25/08/08სამრეწველო და სამეცნიერო ვიზუალიზაციისას, დაბალი განათების პირობებში სწრაფად მოძრავი ობიექტების გადაღება მუდმივ გამოწვევას წარმოადგენს. სწორედ აქ ერთვება დროში შეფერხების ინტეგრაციის (TDI) კამერები. TDI ტექნოლოგია აერთიანებს მოძრაობის სინქრონიზაციას და მრავალჯერად ექსპოზიციას, რათა უზრუნველყოს განსაკუთრებული მგრძნობელობა და გამოსახულების სიცხადე, განსაკუთრებით მაღალი სიჩქარის გარემოში.
რა არის TDI კამერა?
TDI კამერა არის სპეციალიზებული ხაზოვანი სკანირების კამერა, რომელიც იღებს მოძრავი ობიექტების სურათებს. სტანდარტული არეალის სკანირების კამერებისგან განსხვავებით, რომლებიც ერთდროულად მთელ კადრს აშუქებენ, TDI კამერები გადააქვთ მუხტი პიქსელების ერთი რიგიდან მეორეზე ობიექტის მოძრაობასთან სინქრონიზებულად. პიქსელების თითოეული რიგი აგროვებს სინათლეს ობიექტის მოძრაობისას, რაც ეფექტურად ზრდის ექსპოზიციის დროს და აძლიერებს სიგნალის სიძლიერეს მოძრაობის დაბინდვის გარეშე.
დამუხტვის ეს ინტეგრაცია მკვეთრად ზრდის სიგნალ-ხმაურის თანაფარდობას (SNR), რაც TDI კამერებს იდეალურს ხდის მაღალი სიჩქარის ან დაბალი განათების პირობებში აპლიკაციებისთვის.
როგორ მუშაობს TDI კამერა?
TDI კამერის მუშაობა ილუსტრირებულია ნახაზ 1-ში.
სურათი 1: დროის შეფერხების ინტეგრაციის (TDI) სენსორების მუშაობა
შენიშვნა: TDI კამერები გადააქვთ შეძენილი მუხტები რამდენიმე „ეტაპზე“ მოძრავ ფოტოობიექტთან სინქრონიზებულად. თითოეული ეტაპი უზრუნველყოფს სინათლის ზემოქმედების დამატებით შანსს. ილუსტრირებულია კამერის გასწვრივ მოძრავი კაშკაშა „T“-თი, TDI სენსორის 5-სვეტიანი 5-ეტაპიანი სეგმენტით. Tucsen Dhyana 9KTDI ჰიბრიდული CCD სტილის მუხტის მოძრაობით, მაგრამ CMOS სტილის პარალელური წაკითხვით.
TDI კამერები ფაქტობრივად ხაზოვანი სკანირების კამერებია, ერთი მნიშვნელოვანი განსხვავებით: გამოსახულების ობიექტის სკანირებისას კამერების მიერ მონაცემების შეგროვების ერთი რიგის ნაცვლად, TDI კამერებს აქვთ მრავალი რიგი, რომელიც ცნობილია როგორც „ეტაპი“, ჩვეულებრივ, 256-მდე.
თუმცა, ეს რიგები არ ქმნის ორგანზომილებიან გამოსახულებას, როგორც ეს ხდება არეალური სკანირების კამერის შემთხვევაში. ამის ნაცვლად, როდესაც სკანირებული გამოსახულების ობიექტი მოძრაობს კამერის სენსორზე, თითოეულ პიქსელში აღმოჩენილი ფოტოელექტრონები გადადიან შემდეგ რიგში გამოსახულების ობიექტის მოძრაობასთან სინქრონიზებული, ჯერ არ წაიკითხავენ. ყოველი დამატებითი რიგი იძლევა დამატებით შესაძლებლობას, გამოსახულების ობიექტი სინათლის ზემოქმედების ქვეშ მოექცეს. მხოლოდ მას შემდეგ, რაც გამოსახულების ნაჭერი მიაღწევს სენსორის პიქსელების ბოლო რიგს, ეს რიგი გადაეცემა წაკითხვის არქიტექტურას გაზომვისთვის.
ამგვარად, კამერის სხვადასხვა ეტაპზე მრავალჯერადი გაზომვების მიუხედავად, კამერის წაკითხვის ხმაურის მხოლოდ ერთი შემთხვევა შემოდის. 256-საფეხურიანი TDI კამერა ნიმუშს 256-ჯერ მეტხანს ინახავს მხედველობის არეში და შესაბამისად, მას 256-ჯერ მეტი ექსპოზიციის დრო აქვს, ვიდრე ეკვივალენტურ ხაზოვან სკანირების კამერას. არეალის სკანირების კამერით ეკვივალენტური ექსპოზიციის დრო მოძრაობის უკიდურეს დაბინდვას გამოიწვევს, რაც გამოსახულებას უსარგებლოს გახდის.
როდის შეიძლება TDI-ს გამოყენება?
TDI კამერები შესანიშნავი გადაწყვეტაა ნებისმიერი ვიზუალიზაციისთვის, სადაც გადაღების ობიექტი კამერასთან შედარებით მოძრაობაშია იმ პირობით, რომ მოძრაობა ერთგვაროვანია კამერის ხედვის მთელ არეში.
ამგვარად, TDI გამოსახულების გამოყენება, ერთი მხრივ, მოიცავს ხაზოვანი სკანირების ყველა იმ მეთოდს, სადაც 2-განზომილებიანი გამოსახულებები იქმნება, რაც უზრუნველყოფს უფრო მაღალ სიჩქარეს, დაბალი განათების პირობებში მგრძნობელობის მნიშვნელოვნად გაუმჯობესებას, გამოსახულების უკეთეს ხარისხს ან სამივეს ერთდროულად. მეორე მხრივ, არსებობს მრავალი გამოსახულების ტექნიკა, რომლებიც იყენებენ არეალის სკანირების კამერებს, სადაც შესაძლებელია TDI კამერების გამოყენება.
მაღალი მგრძნობელობის sCMOS TDI-სთვის, ბიოლოგიურ ფლუორესცენციულ მიკროსკოპიაში „კრამიტით და ნაკერით“ ვიზუალიზაცია შესაძლებელია კრამიტის ნაცვლად სცენის უწყვეტი სკანირების გამოყენებით. ან ყველა TDI შეიძლება კარგად შეეფერებოდეს ინსპექტირების აპლიკაციებს. TDI-ის კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი გამოყენებაა ვიზუალიზაციის ნაკადური ციტომეტრია, სადაც უჯრედების ფლუორესცენციული გამოსახულებები მიიღება კამერის გავლისას, მიკროფლუიდური არხით მოძრაობისას.
sCMOS TDI-ის დადებითი და უარყოფითი მხარეები
დადებითი მხარეები
● გამოსახულების ობიექტის სკანირებისას შეუძლია ნებისმიერი ზომის 2-განზომილებიანი გამოსახულებების მაღალი სიჩქარით გადაღება.
● მრავალჯერადი TDI საფეხური, დაბალი ხმაური და მაღალი QE შეიძლება გამოიწვიოს მკვეთრად მაღალი მგრძნობელობა, ვიდრე ხაზოვანი სკანირების კამერები.
● ძალიან მაღალი წაკითხვის სიჩქარის მიღწევა შესაძლებელია, მაგალითად, 510,000 ჰერცამდე (ხაზები წამში), 9,072 პიქსელის სიგანის გამოსახულების მისაღებად.
●განათება მხოლოდ ერთგანზომილებიანი უნდა იყოს და მეორე (სკანირებულ) განზომილებაში შესაძლოა არ საჭიროებდეს ბრტყელი ველის ან სხვა სახის კორექტირებას. გარდა ამისა, ხაზოვან სკანირებასთან შედარებით უფრო ხანგრძლივმა ექსპოზიციის დრომ შეიძლება „გაასწოროს“ ცვლადი დენის სინათლის წყაროებით გამოწვეული ციმციმი.
● მოძრავი სურათების გადაღება შესაძლებელია მოძრაობის დაბინდვის გარეშე, მაღალი სიჩქარითა და მგრძნობელობით.
●დიდი ტერიტორიების სკანირება შეიძლება გაცილებით სწრაფი იყოს, ვიდრე ფართობის სკანირების კამერებით.
● მოწინავე პროგრამული უზრუნველყოფის ან ტრიგერის პარამეტრების გამოყენებით, „არეალის სკანირების მსგავსი“ რეჟიმი უზრუნველყოფს არეალის სკანირების მიმოხილვას ფოკუსირებისა და გასწორებისთვის.
უარყოფითი მხარეები
● ხმაურის დონე კვლავ მაღალია ტრადიციულ sCMOS კამერებთან შედარებით, რაც იმას ნიშნავს, რომ ულტრა დაბალი განათების პირობებში გამოყენება მიუწვდომელია.
● საჭიროა სპეციალიზებული პარამეტრები მოწინავე ტრიგერინგით, რათა გადაღებული ობიექტის მოძრაობა კამერის სკანირებასთან სინქრონიზდეს, მოძრაობის სიჩქარის ძალიან ზუსტი კონტროლი ან სიჩქარის ზუსტი პროგნოზირება სინქრონიზაციის უზრუნველსაყოფად.
● როგორც ახალი ტექნოლოგია, ამჟამად აპარატურული და პროგრამული უზრუნველყოფის დანერგვის რამდენიმე გადაწყვეტა არსებობს.
დაბალი განათების მქონე sCMOS TDI
მიუხედავად იმისა, რომ TDI, როგორც ვიზუალიზაციის ტექნიკა, ციფრულ ვიზუალიზაციაზე ადრე შეიქმნა და დიდი ხნის წინ გადააჭარბა ხაზოვან სკანირებას შესრულებით, მხოლოდ ბოლო რამდენიმე წლის განმავლობაში მიაღწიეს TDI კამერებმა დაბალი განათების პირობებში გამოსაყენებლად საჭირო მგრძნობელობას, რაც ჩვეულებრივ სამეცნიერო დონის მგრძნობელობას მოითხოვდა.sCMOS კამერები.
„sCMOS TDI“ აერთიანებს CCD სტილის მუხტების მოძრაობას სენსორზე sCMOS სტილის წაკითხვასთან, უკნიდან განათებული სენსორებით. წინა CCD-ზე დაფუძნებულ ან მხოლოდ CMOS-ზე დაფუძნებულ* TDI კამერებს ჰქონდათ მნიშვნელოვნად ნელი წაკითხვა, პიქსელების უფრო მცირე რაოდენობა, ნაკლები საფეხურები და წაკითხვის ხმაური 30e-დან >100e-მდე. ამის საპირისპიროდ, sCMOS TDI-ს, როგორიცაა Tucsen-ი, ჰქონდა...Dhyana 9KTDI sCMOS კამერაგთავაზობთ 7.2e- სიმძლავრის წაკითხვის ხმაურს, რომელიც შერწყმულია უფრო მაღალ კვანტურ ეფექტურობასთან უკუ განათების გზით, რაც შესაძლებელს ხდის TDI-ის გამოყენებას მნიშვნელოვნად დაბალი განათების დონის აპლიკაციებში, ვიდრე ადრე იყო შესაძლებელი.
ბევრ გამოყენებაში, TDI პროცესით უზრუნველყოფილი უფრო ხანგრძლივი ექსპოზიციის დრო სრულად ანაზღაურებს წაკითხვის ხმაურის ზრდას 1e-თან ახლოს მყოფ მაღალი ხარისხის sCMOS არეალის სკანირების კამერებთან შედარებით.
TDI კამერების საერთო გამოყენება
TDI კამერები გვხვდება მრავალ ინდუსტრიაში, სადაც სიზუსტე და სიჩქარე თანაბრად მნიშვნელოვანია:
● ნახევარგამტარული ვაფლის შემოწმება
● ბრტყელპანელიანი დისპლეის (FPD) ტესტირება
● ქსელის შემოწმება (ქაღალდი, ფირი, ფოლგა, ტექსტილი)
● რენტგენის სკანირება სამედიცინო დიაგნოსტიკაში ან ბარგის შემოწმებაში
● სლაიდების და მრავალღრმიანი ფირფიტის სკანირება ციფრული პათოლოგიის დროს
● ჰიპერსპექტრული გამოსახულება დისტანციურ ზონდირებაში ან სოფლის მეურნეობაში
● PCB და ელექტრონიკის შემოწმება SMT ხაზებში
ეს აპლიკაციები სარგებლობს გაუმჯობესებული კონტრასტით, სიჩქარითა და სიცხადით, რომელსაც TDI გამოსახულება უზრუნველყოფს რეალურ პირობებში.
მაგალითი: სლაიდების და მრავალჭედური ფირფიტის სკანირება
როგორც აღვნიშნეთ, sCMOS TDI კამერების ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი პერსპექტიული გამოყენებაა შეკერვის აპლიკაციები, მათ შორის სლაიდების ან მრავალჭაბურღილის ფირფიტის სკანირება. დიდი ფლუორესცენტური ან კაშკაშა ველის მიკროსკოპიის ნიმუშების სკანირება ორგანზომილებიანი ფართობის კამერებით ეფუძნება XY მიკროსკოპის სცენის მრავალჯერადი მოძრაობით წარმოქმნილი სურათების ბადის შეკერვას. თითოეული სურათი მოითხოვს სცენის გაჩერებას, დაწყნარებას და შემდეგ გადატვირთვას, მოძრავი ჩამკეტის ნებისმიერ შეფერხებასთან ერთად. მეორეს მხრივ, TDI-ს შეუძლია სურათების მიღება სცენის მოძრაობის დროსაც. შემდეგ გამოსახულება წარმოიქმნება მცირე რაოდენობის გრძელი „ზოლებისგან“, რომელთაგან თითოეული ფარავს ნიმუშის მთელ სიგანეს. ამან პოტენციურად შეიძლება გამოიწვიოს მნიშვნელოვნად მაღალი შეგროვების სიჩქარე და მონაცემთა გამტარუნარიანობა ყველა შეკერვის აპლიკაციაში, გამოსახულების პირობებიდან გამომდინარე.
სცენის გადაადგილების სიჩქარე TDI კამერის მთლიანი ექსპოზიციის დროის უკუპროპორციულია, ამიტომ მოკლე ექსპოზიციის დრო (1-20 მილიწამი) უზრუნველყოფს გამოსახულების გადაღების სიჩქარის უდიდეს გაუმჯობესებას არეალის სკანირების კამერებთან შედარებით, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს მთლიანი გადაღების დროის მასშტაბის რიგის ან უფრო მეტად შემცირება. უფრო ხანგრძლივი ექსპოზიციის დროისთვის (მაგ. > 100 მილიწამი), არეალის სკანირებას, როგორც წესი, შეუძლია შეინარჩუნოს დროის უპირატესობა.
ძალიან დიდი (2 გიგაპიქსელიანი) ფლუორესცენტული მიკროსკოპის გამოსახულების მაგალითი, რომელიც სულ რაღაც ათ წამში ფორმირდება, ნაჩვენებია ნახაზ 2-ში. არეალური სკანირების კამერით ეკვივალენტური გამოსახულების ფორმირებას, სავარაუდოდ, რამდენიმე წუთი დასჭირდება.
სურათი 2: 2 გიგაპიქსელიანი გამოსახულება, რომელიც 10 წამში ჩამოყალიბდა TDI სკანირებისა და შეკერვის გზით.
შენიშვნა: 10-ჯერ გადიდების გამოსახულება მიღებულია Tucsen Dhyana 9kTDI მარკერის კალმის წერტილების გამოყენებით, რომლებიც ფლუორესცენტული მიკროსკოპით არის დათვალიერებული. მიღებულია 10 წამში, 3.6 ms ექსპოზიციის დროის გამოყენებით. გამოსახულების ზომები: 30 მმ x 17 მმ, 58,000 x 34,160 პიქსელი.
TDI-ის სინქრონიზაცია
TDI კამერის სინქრონიზაცია გადაღების ობიექტთან (რამდენიმე პროცენტის სიზუსტით) აუცილებელია - სიჩქარის შეუსაბამობა გამოიწვევს „მოძრაობის დაბინდვის“ ეფექტს. ეს სინქრონიზაცია შესაძლებელია ორი გზით:
პროგნოზირებადიკამერის სიჩქარე დაყენებულია მოძრაობის სიჩქარესთან შესაბამისობაში, ნიმუშის მოძრაობის სიჩქარის, ოპტიკის (გადიდების) და კამერის პიქსელის ზომის ცოდნის საფუძველზე. ან ცდისა და შეცდომის მეთოდით.
გააქტიურებულიმიკროსკოპული სცენების, განტრიებისა და სხვა მოწყობილობების უმეტესობა, რომლებიც გამოიყენება გამოსახულების გადასაღებ ობიექტებზე, შეიძლება მოიცავდეს ენკოდერებს, რომლებიც კამერას გადაადგილების მოცემულ მანძილზე აგზავნიან გამშვები იმპულსით. ეს საშუალებას აძლევს სცენას/განტრის და კამერას სინქრონიზაცია შეინარჩუნონ მოძრაობის სიჩქარის მიუხედავად.
TDI კამერები ხაზოვანი სკანირების და არეალის სკანირების კამერების წინააღმდეგ
აი, როგორ შეედრება TDI სხვა პოპულარულ ვიზუალიზაციის ტექნოლოგიებს:
| ფუნქცია | TDI კამერა | ხაზის სკანირების კამერა | არეალის სკანირების კამერა |
| მგრძნობელობა | ძალიან მაღალი | საშუალო | დაბალიდან საშუალომდე |
| გამოსახულების ხარისხი (მოძრაობა) | შესანიშნავი | კარგი | ბუნდოვანია მაღალი სიჩქარით |
| განათების მოთხოვნები | დაბალი | საშუალო | მაღალი |
| მოძრაობის თავსებადობა | შესანიშნავი (თუ სინქრონიზებულია) | კარგი | ღარიბი |
| საუკეთესოა | მაღალი სიჩქარე, დაბალი განათება | სწრაფად მოძრავი ობიექტები | სტატიკური ან ნელი სცენები |
TDI აშკარა არჩევანია, როდესაც სცენა სწრაფად მოძრაობს და განათების დონე შეზღუდულია. ხაზის სკანირება მგრძნობელობის მხრივ ოდნავ დაბალია, ხოლო არეალის სკანირება უკეთესია მარტივი ან სტაციონარული კონფიგურაციებისთვის.
სწორი TDI კამერის არჩევა
TDI კამერის არჩევისას გაითვალისწინეთ შემდეგი:
● TDI საფეხურების რაოდენობა: მეტი საფეხური ზრდის SNR-ს, მაგრამ ასევე ზრდის ღირებულებას და სირთულეს.
● სენსორის ტიპი: sCMOS სასურველია მისი სიჩქარისა და დაბალი ხმაურის გამო; CCD შეიძლება მაინც შესაფერისი იყოს ზოგიერთი მემკვიდრეობით მიღებული სისტემისთვის.
● ინტერფეისი: უზრუნველყავით თქვენს სისტემასთან თავსებადობა — Camera Link, CoaXPress და 10GigE გავრცელებული ვარიანტებია, 100G CoF და 40G CoF კი ახალ ტენდენციებად იქცა.
● სპექტრული რეაქცია: აპლიკაციის საჭიროებების მიხედვით, აირჩიეთ მონოქრომული, ფერადი ან ახლო ინფრაწითელი (NIR) დიაპაზონი.
● სინქრონიზაციის ვარიანტები: მოძრაობის უკეთესი გასწორებისთვის მოძებნეთ ისეთი ფუნქციები, როგორიცაა ენკოდერის შეყვანა ან გარე ტრიგერის მხარდაჭერა.
თუ თქვენი აპლიკაცია მოიცავს დელიკატურ ბიოლოგიურ ნიმუშებს, მაღალსიჩქარიან შემოწმებას ან დაბალი განათების გარემოს, sCMOS TDI, სავარაუდოდ, თქვენთვის შესაფერისია.
დასკვნა
TDI კამერები წარმოადგენენ გამოსახულების ტექნოლოგიის ძლიერ ევოლუციას, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც ისინი sCMOS სენსორებზეა აგებული. მოძრაობის სინქრონიზაციისა და მრავალხაზიანი ინტეგრაციის შერწყმით, ისინი დინამიური, დაბალი განათების პირობებში სცენებისთვის შეუდარებელ მგრძნობელობას და სიცხადეს გვთავაზობენ.
იქნება ეს ვაფლების შემოწმება, სლაიდების სკანირება თუ მაღალსიჩქარიანი შემოწმება, TDI-ის მუშაობის პრინციპის გაგება დაგეხმარებათ საუკეთესო გადაწყვეტის არჩევაში.სამეცნიერო კამერებითქვენი გამოსახულების გამოწვევებისთვის.
ხშირად დასმული კითხვები
შეუძლიათ თუ არა TDI კამერებს ტერიტორიის სკანირების რეჟიმში მუშაობა?
TDI კამერებს შეუძლიათ (ძალიან თხელი) ორგანზომილებიანი გამოსახულებების შექმნა „არეალის სკანირების მსგავს“ რეჟიმში, რაც მიიღწევა სენსორის დროის რეგულირების ხრიკის მეშვეობით. ეს შეიძლება სასარგებლო იყოს ფოკუსირებისა და გასწორების მსგავსი ამოცანებისთვის.
„არეალის სკანირების ექსპოზიციის“ დასაწყებად, სენსორი ჯერ „იწმინდება“ TDI-ის მინიმუმ იმდენივე ნაბიჯით წინ წაწევით, რამდენიც კამერას აქვს ეტაპები, რაც შეიძლება სწრაფად, შემდეგ კი გაჩერებით. ეს მიიღწევა პროგრამული უზრუნველყოფის მართვის ან აპარატურის გააქტიურებით და იდეალურ შემთხვევაში, სიბნელეში ხორციელდება. მაგალითად, 256-ეტაპიანმა კამერამ უნდა წაიკითხოს მინიმუმ 256 ხაზი, შემდეგ კი გაჩერდეს. მონაცემების ეს 256 ხაზი უგულებელყოფილია.
მიუხედავად იმისა, რომ კამერა არ ირთვება ან ხაზები არ იკითხება, სენსორი იქცევა ისევე, როგორც ფართობის სკანირების სენსორი, რომელიც გამოსახულებას ავლენს.
სასურველი ექსპოზიციის დრო შემდეგ უნდა გავიდეს კამერის უმოქმედოდ დატოვებისას, სანამ კამერა კვლავ წინ წაიწევს, სულ მცირე, საფეხურების რაოდენობის მიხედვით, ახლად გადაღებული გამოსახულების თითოეული ხაზის წაკითხვით. იდეალურ შემთხვევაში, ეს „წაკითხვის“ ფაზა კვლავ სიბნელეში უნდა მოხდეს.
ეს ტექნიკა შეიძლება განმეორდეს „პირდაპირი გადახედვის“ ან ფართობის სკანირების სურათების თანმიმდევრობის უზრუნველსაყოფად TDI ოპერაციიდან მინიმალური დამახინჯებითა და დაბინდვით.
Tucsen Photonics Co., Ltd. ყველა უფლება დაცულია. ციტირებისას, გთხოვთ, მიუთითოთ წყარო:www.tucsen.com
