22.07.13Уақытты кешіктіру интеграциясы (TDI) - сандық бейнелеуді бұрыннан пайда болған кескіндеу әдісі, бірақ ол әлі де бейнелеудің бүгінгі күнінде үлкен артықшылықтар береді. TDI камералары жарқырауы мүмкін екі жағдай бар – екеуі де кескін нысаны қозғалыста болған кезде:
1 – Бейнелеу нысаны веб-тексерудегі (мысалы, қағаздың, пластиктің немесе матаның қозғалмалы парақтарын ақаулар мен зақымдарға сканерлеу), құрастыру желілері немесе микро сұйықтықтар мен сұйықтық ағындары сияқты тұрақты жылдамдықпен қозғалыста болады.
2 – Нысанды немесе камераны жылжыту арқылы аймақтан аймаққа жылжытылған камера арқылы кескінделуі мүмкін статикалық кескін нысандары. Мысалдар: микроскоптың слайдын сканерлеу, материалдарды тексеру, жалпақ панельді тексеру және т.б.
Осы жағдайлардың кез келгені кескініңізге қатысты болуы мүмкін болса, бұл веб-бет кәдімгі 2 өлшемді «аймақты сканерлеу» камераларынан Line Scan TDI камераларына ауысу кескінді күшейту мүмкіндігін қарастыруға көмектеседі.
Аймақты сканерлеу және жылжыту мақсаттары мәселесі
● Motion Blur
Кейбір кескін нысандары қажеттілік бойынша қозғалыста болады, мысалы, сұйықтық ағыны немесе веб-тексеру. Слайдты сканерлеу және материалдарды тексеру сияқты басқа қолданбаларда нысанды қозғалыста ұстау әрбір алынған кескін үшін қозғалысты тоқтатудан әлдеқайда жылдам және тиімдірек болуы мүмкін. Дегенмен, аумақты сканерлеу камералары үшін кескін нысаны камераға қатысты қозғалыста болса, бұл қиындық тудыруы мүмкін.
Қозғалыс бұлыңғырлығы қозғалыстағы көліктің кескінін бұзады
Жарықтандыруы шектеулі немесе жоғары кескін сапасы қажет жағдайларда камераның ұзақ экспозиция уақыты қажет болуы мүмкін. Дегенмен, экспозиция кезінде нысанның қозғалысы жарықты бірнеше камера пикселдеріне таратады, бұл «қозғалыс бұлыңғырлығына» әкеледі. Бұны экспозицияларды өте қысқа ұстау арқылы азайтуға болады – нысандағы нүктенің камера пикселін айналып өтуі үшін қажет уақыт. Бұлunәдетте қараңғы, шулы, жиі жарамсыз кескіндер есебінен.
●Тігу
Бұған қоса, әдетте аумақты сканерлеу камералары арқылы үлкен немесе үздіксіз кескін нысандарын кескіндеу кейін бір-біріне тігілген бірнеше кескінді алуды талап етеді. Бұл тігіс көрші кескіндер арасындағы пикселдердің қабаттасуын талап етеді, тиімділікті төмендетеді және деректерді сақтау мен өңдеу талаптарын арттырады.
●Біркелкі емес жарықтандыру
Сонымен қатар, жарықтандыру тігілген кескіндер арасындағы шекаралардағы мәселелер мен артефактілерді болдырмау үшін сирек жеткілікті болады. Сондай-ақ, жеткілікті қарқындылығы бар аумақты сканерлеу камерасы үшін жеткілікті үлкен аумақты жарықтандыруды қамтамасыз ету үшін жиі қуатты, қымбат тұратын тұрақты ток көздерін пайдалану қажет.
Тінтуірдің миының көп кескінін тігудегі біркелкі емес жарықтандыру. Уотсон және т.б. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
TDI камерасы дегеніміз не және ол қалай көмектеседі?
Кәдімгі 2 өлшемді аумақты сканерлеу камераларында кескінді алудың үш фазасы бар: пиксельді қалпына келтіру, экспозиция және оқу. Экспозиция кезінде оқиға орнынан фотондар анықталады, нәтижесінде фотоэлектрондар пайда болады, олар экспозицияның соңына дейін камера пикселдерінде сақталады. Әр пиксельден алынған мәндер оқылады және 2D кескін қалыптасады. Содан кейін пикселдер қалпына келтіріліп, келесі экспозицияны бастау үшін барлық зарядтар тазаланады.
Дегенмен, жоғарыда айтылғандай, бейнелеу нысаны камераға қатысты қозғалса, нысаннан түсетін жарық осы экспозиция кезінде бірнеше пиксельге таралып, қозғалыстың бұлыңғырлығына әкелуі мүмкін. TDI камералары бұл шектеуді инновациялық әдіс арқылы жеңеді. Бұл [Анимация 1] ішінде көрсетілген.
●TDI камералары қалай жұмыс істейді
TDI камералары аймақты сканерлеу камераларынан түбегейлі басқаша жұмыс істейді. Бейнелеу нысаны экспозиция кезінде камераның бойымен қозғалатындықтан, алынған кескінді құрайтын электрондық зарядтар да синхрондалады. Экспозиция кезінде TDI камералары бейнелеу нысанының қозғалысымен синхрондалған камера бойымен барлық алынған зарядтарды бір пиксель жолынан келесі жолға араластыра алады. Нысан камера бойымен қозғалған сайын, әрбір жол («TDI кезеңі» ретінде белгілі) камераны нысанға көрсетуге және сигнал жинауға жаңа мүмкіндік береді.
Алынған зарядтар қатары камераның соңына жеткенде ғана мәндер оқылады және кескіннің 1 өлшемді бөлігі ретінде сақталады. 2-D кескіні камера оқитын кезде кескіннің әрбір дәйекті бөлігін біріктіру арқылы жасалады. Алынған кескіндегі пикселдердің әрбір жолы бейнелеу нысанының бірдей «кесіндісін» қадағалайды және кескіндейді, яғни қозғалысқа қарамастан, бұлыңғырлық жоқ.
●256x ұзағырақ экспозиция
TDI камераларымен кескіннің тиімді экспозиция уақыты кейбір TDI камераларында 256 кезеңге дейін қолжетімді пикселдердің әрбір жолын өту үшін нысандағы нүктеге кететін барлық уақытпен беріледі. Бұл қол жетімді экспозиция уақыты аймақты сканерлеу камерасы қол жеткізе алатыннан 256 есе тиімді екенін білдіреді.
Бұл екі жақсартудың біреуін немесе екеуінің тепе-теңдігін бере алады. Біріншіден, бейнелеу жылдамдығын айтарлықтай арттыруға болады. Аймақтық сканерлеу камерасымен салыстырғанда бейнелеу нысаны 256 есе жылдамырақ қозғалуы мүмкін, сонымен бірге камераның желілік жылдамдығы ілесу үшін жеткілікті жылдам болса, бірдей сигнал көлемін түсіреді.
Екінші жағынан, жоғары сезімталдық қажет болса, ұзақ экспозиция уақыты әлдеқайда жоғары сапалы кескіндерді, төмен жарықтандыру қарқындылығын немесе екеуін де қоса алады.
●Тігіссіз үлкен деректерді өткізу мүмкіндігі
TDI камерасы 2 өлшемді кескінді дәйекті 1 өлшемді кесінділерден шығаратындықтан, алынған кескін қажетінше үлкен болуы мүмкін. «Көлденең» бағыттағы пикселдер саны камераның ені арқылы берілгенімен, мысалы, 9072 пиксель, кескіннің «тік» өлшемі шектеусіз және жай ғана камераның қанша уақыт жұмыс істейтінімен анықталады. 510 кГц-ке дейінгі желі жылдамдығымен бұл үлкен деректерді өткізу мүмкіндігін бере алады.
Осымен біріктірілген TDI камералары өте кең көру өрістерін ұсына алады. Мысалы, 5 мкм пиксельдері бар 9072 пиксельді камера жоғары ажыратымдылықпен 45 мм көлденең көру өрісін қамтамасыз етеді. 5 мкм пиксельдік аумақты сканерлеу камерасымен бірдей бейнелеу еніне жету үшін қатарлас үш 4K камераға дейін қажет болады.
●Сканерлеу камералары бойынша жақсартулар
TDI камералары аймақты сканерлеу камераларына қарағанда жақсартуларды ғана ұсынбайды. Бір ғана пиксель сызығын түсіретін сызықты сканерлеу камералары аумақты сканерлеу камералары сияқты жарық қарқындылығы мен қысқа экспозицияларға қатысты көптеген мәселелерден зардап шегеді.
TDI камералары сияқты, желілік сканерлеу камералары қарапайым орнату арқылы біркелкі жарықтандыруды ұсынады және кескінді тігу қажеттілігін болдырмайды, олар көбінесе жоғары сапалы кескін үшін жеткілікті сигналды түсіру үшін өте қарқынды жарықтандыруды және/немесе нысанның баяу қозғалысын қажет етуі мүмкін. TDI камералары қосатын ұзағырақ экспозициялар және жоғарырақ нысан жылдамдығы бейнелеу тиімділігін арттыра отырып, төмен қарқындылықты, төмен жарықтандыруды қолдануға болады дегенді білдіреді. Мысалы, өндірістік желі тұрақты ток қуатын қажет ететін қымбат тұратын, қуатты тұтынатын галоген шамдарынан жарықдиодты жарықтандыруға ауыса алады.
TDI камералары қалай жұмыс істейді?
Камера сенсорында TDI кескініне қол жеткізудің үш жалпы стандарты бар.
● CCD TDI– CCD камералары сандық камералардың ең көне стилі болып табылады. Электрондық дизайнының арқасында CCD-де TDI мінез-құлқына жету салыстырмалы түрде өте қарапайым, көптеген камера сенсорлары осылай жұмыс істей алады. Сондықтан TDI CCDs ондаған жылдар бойы қолданылып келеді.
Дегенмен, CCD технологиясының шектеулері бар. CCD TDI камералары үшін әдетте қол жетімді ең кішкентай пиксель өлшемі шамамен 12μm x 12µm – бұл шағын пиксельдер санымен бірге камералардың ұсақ бөлшектерді шешу мүмкіндіктерін шектейді. Оның үстіне, алу жылдамдығы басқа технологияларға қарағанда төмен, ал оқу шуы – жарық аз бейнелеуде негізгі шектеу факторы – жоғары. Қуатты тұтыну да жоғары, бұл кейбір қолданбаларда негізгі фактор болып табылады. Бұл CMOS архитектурасына негізделген TDI камераларын жасауға ұмтылуға әкелді.
●Ерте CMOS TDI: Кернеу-домен және цифрлық жинақтау
CMOS камералары CCD камераларының шу мен жылдамдық шектеулерінің көпшілігін жеңеді, сонымен бірге қуатты аз пайдаланады және кішірек пиксель өлшемдерін ұсынады. Дегенмен, CMOS камераларында пиксельдік дизайнға байланысты TDI әрекетіне қол жеткізу әлдеқайда қиын болды. CCD сенсорды басқару үшін фотоэлектрондарды физикалық түрде пиксельден пиксельге жылжытса, CMOS камералары оқуға дейін фотоэлектрондардағы сигналдарды әрбір пиксельдегі кернеулерге түрлендіреді.
CMOS сенсорындағы TDI әрекеті 2001 жылдан бері зерттелді, дегенмен, экспозиция бір жолдан келесіге ауысқан кезде сигналдың «жинақталуын» қалай өңдеуге болатындығы маңызды болды. Бүгінгі күні коммерциялық камераларда қолданылатын CMOS TDI үшін екі ерте әдіс - кернеу доменінің жинақталуы және TDI CMOS сандық қосындысы. Кернеу доменін жинақтаушы камераларда бейнелеу нысаны өтіп бара жатқанда сигналдың әрбір жолы алынғандықтан, алынған кернеу кескіннің сол бөлігі үшін жалпы қабылдауға электронды түрде қосылады. Кернеулерді осылайша жинақтау қосылған әрбір қосымша TDI кезеңі үшін қосымша шу шығарады, бұл қосымша кезеңдердің артықшылықтарын шектейді. Сызықтылыққа қатысты мәселелер бұл камераларды нақты қолданбалар үшін пайдалануды да қиындатады.
Екінші әдіс – TDI сандық қосындысы. Бұл әдісте CMOS камерасы бейнелеу нысанының пикселдердің бір қатарында жылжу уақытына сәйкес келетін өте қысқа экспозициямен аумақты сканерлеу режимінде тиімді жұмыс істейді. Бірақ әрбір келесі кадрдың жолдары TDI эффектісі жеткізілетіндей цифрлық түрде қосылады. Нәтижедегі кескіндегі пикселдердің әрбір жолы үшін бүкіл камераны оқу керек болғандықтан, бұл сандық қосу әр жол үшін оқу шуын қосады және алу жылдамдығын шектейді.
●Заманауи стандарт: зарядты домендік TDI CMOS немесе CCD-on-CMOS TDI
Жоғарыдағы CMOS TDI шектеулері жақында CMOS-те CCD-де белгілі CMOS зарядты жинақтау TDI CMOS енгізу арқылы еңсерілді. Бұл сенсорлардың жұмысы [Анимация 1] көрсетілген. Атауынан көрініп тұрғандай, бұл сенсорлар жеке зарядтар деңгейіне фотоэлектрондарды қосу арқылы әрбір TDI сатысында жинақталатын зарядтардың бір пикселден екіншісіне CCD тәрізді қозғалысын ұсынады. Бұл тиімді шусыз. Дегенмен, CCD TDI шектеулері CMOS камераларына тән жоғары жылдамдықтарды, төмен шуылды және төмен қуат тұтынуды қамтамасыз ететін CMOS оқу архитектурасын пайдалану арқылы еңсеріледі.
TDI техникалық сипаттамалары: не маңызды?
●Технология:Ең маңызды фактор - жоғарыда талқыланғандай қандай сенсорлық технология қолданылады. Зарядтау домені CMOS TDI ең жақсы өнімділікті береді.
●TDI кезеңдері:Бұл сигнал жиналуы мүмкін сенсордың жолдар саны. Камераның TDI кезеңдері неғұрлым көп болса, оның тиімді экспозиция уақыты соғұрлым ұзағырақ болуы мүмкін. Немесе камерада сызық жылдамдығы жеткілікті болған жағдайда кескіндеу нысаны соғұрлым жылдамырақ қозғала алады.
●Сызық жылдамдығы:Камера секундына қанша жол оқи алады. Бұл камера ілесе алатын максималды қозғалыс жылдамдығын анықтайды.
●Кванттық тиімділік: Бұл түсірілген фотонның анықталу және фотоэлектрон шығару ықтималдығы арқылы берілген әртүрлі толқын ұзындықтарындағы камераның жарыққа сезімталдығын көрсетеді. Жоғары кванттық тиімділік бірдей сигнал деңгейлерін сақтай отырып, төмен жарықтандыру күшін немесе жылдамырақ жұмысты ұсына алады.
Сонымен қатар, камералар жақсы сезімталдыққа қол жеткізуге болатын толқын ұзындығы диапазонында ерекшеленеді, кейбір камералар спектрдің ультракүлгін (УК) соңына дейін, шамамен 200 нм толқын ұзындығында сезімталдықты ұсынады.
●Шуды оқу:Оқу шуы камераның шу деңгейінен жоғары анықтауға болатын минималды сигналды анықтайтын камераның сезімталдығының басқа маңызды факторы болып табылады. Оқу шуы жоғары болған кезде қараңғы мүмкіндіктерді анықтау мүмкін емес және динамикалық диапазон айтарлықтай азаяды, бұл жарқынырақ жарықтандыруды немесе ұзағырақ экспозиция уақытын және баяу қозғалыс жылдамдығын пайдалануды білдіреді.
TDI техникалық сипаттамалары: не маңызды?
Қазіргі уақытта TDI камералары веб-инспекция, электроника мен өндірісті тексеру және басқа да машиналық көру қолданбалары үшін қолданылады. Сонымен қатар, флуоресцентті бейнелеу және слайдтарды сканерлеу сияқты аз жарықты қолданбалар қиын.
Дегенмен, жоғары жылдамдықты, төмен шуыл, жоғары сезімталдықты TDI CMOS камераларын енгізу арқылы бұрын тек аймақты сканерлеу камераларын пайдаланған жаңа қолданбаларда жылдамдық пен тиімділікті арттырудың үлкен әлеуеті бар. Мақаланың басында таныстырғанымыздай, TDI камералары тұрақты қозғалыстағы кескін нысандары үшін немесе статикалық кескін нысандары бойынша сканерлеуге болатын жерлерде жоғары жылдамдықтар мен жоғары кескін сапасына қол жеткізу үшін ең жақсы таңдау болуы мүмкін.
Мысалы, микроскопиялық қолданбада біз 5 мкм пикселі бар 9K пиксель, 256 сатылы TDI камерасының теориялық алу жылдамдығын 5 мкм пиксельі бар 12 МП камера аймағын сканерлеу камерасымен салыстыра аламыз. Сахнаны жылжыту арқылы 20 есе үлкейту арқылы 10 x 10 мм аумақты алуды қарастырайық.
1. 20x объективті аумақты сканерлеу камерасымен пайдалану 1,02 x 0,77 мм кескін өрісін береді.
2. TDI камерасы арқылы 2x қосымша үлкейтуі бар 10x объективі микроскоптың көру өрісіндегі кез келген шектеуді жеңу және 2,3 мм көлденең кескін өрісін беру үшін пайдаланылуы мүмкін.
3. Тігу мақсатында кескіндер арасындағы 2% пиксель қабаттасуы, сахнаны белгіленген орынға жылжыту үшін 0,5 секунд және 10 мс экспозиция уақыты деп есептесек, аумақты сканерлеу камерасына кететін уақытты есептей аламыз. Сол сияқты, егер сахна Y бағытында сканерлеу үшін тұрақты қозғалыста ұсталса, әр жолға бірдей экспозиция уақытымен TDI камерасының алатын уақытын есептей аламыз.
4. Бұл жағдайда аумақты сканерлеу камерасы сахнаны жылжытуға 63 секунд жұмсалған 140 кескінді алуды қажет етеді. TDI камерасы небәрі 5 ұзын кескін алады, сахнаны келесі бағанға жылжытуға бар болғаны 2 секунд жұмсалады.
5. 10 x 10 мм аумақты алуға жұмсалған жалпы уақытАймақты сканерлеу камерасы үшін 64,4 секунд,және жайTDI камерасы үшін 9,9 секунд.
TDI камерасы қолданбаңызға сәйкес келетінін және қажеттіліктеріңізді қанағаттандыра алатынын білгіңіз келсе, бүгін бізге хабарласыңыз.
