טכניקת הדמיה שקדמה להדמיה דיגיטלית - אך עדיין מספקת יתרונות עצומים בחזית ההדמיה כיום. ישנם שני מצבים בהם מצלמות TDI יכולות לזרוח - שניהם כאשר נושא הצילום נמצא בתנועה:
1 – נושא הצילום נמצא מטבעו בתנועה במהירות קבועה, כמו בבדיקת רשת (כגון סריקת גיליונות נייר, פלסטיק או בד נעים לאיתור פגמים ונזקים), קווי הרכבה, או מיקרו-פלואידיקה וזרימות נוזלים.
2 – צילום סטטי של נושאים שניתן לצלם על ידי מצלמה הנעה מאזור לאזור, בין אם על ידי הזזת הנושא או המצלמה. דוגמאות לכך כוללות סריקת שקופיות מיקרוסקופ, בדיקת חומרים, בדיקת צגים שטוחים וכו'.
אם אחת מהנסיבות הללו רלוונטית להדמיה שלך, דף אינטרנט זה יעזור לך לשקול האם מעבר ממצלמות 'סריקת שטח' דו-ממדיות קונבנציונליות למצלמות TDI של סריקת קווי עשוי לשפר את ההדמיה שלך.
הבעיה עם סריקת שטח ומטרות נעות
● טשטוש תנועה
חלק מהאובייקטים המצולמים נמצאים בתנועה מכוח הצורך, למשל בזרימת נוזלים או בדיקת רשת. ביישומים אחרים, כגון סריקת שקופיות ובדיקת חומרים, שמירה על תנועה של האובייקט יכולה להיות מהירה ויעילה הרבה יותר מאשר עצירת תנועה עבור כל תמונה שנרכשה. עם זאת, עבור מצלמות סריקת שטח, אם האובייקט המצולם נמצא בתנועה יחסית למצלמה, זה יכול להוות אתגר.
טשטוש תנועה מעוות תמונה של רכב נע
במצבים עם תאורה מוגבלת או בהם נדרשות איכות תמונה גבוהה, ייתכן שיהיה צורך בזמן חשיפה ארוך של המצלמה. עם זאת, תנועת האובייקט תפזר את אורה על פני מספר פיקסלים במצלמה במהלך החשיפה, מה שמוביל ל"טשטוש תנועה". ניתן למזער זאת על ידי שמירה על חשיפות קצרות מאוד - מתחת לזמן שלוקח לנקודה באובייקט לחצות פיקסל מצלמה. זהו ה-unבדרך כלל על חשבון תמונות חשוכות, רועשות ולעתים קרובות בלתי שמישות.
●תְפִירָה
בנוסף, בדרך כלל, צילום של נושאי צילום גדולים או רציפים באמצעות מצלמות סריקת שטח דורש רכישת תמונות מרובות, אשר לאחר מכן מחוברות יחד. חיבור זה דורש חפיפה של פיקסלים בין תמונות שכנות, מה שמפחית את היעילות ומגדיל את דרישות אחסון ועיבוד הנתונים.
●תאורה לא אחידה
יתרה מכך, התאורה לעיתים רחוקות תהיה אחידה מספיקה כדי למנוע בעיות ותסמינים בגבולות בין תמונות מחוברות. כמו כן, כדי לספק תאורה על פני שטח גדול מספיק עבור מצלמת סריקת השטח בעוצמה מספקת, נדרש לעתים קרובות שימוש במקורות אור DC בעלי הספק גבוה ועלות גבוהה.
תאורה לא אחידה בתפירת רכישת תמונות מרובות של מוח עכבר. תמונה מווטסון ואחרים 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
מהי מצלמת TDI, ואיך היא עוזרת?
במצלמות סריקת שטח דו-ממדיות קונבנציונליות, ישנם שלושה שלבים של רכישת תמונה: איפוס פיקסלים, חשיפה וקריאה. במהלך החשיפה, מתגלים פוטונים מהזירה, וכתוצאה מכך נוצרים פוטואלקטרונים, אשר מאוחסנים בפיקסלים של המצלמה עד סוף החשיפה. לאחר מכן נקראים הערכים מכל פיקסל, ונוצרת תמונה דו-ממדית. לאחר מכן הפיקסלים מאופסים וכל המטענים מתנקים כדי להתחיל את החשיפה הבאה.
עם זאת, כפי שצוין, אם נושא הצילום נע יחסית למצלמה, האור מהנושא יכול להתפשט על פני מספר פיקסלים במהלך חשיפה זו, מה שמוביל לטשטוש תנועה. מצלמות TDI מתגברות על מגבלה זו באמצעות טכניקה חדשנית. הדבר מודגם ב[אנימציה 1].
●כיצד מצלמות TDI פועלות
מצלמות TDI פועלות באופן שונה באופן מהותי ממצלמות סריקת שטח. כאשר נושא הצילום נע על פני המצלמה במהלך החשיפה, גם המטענים האלקטרוניים המרכיבים את התמונה הנרכשת נעים, ונשארים מסונכרנים. במהלך החשיפה, מצלמות TDI מסוגלות לערבב את כל המטענים הנרכשים משורת פיקסלים אחת לשנייה, לאורך המצלמה, תוך סינכרון עם תנועת נושא הצילום. כאשר נושא הצילום נע על פני המצלמה, כל שורה (הידועה כ"שלב TDI") מספקת הזדמנות חדשה לחשוף את המצלמה לנושא ולצבור אות.
ברגע ששורה של מטענים שנרכשו מגיעה לקצה המצלמה, רק אז הערכים נקראים ונשמרים כפרוסה חד-ממדית של התמונה. התמונה הדו-ממדית נוצרת על ידי הדבקה של כל פרוסה עוקבת של התמונה בזמן שהמצלמה קוראת אותן. כל שורת פיקסלים בתמונה המתקבלת עוקבת ומצלמת את אותה 'פרוסה' של האובייקט המצולם, כלומר למרות התנועה, אין טשטוש.
●חשיפה ארוכה פי 256
במצלמות TDI, זמן החשיפה האפקטיבי של התמונה נקבע על ידי הזמן הכולל שלוקח לנקודה על האובייקט לחצות כל שורה של פיקסלים, כאשר עד 256 שלבים זמינים בחלק ממצלמות ה-TDI. משמעות הדבר היא שזמן החשיפה הזמין גדול למעשה פי 256 ממה שמצלמת סריקת שטח יכולה להשיג.
זה יכול לספק אחד משני שיפורים, או איזון בין שניהם. ראשית, ניתן להשיג שיפור משמעותי במהירות הצילום. בהשוואה למצלמת סריקת שטח, נושא הצילום יכול לנוע עד פי 256 מהר יותר ועדיין ללכוד את אותה כמות אות, בתנאי שקצב הקו של המצלמה מהיר מספיק כדי לעמוד בקצב.
מצד שני, אם נדרשת רגישות גבוהה יותר, זמן חשיפה ארוך יותר יכול לאפשר תמונות באיכות גבוהה בהרבה, עוצמת תאורה נמוכה יותר, או שניהם.
●תפוקת נתונים גדולה ללא תפירה
מכיוון שמצלמת ה-TDI מייצרת תמונה דו-ממדית מפרוסות חד-ממדיות עוקבות, התמונה המתקבלת יכולה להיות גדולה כנדרש. בעוד שמספר הפיקסלים בכיוון ה"אופקי" נקבע על ידי רוחב המצלמה, לדוגמה 9072 פיקסלים, הגודל ה"אנכי" של התמונה אינו מוגבל, ונקבע פשוט על ידי משך הזמן שהמצלמה פועלת. עם קצבי קו של עד 510kHz, הדבר יכול לספק תפוקת נתונים עצומה.
בשילוב עם זאת, מצלמות TDI יכולות להציע שדות ראייה רחבים מאוד. לדוגמה, מצלמה של 9072 פיקסלים עם 5 מיקרומטר פיקסלים מספקת שדה ראייה אופקי של 45 מ"מ ברזולוציה גבוהה. כדי להשיג את אותו רוחב צילום עם מצלמת סריקה עם שטח פיקסלים של 5 מיקרומטר, יידרשו עד שלוש מצלמות 4K זו לצד זו.
●שיפורים לעומת מצלמות סריקה קוויות
מצלמות TDI לא רק מציעות שיפורים לעומת מצלמות סריקת שטח. מצלמות סריקת קווי, אשר לוכדות רק שורה אחת של פיקסלים, סובלות גם מאותן בעיות רבות בעוצמת התאורה ובחשיפות קצרות כמו מצלמות סריקת שטח.
למרות שבדומה למצלמות TDI, מצלמות סריקת קווי מציעות תאורה אחידה יותר עם התקנה פשוטה יותר, וחוסכות את הצורך בתפירת תמונות, הן עשויות לדרוש לעיתים קרובות תאורה עזה מאוד ו/או תנועת נושא איטית כדי ללכוד מספיק אות לתמונה באיכות גבוהה. החשיפות הארוכות יותר ומהירויות הנושא הגבוהות יותר שמצלמות TDI מאפשרות, פירושן שניתן להשתמש בתאורה בעוצמה נמוכה יותר ובעלות נמוכה יותר, תוך שיפור יעילות ההדמיה. לדוגמה, קו ייצור עשוי להיות מסוגל לעבור מנורות הלוגן יקרות וצריכת חשמל גבוהה הדורשות זרם ישר, לתאורת LED.
איך מצלמות TDI עובדות?
ישנם שלושה סטנדרטים נפוצים כיצד להשיג הדמיית TDI על חיישן מצלמה.
● CCD TDI– מצלמות CCD הן הסוג העתיק ביותר של מצלמות דיגיטליות. בשל העיצוב האלקטרוני שלהן, השגת התנהגות TDI על CCD היא פשוטה מאוד יחסית, כאשר חיישני מצלמה רבים מסוגלים באופן טבעי לפעול בצורה זו. לכן, מצלמות CCD עם TDI נמצאות בשימוש כבר עשרות שנים.
עם זאת, לטכנולוגיית CCD יש מגבלות. גודל הפיקסל הקטן ביותר הזמין בדרך כלל עבור מצלמות CCD TDI הוא כ-12 מיקרומטר x 12 מיקרומטר - דבר זה, יחד עם מספר פיקסלים קטן, מגביל את יכולות המצלמות לפענח פרטים עדינים. יתרה מכך, מהירות הרכישה נמוכה יותר מטכנולוגיות אחרות, בעוד שרעש הקריאה - גורם מגביל עיקרי בהדמיה בתאורה חלשה - גבוה. צריכת החשמל גם היא גבוהה, וזהו גורם עיקרי ביישומים מסוימים. דבר זה הוביל לרצון ליצור מצלמות TDI המבוססות על ארכיטקטורת CMOS.
●CMOS TDI מוקדם: מתח-תחום וסיכום דיגיטלי
מצלמות CMOS מתגברות על רבות ממגבלות הרעש והמהירות של מצלמות CCD, תוך שימוש בפחות אנרגיה ומציעות גדלי פיקסלים קטנים יותר. עם זאת, התנהגות TDI הייתה קשה הרבה יותר להשגה במצלמות CMOS, בשל עיצוב הפיקסלים שלהן. בעוד ש-CCD מזיזות פיזית פוטואלקטרונים מפיקסל לפיקסל כדי לנהל את החיישן, מצלמות CMOS ממירות אותות בפוטואלקטרונים למתחים בכל פיקסל לפני הקריאה.
התנהגות TDI על חיישן CMOS נחקרה מאז 2001, אולם האתגר כיצד להתמודד עם "הצטברות" האות כאשר החשיפה עוברת משורה אחת לאחרת היה משמעותי. שתי שיטות מוקדמות עבור CMOS TDI שעדיין בשימוש במצלמות מסחריות כיום הן צבירת מתח וסיכום דיגיטלי של TDI CMOS. במצלמות צבירת מתח, כאשר כל שורה של אות נרכשת כאשר נושא הצילום עובר, המתח הנרכש מתווסף אלקטרונית לרכישה הכוללת עבור אותו חלק של התמונה. צבירת מתחים בדרך זו מוסיפה רעש נוסף עבור כל שלב TDI נוסף שנוסף, מה שמגביל את היתרונות של שלבים נוספים. בעיות בלינאריות גם מאתגרות את השימוש במצלמות אלו עבור יישומים מדויקים.
השיטה השנייה היא סיכום דיגיטלי של TDI. בשיטה זו, מצלמת CMOS פועלת למעשה במצב סריקת שטח עם חשיפה קצרה מאוד המותאמת לזמן שלוקח לנושא הצילום לנוע על פני שורה אחת של פיקסלים. עם זאת, השורות מכל פריים עוקב מחוברות יחד באופן דיגיטלי באופן שמתקבל אפקט TDI. מכיוון שיש לקרוא את כל המצלמה עבור כל שורת פיקסלים בתמונה המתקבלת, סיכום דיגיטלי זה מוסיף גם את רעש הקריאה עבור כל שורה, ומגביל את מהירות הרכישה.
●התקן המודרני: CMOS TDI במתחם מטען, או CCD-on-CMOS TDI
המגבלות של CMOS TDI שהוזכרו לעיל התגברו לאחרונה באמצעות הכנסת טכנולוגיית CMOS TDI לצבירת מטען (charge-domain accumulation TDI), הידועה גם בשם CCD-on-CMOS TDI. פעולתם של חיישנים אלה מוצגת ב[אנימציה 1]. כפי שמשתמע משמם, חיישנים אלה מציעים תנועה דמוית CCD של מטענים מפיקסל אחד למשנהו, תוך צבירת אות בכל שלב של TDI באמצעות הוספת פוטואלקטרונים ברמת המטענים הבודדים. זה למעשה ללא רעש. עם זאת, המגבלות של CCD TDI מתגברות באמצעות שימוש בארכיטקטורת קריאת CMOS, המאפשרת את המהירויות הגבוהות, הרעש הנמוך וצריכת החשמל הנמוכה הנפוצות במצלמות CMOS.
מפרט טכני של TDI: מה חשוב?
●טֶכנוֹלוֹגִיָה:הגורם החשוב ביותר הוא טכנולוגיית החיישנים שבה נעשה שימוש כפי שפורט לעיל. CMOS TDI במתחם המטען יספק את הביצועים הטובים ביותר.
●שלבי TDI:זהו מספר השורות של החיישן שעליהן ניתן לצבור אות. ככל שיש למצלמה יותר שלבי TDI, כך זמן החשיפה האפקטיבי שלה יכול להיות ארוך יותר. לחלופין, ככל שהאובייקט המצולם יכול לנוע מהר יותר, בתנאי שלמצלמה יש קצב קו מספיק.
●קצב קו:כמה שורות המצלמה יכולה לקרוא בשנייה. זה קובע את מהירות התנועה המקסימלית שהמצלמה יכולה לעמוד בה.
●יעילות קוונטיתערך זה מציין את רגישות המצלמה לאור באורכי גל שונים, הנתונה על ידי הסבירות שפוטון פוגע יתגלה וייצר פוטואלקטרון. יעילות קוונטית גבוהה יותר יכולה להציע עוצמת תאורה נמוכה יותר, או פעולה מהירה יותר תוך שמירה על אותן רמות אות.
בנוסף, מצלמות נבדלות בטווח אורכי הגל שבו ניתן להשיג רגישות טובה, כאשר חלק מהמצלמות מציעות רגישות עד לקצה האולטרה סגול (UV) של הספקטרום, בסביבות אורך גל של 200 ננומטר.
●קרא רעש:רעש קריאה הוא הגורם המשמעותי השני ברגישות המצלמה, והוא קובע את האות המינימלי שניתן לזהות מעל רצפת הרעש של המצלמה. עם רעש קריאה גבוה, לא ניתן לזהות מאפיינים כהים והטווח הדינמי מצטמצם באופן משמעותי, כלומר יש להשתמש בתאורה בהירה יותר או בזמני חשיפה ארוכים יותר ובמהירויות תנועה איטיות יותר.
מפרט טכני של TDI: מה חשוב?
כיום, מצלמות TDI משמשות לבדיקת רשת, בדיקת אלקטרוניקה וייצור, ויישומי ראייה ממוחשבת אחרים. לצד זאת, קיימים יישומים מאתגרים בתאורה חלשה כגון הדמיית פלואורסצנציה וסריקת שקופיות.
עם זאת, עם הצגת מצלמות CMOS TDI במהירות גבוהה, בעלות רעש נמוך ורגישות גבוהה, קיים פוטנציאל גדול לשיפור המהירות והיעילות ביישומים חדשים שבעבר השתמשו רק במצלמות סריקת שטח. כפי שהצגנו בתחילת המאמר, מצלמות TDI עשויות להיות הבחירה הטובה ביותר להשגת מהירויות גבוהות ואיכויות תמונה גבוהות עבור צילום נושאים שכבר נמצאים בתנועה מתמדת, או עבור צילום במקומות בהם ניתן לסרוק את המצלמה על פני נושאי צילום סטטיים.
לדוגמה, ביישום מיקרוסקופיה, נוכל להשוות את מהירות הרכישה התיאורטית של מצלמת TDI עם 9K פיקסלים ו-256 שלבים ו-5 מיקרומטר פיקסלים למצלמת סריקת שטח של 12MP עם 5 מיקרומטר פיקסלים. בואו נבחן רכישת שטח של 10 x 10 מ"מ עם הגדלה של פי 20 באמצעות הזזת השלב.
1. שימוש באובייקטיב 20x עם מצלמת סריקת שטח יספק שדה ראייה של 1.02 x 0.77 מ"מ.
2. בעזרת מצלמת TDI, ניתן להשתמש באובייקטיב פי 10 עם הגדלה נוספת פי 2 כדי להתגבר על כל מגבלה בשדה הראייה של המיקרוסקופ, ולספק שדה ראייה אופקי של 2.3 מ"מ.
3. בהנחה של חפיפה של 2% פיקסלים בין תמונות למטרות חיבור, 0.5 שניות להזזת הבמה למיקום קבוע, וזמן חשיפה של 10 מילישניות, נוכל לחשב את הזמן שייקח למצלמת סריקת השטח. באופן דומה, נוכל לחשב את הזמן שייקח למצלמת TDI אם הבמה תישאר בתנועה מתמדת לסרוק בכיוון Y, עם אותו זמן חשיפה לכל שורה.
4. במקרה זה, מצלמת סריקת השטח תדרוש 140 תמונות כדי לצלם, כאשר 63 שניות יושקעו בהזזת הבמה. מצלמת ה-TDI תצלם רק 5 תמונות ארוכות, כאשר 2 שניות בלבד יושקעו בהזזת הבמה לעמודה הבאה.
5. הזמן הכולל המושקע ברכישת השטח של 10 x 10 מ"מ יהיה64.4 שניות עבור מצלמת סריקת האזור,ופשוט9.9 שניות למצלמת TDI.
אם ברצונכם לבדוק האם מצלמת TDI יכולה להתאים ליישום ולצרכים שלכם, צרו איתנו קשר עוד היום.
