25/08/08בצילום תעשייתי ומדעי, לכידת עצמים הנעים במהירות בתנאי תאורה חלשים מציבה אתגר מתמיד. כאן נכנסות לתמונה מצלמות TDI (Time Delay Integration). טכנולוגיית TDI משלבת סנכרון תנועה וחשיפות מרובות כדי לספק רגישות ובהירות תמונה יוצאות דופן, במיוחד בסביבות במהירות גבוהה.
מהי מצלמת TDI?
מצלמת TDI היא מצלמת סריקת קווי ייעודית אשר לוכדת תמונות של עצמים נעים. בניגוד למצלמות סריקת שטח סטנדרטיות אשר חושפות פריים שלם בבת אחת, מצלמות TDI מעבירות מטען משורת פיקסלים אחת לשנייה בסנכרון עם תנועת האובייקט. כל שורת פיקסל צוברת אור כאשר האובייקט נע, ובכך מגדילה ביעילות את זמן החשיפה ומשפרת את עוצמת האות מבלי לגרום לטשטוש תנועה.
שילוב מטען זה מגביר באופן דרמטי את יחס אות לרעש (SNR), מה שהופך את מצלמות TDI לאידיאליות עבור יישומים במהירות גבוהה או בתאורה חלשה.
איך מצלמת TDI עובדת?
פעולת מצלמת TDI מתוארת באיור 1.
איור 1: פעולת חיישני שילוב השהיית זמן (TDI)
פֶּתֶק: מצלמות TDI מזיזות מטענים שנרכשו על פני מספר "שלבים" בסנכרון עם נושא צילום נע. כל שלב מספק הזדמנות נוספת להיחשף לאור. מודגם באמצעות 'T' בהיר הנע על פני מצלמה, עם מקטע של 5 עמודות על 5 שלבים של חיישן TDI. Tucsen Dhyana 9KTDI עם תנועת מטען היברידית בסגנון CCD אך קריאת CMOS מקבילה.
מצלמות TDI הן למעשה מצלמות סריקת קווי, עם הבדל חשוב אחד: במקום שורה אחת של פיקסלים שאוספים נתונים כאשר המצלמות נסרקות על פני נושא הצילום, למצלמות TDI יש מספר שורות, המכונות 'שלבים', עד בדרך כלל 256.
עם זאת, שורות אלו אינן יוצרות תמונה דו-ממדית כמו מצלמת סריקת שטח. במקום זאת, כאשר נושא צילום סרוק נע על פני חיישן המצלמה, הפוטואלקטרונים שזוהו בתוך כל פיקסל עוברים לשורה הבאה בסנכרון עם תנועת נושא הצילום, מבלי שעדיין נקראו. כל שורה נוספת מספקת הזדמנות נוספת לחשוף את נושא הצילום לאור. רק לאחר שפרוסת תמונה מגיעה לשורת הפיקסלים האחרונה של החיישן, שורה זו מועברת לארכיטקטורת הקריאה למדידה.
לפיכך, למרות שמדידות מרובות מתבצעות על פני שלבי המצלמה, מוצג רק מקרה אחד של רעש קריאת המצלמה. מצלמת TDI בעלת 256 שלבים שומרת על הדגימה בתצוגה פי 256 יותר זמן, ולכן זמן החשיפה שלה ארוך פי 256 בהשוואה למצלמת סריקת קוויים מקבילה. זמן חשיפה מקביל עם מצלמת סריקת שטח יניב טשטוש תנועה קיצוני, מה שהופך את התמונה לחסרת תועלת.
מתי ניתן להשתמש ב-TDI?
מצלמות TDI הן פתרון מצוין לכל יישום הדמיה שבו נושא הצילום נמצא בתנועה יחסית למצלמה, בתנאי שהתנועה אחידה על פני נקודת המבט של המצלמה.
לכן, היישומים של הדמיית TDI כוללים, מצד אחד, את כל אלו של סריקת קווים שבהם נוצרות תמונות דו-ממדיות, תוך הבאת מהירויות גבוהות יותר, רגישות משופרת משמעותית לתאורה נמוכה, איכות תמונה טובה יותר, או את שלושתם בבת אחת. מצד שני, ישנן טכניקות הדמיה רבות המשתמשות במצלמות סריקת שטח בהן ניתן להשתמש במצלמות TDI.
עבור TDI של sCMOS בעל רגישות גבוהה, ניתן לבצע הדמיה של 'אריח ותפר' במיקרוסקופ פלואורסצנטי ביולוגי באמצעות סריקה ללא הפסקה של הבמה במקום ריצוף. לחלופין, כל TDI יכול להתאים היטב ליישומי בדיקה. יישום חשוב נוסף עבור TDI הוא הדמיית ציטומטריית זרימה, שבה תמונות פלואורסצנציה של תאים נרכשות כשהם עוברים דרך מצלמה תוך כדי זרימה דרך תעלה מיקרופלואידית.
יתרונות וחסרונות של sCMOS TDI
יתרונות
● יכול ללכוד תמונות דו-ממדיות בגודל שרירותי במהירות גבוהה בעת סריקה על פני נושא צילום.
● מספר שלבי TDI, רעש נמוך ו-QE גבוה יכולים להוביל לרגישות גבוהה משמעותית בהשוואה למצלמות סריקת קו.
● ניתן להשיג מהירויות קריאה גבוהות מאוד, לדוגמה, עד 510,000 הרץ (שורות לשנייה), עבור תמונה ברוחב 9,072 פיקסלים.
●התאורה צריכה להיות חד-ממדית בלבד ואינה דורשת תיקונים של שדה שטוח או תיקונים אחרים בממד השני (הנסרק). בנוסף, זמני חשיפה ארוכים יותר בהשוואה לסריקת קווי יכולים 'להחליק' ריצוד עקב מקורות אור AC.
● ניתן לצלם תמונות נעות ללא טשטוש תנועה ובמהירות ורגישות גבוהות.
●סריקת שטחים גדולים יכולה להיות מהירה משמעותית ממצלמות סריקת שטח.
● בעזרת תוכנה מתקדמת או הגדרות טריגר, מצב 'דמוי סריקת שטח' יכול לספק סקירה כללית של סריקת השטח לצורך מיקוד ויישור.
חסרונות
● רעש גבוה יותר בהשוואה למצלמות sCMOS קונבנציונליות, מה שאומר שיישומי תאורה חלשה במיוחד אינם בהישג יד.
● דורש הגדרות מיוחדות עם טריגר מתקדם כדי לסנכרן את תנועת האובייקט המצולם עם סריקת המצלמה, שליטה עדינה מאוד במהירות התנועה, או חיזוי מדויק של מהירות כדי לאפשר סנכרון.
● כטכנולוגיה חדשה, קיימים כיום מעט פתרונות ליישום חומרה ותוכנה.
sCMOS TDI בעל יכולת תאורה נמוכה
בעוד ש-TDI כטכניקת הדמיה קדמה להדמיה דיגיטלית, ועקפה מזמן את סריקת הקווים בביצועיה, רק בשנים האחרונות מצלמות TDI השיגו את הרגישות הנדרשת כדי להגיע ליישומים בתאורה חלשה שבדרך כלל היו דורשים את הרגישות של טכנולוגיה ברמה מדעית.מצלמות sCMOS.
טכנולוגיית 'sCMOS TDI' משלבת תנועה בסגנון CCD של מטענים על פני החיישן עם קריאת נתונים בסגנון sCMOS, כאשר חיישנים בעלי תאורה אחורית זמינים. מצלמות TDI קודמות מבוססות CCD או מבוססות CMOS בלבד* הראו קריאת נתונים איטית משמעותית, ספירת פיקסלים קטנה יותר, פחות שלבים ורעשי קריאה בין 30e- ל->100e-. לעומת זאת, מצלמות sCMOS TDI כמו ה-Tucsenמצלמת Dhyana 9KTDI sCMOSמציע רעש קריאה של 7.2e-, בשילוב עם יעילות קוונטית גבוהה יותר באמצעות תאורה אחורית, המאפשרת שימוש ב-TDI ביישומים בעלי רמת אור נמוכה משמעותית ממה שהיה אפשרי בעבר.
ביישומים רבים, זמני החשיפה הארוכים יותר שמאפשר תהליך TDI יכולים לפצות ביותר מכך על העלייה ברעש הקריאה בהשוואה למצלמות סריקת שטח sCMOS באיכות גבוהה עם רעש קריאה הקרוב ל-1e-.
יישומים נפוצים של מצלמות TDI
מצלמות TDI נמצאות בתעשיות רבות שבהן דיוק ומהירות הם קריטיים באותה מידה:
● בדיקת פרוסות מוליכים למחצה
● בדיקת צגים שטוחים (FPD)
● בדיקת רשת (נייר, סרט, נייר כסף, טקסטיל)
● סריקת רנטגן באבחון רפואי או סינון מזוודות
● סריקת שקופיות ולוחות מרובי בארות בפתולוגיה דיגיטלית
● הדמיה היפרספקטרלית בחישה מרחוק או בחקלאות
● בדיקת PCB ואלקטרוניקה בקווי SMT
יישומים אלה נהנים מהניגודיות, המהירות והבהירות המשופרים שמספקת הדמיית TDI תחת אילוצים של העולם האמיתי.
דוגמה: סריקת שקופיות ופלטות מרובות בארות
כפי שצוין, יישום אחד עם פוטנציאל משמעותי עבור מצלמות sCMOS TDI הוא יישומי תפירה, כולל סריקת שקופיות או לוחות מרובי בארות. סריקת דגימות מיקרוסקופ פלואורסצנטיות או שדה בהיר גדולות עם מצלמות שטח דו-ממדיות מסתמכת על תפירת רשת של תמונות שנוצרות מתנועות מרובות של במת מיקרוסקופ XY. כל תמונה דורשת מהבמה לעצור, להתייצב ולאחר מכן להפעיל מחדש, יחד עם כל עיכוב של תריס הגלילה. TDI, לעומת זאת, יכול לרכוש תמונות בזמן שהבמה בתנועה. לאחר מכן, התמונה נוצרת ממספר קטן של "רצועות" ארוכות, שכל אחת מהן מכסה את כל רוחב הדגימה. זה יכול להוביל למהירויות רכישה ותפוקת נתונים גבוהות משמעותית בכל יישומי התפירה, בהתאם לתנאי ההדמיה.
המהירות שבה הבמה יכולה לנוע היא ביחס הפוך לזמן החשיפה הכולל של מצלמת ה-TDI, כך שזמני חשיפה קצרים (1-20ms) מציעים את השיפור הגדול ביותר במהירות ההדמיה בהשוואה למצלמות סריקת שטח, מה שיכול להוביל להפחתה של סדר גודל או יותר בזמן הרכישה הכולל. עבור זמני חשיפה ארוכים יותר (למשל > 100ms), סריקת שטח יכולה בדרך כלל לשמור על יתרון זמן.
דוגמה לתמונה גדולה מאוד (2 ג'יגה-פיקסל) במיקרוסקופ פלואורסצנטי שנוצרה תוך עשר שניות בלבד מוצגת באיור 2. תמונה מקבילה שנוצרה באמצעות מצלמת סריקת שטח עשויה להימשך עד מספר דקות.
איור 2: תמונה של 2 גיגאפיקסלים שנוצרה תוך 10 שניות באמצעות סריקת TDI ותפירה
פֶּתֶק: תמונה בהגדלה פי 10 שצולמה באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי Tucsen Dhyana 9kTDI של נקודות עט סימון. צולמה תוך 10 שניות עם זמן חשיפה של 3.6 מילישניות. מידות התמונה: 30 מ"מ x 17 מ"מ, 58,000 x 34,160 פיקסלים.
סנכרון TDI
הסנכרון של מצלמת TDI עם נושא הצילום (עד אחוזים בודדים) הוא חיוני - אי התאמה במהירות תוביל לאפקט של "טשטוש תנועה". סנכרון זה יכול להתבצע בשתי דרכים:
מְנַבֵּאמהירות המצלמה מוגדרת כך שתתאים למהירות התנועה בהתבסס על ידע של מהירות תנועת הדגימה, אופטיקה (הגדלה) וגודל פיקסל המצלמה. או ניסוי וטעייה.
הופעלבמות מיקרוסקופיות, גנטריות וציוד אחר רבים להזזת נושאי צילום יכולים לכלול מקודדים ששולחים פולס טריגר למצלמה למרחק תנועה נתון. זה מאפשר לבמה/גנטרי ולמצלמה להישאר מסונכרנים ללא קשר למהירות התנועה.
מצלמות TDI לעומת מצלמות סריקת קוויים וסריקת שטח
כך משתווה TDI לטכנולוגיות הדמיה פופולריות אחרות:
| תכונה | מצלמת TDI | מצלמת סריקת קו | מצלמת סריקת שטח |
| רְגִישׁוּת | גבוה מאוד | בֵּינוֹנִי | נמוך עד בינוני |
| איכות תמונה (תנועה) | מְעוּלֶה | טוֹב | מטושטש במהירויות גבוהות |
| דרישות תאורה | נָמוּך | בֵּינוֹנִי | גָבוֹהַ |
| תאימות תנועה | מצוין (אם מסונכרן) | טוֹב | יָרוּד |
| הטוב ביותר עבור | מהירות גבוהה, תאורה חלשה | עצמים הנעים במהירות | סצנות סטטיות או איטיות |
TDI היא הבחירה הברורה כאשר הסצנה נעה במהירות ורמות האור מוגבלות. סריקת קווים מפחיתה את הרגישות, בעוד שסריקת שטח טובה יותר עבור הגדרות פשוטות או נייחות.
בחירת מצלמת TDI מתאימה
בעת בחירת מצלמת TDI, יש לקחת בחשבון את הדברים הבאים:
● מספר שלבי TDI: שלבים רבים יותר מגדילים את יחס האות לרעש (SNR), אך גם את העלות והמורכבות.
● סוג חיישן: sCMOS עדיף בשל מהירותו ורעש נמוך; CCD עדיין עשוי להתאים למערכות מדור קודם.
● ממשק: יש לוודא תאימות עם המערכת שלכם - Camera Link, CoaXPress ו-10GigE הן אפשרויות נפוצות, 100G CoF ו-40G CoF צצו כטרנדים חדשים.
● תגובה ספקטרלית: בחרו בין מונוכרום, צבע או אינפרא אדום קרוב (NIR) בהתאם לצורכי היישום.
● אפשרויות סנכרון: חפשו תכונות כמו כניסות מקודד או תמיכה בטריגר חיצוני לצורך יישור תנועה טוב יותר.
אם היישום שלכם כרוך בדגימות ביולוגיות עדינות, בדיקה במהירות גבוהה או סביבות עם תאורה נמוכה, sCMOS TDI הוא כנראה הפתרון המתאים.
מַסְקָנָה
מצלמות TDI מייצגות אבולוציה רבת עוצמה בטכנולוגיית הדמיה, במיוחד כאשר הן בנויות על חיישני sCMOS. על ידי שילוב סנכרון תנועה עם שילוב רב-קוי, הן מציעות רגישות ובהירות שאין שני להן עבור סצנות דינמיות בתאורה חלשה.
בין אם אתם בודקים ופלים, סורקים שקופיות או מבצעים בדיקות במהירות גבוהה, הבנת אופן פעולת TDI יכולה לעזור לכם לבחור את הפתרון הטוב ביותר מבין...מצלמות מדעיותלאתגרי ההדמיה שלך.
שאלות נפוצות
האם מצלמות TDI יכולות לפעול במצב סריקת שטח?
מצלמות TDI יכולות ליצור תמונות דו-ממדיות (דקות מאוד) במצב 'דמוי סריקת שטח', המושג באמצעות תעלול של תזמון חיישן. זה יכול להיות מועיל למשימות כמו מיקוד ויישור.
כדי להתחיל 'חשיפת סריקת שטח', החיישן 'מנוקה' תחילה על ידי התקדמות ה-TDI לפחות במספר הצעדים שיש למצלמה, מהר ככל האפשר, ולאחר מכן עצירה. פעולה זו מושגת באמצעות בקרת תוכנה או הפעלת חומרה, ובאופן אידיאלי מבוצעת בחושך. לדוגמה, מצלמה בת 256 שלבים צריכה לקרוא לפחות 256 שורות, ואז לעצור. 256 שורות הנתונים הללו נמחקות.
בזמן שהמצלמה לא מופעלת או שהקווים לא נקראים, החיישן מתנהג בדיוק כמו חיישן סריקת שטח החושף תמונה.
זמן החשיפה הרצוי צריך לחלוף כאשר המצלמה במצב סרק, לפני שהמצלמה מתקדמת שוב לפחות במספר השלבים שלה, תוך קריאת כל שורה בתמונה שזה עתה צולמה. שוב, באופן אידיאלי שלב "הקריאה" הזה צריך להתרחש בחושך.
ניתן לחזור על טכניקה זו כדי לספק 'תצוגה מקדימה חיה' או רצף של תמונות סריקת שטח עם עיוות וטשטוש מינימליים כתוצאה מפעולת ה-TDI.
Tucsen Photonics Co., Ltd. כל הזכויות שמורות. בעת ציטוט, אנא ציינו את המקור:www.tucsen.com
