22/07/13Zäitverzögerungsintegratioun (TDI) ass eng Bildgebungstechnik, déi virun der digitaler Bildgebung existéiert huet – awer déi haut nach ëmmer enorm Virdeeler um neiste Stand vun der Bildgebung bitt. Et ginn zwou Ëmstänn, ënner deenen TDI-Kamerae glänze kënnen – béides wann den Objet, deen fotograféiert gëtt, a Bewegung ass:
1 – Den ofbildenden Objet ass inherent a Bewegung mat enger konstanter Geschwindegkeet, wéi bei der Netzinspektioun (wéi z.B. d'Scannen vu bewegende Blieder Pabeier, Plastik oder Stoff op Mängel a Schued), bei Montagebanden oder Mikrofluidik a Flëssegkeetsstréim.
2 – Statesch Bildgebungsobjekter, déi vun enger Kamera ofgebild kënne ginn, déi vu Beräich zu Beräich beweegt gëtt, entweder andeems d'Sujet oder d'Kamera beweegt gëtt. Beispiller enthalen d'Scannen vu Mikroskop-Präparater, d'Materialinspektioun, d'Inspektioun vu Flaachbildschiermer etc.
Wann ee vun dësen Ëmstänn op Är Bildgebung zoutreffe kéint, hëlleft Iech dës Websäit ze iwwerleeën, ob e Wiessel vun konventionellen 2-dimensionalen 'Flächenscan'-Kameraen op Line Scan TDI-Kameraen Är Bildgebung e Boost kéint bréngen.
De Problem mam Flächenscannen & Beweegenden Ziler
● Bewegungsonschärft
Verschidden Objeten, déi fotograféiert ginn, sinn aus Noutwennegkeet a Bewegung, zum Beispill bei der Inspektioun vu Flëssegkeetsfloss oder Netzinspektioun. An aneren Uwendungen, wéi z. B. beim Scannen vun Diaen an der Materialinspektioun, kann et däitlech méi séier a méi effizient sinn, den Objet a Bewegung ze halen, wéi d'Bewegung fir all opgeholl Bild ze stoppen. Wéi och ëmmer, bei Flächenscankameraen, wann den Objet, deen fotograféiert gëtt, sech relativ zu der Kamera beweegt, kann dat eng Erausfuerderung duerstellen.
Bewegungsonschärft verzerrt d'Bild vun engem bewegende Gefier
A Situatiounen mat limitéierter Beliichtung oder wou héich Bildqualitéiten erfuerderlech sinn, kéint eng laang Beliichtungszäit vun der Kamera erwënscht sinn. D'Bewegung vum Sujet wäert awer säi Liicht iwwer verschidde Kamerapixel während der Beliichtung verdeelen, wat zu "Bewegungsunschärft" féiert. Dëst kann miniméiert ginn andeems d'Beliichtungszäiten ganz kuerz gehale ginn - ënner der Zäit, déi et géif daueren, fir datt e Punkt um Sujet e Kamerapixel passéiert. Dëst ass denunmeeschtens op Käschte vun däischteren, lauter, dacks onbrauchbare Biller.
●Nähen
Zousätzlech erfuerdert d'Billerung vu groussen oder kontinuéierleche Biller mat Flächenscankameraen typescherweis d'Erfassung vu verschiddene Biller, déi dann zesummegesat ginn. Dëst Zesummesetzen erfuerdert iwwerlappend Pixel tëscht Nopeschbiller, wat d'Effizienz reduzéiert an d'Ufuerderunge fir d'Datespäicherung an d'Veraarbechtung erhéicht.
●Ongläichméisseg Beliichtung
Ausserdeem wäert d'Beliichtung selten ausreichen, fir Problemer an Artefakten un de Grenzen tëscht zesummegestréckte Biller ze vermeiden. Ausserdeem ass et dacks néideg, héichleistungsintensiv Gläichstroumliichtquellen ze benotzen, fir eng grouss genuch Fläch fir d'Flächenscankamera mat genuch Intensitéit ze beliichten.
Ongläichméisseg Beliichtung beim Nähen vun enger Multi-Bild-Acquisitioun vun engem Mausgehir. Bild vum Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Wat ass eng TDI-Kamera, a wéi hëlleft se?
A konventionellen 2-dimensionalen Area-Scan-Kameraen gëtt et dräi Phasen fir e Bild ze kréien: Pixel-Reset, Beliichtung an Ausliesen. Wärend der Beliichtung ginn Photonen aus der Szen detektéiert, wat zu Photoelektronen féiert, déi an de Pixel vun der Kamera bis zum Enn vun der Beliichtung gespäichert sinn. D'Wäerter vun all Pixel ginn dann ausgelies, an en 2D-Bild gëtt geformt. D'Pixel ginn dann zréckgesat an all Ladungen läschen, fir déi nächst Beliichtung unzefänken.
Wéi awer scho gesot, wann den Objet sech am Verhältnes zu der Kamera beweegt, kann d'Liicht vum Objet sech während dëser Beliichtung iwwer verschidde Pixel verbreeden, wat zu Bewegungsonschärft féiert. TDI-Kameraen iwwerwannen dës Limitatioun mat enger innovativer Technik. Dëst gëtt an [Animatioun 1] demonstréiert.
●Wéi TDI-Kameraen funktionéieren
TDI-Kamerae funktionéieren fundamental anescht wéi Area-Scan-Kameraen. Wann den Objet während der Beliichtung iwwer d'Kamera beweegt, ginn déi elektronesch Ladungen, déi dat opgeholl Bild bilden, och beweegt a bleiwen synchron. Wärend der Beliichtung kënnen TDI-Kamerae all opgeholl Ladungen vun enger Pixelrei an déi nächst laanscht d'Kamera verwandelen, synchroniséiert mat der Bewegung vum Objet. Wann den Objet iwwer d'Kamera beweegt, bitt all Rei (bekannt als "TDI-Stage") eng nei Méiglechkeet, d'Kamera dem Objet auszestellen an e Signal ze sammelen.
Soubal eng Rei vun erfaasste Ladungen d'Enn vun der Kamera erreecht, ginn d'Wäerter eréischt dann ausgelies a als eendimensional Stéck vum Bild gespäichert. Dat zweedimensionalt Bild gëtt geformt andeems all eenzel Stéck vum Bild zesummegepecht gëtt, während d'Kamera se liest. All Rei vu Pixelen am resultéierende Bild verfollegt a stellt datselwecht 'Stéck' vum fotografeschen Objet duer, dat heescht, datt et trotz der Bewegung keng Onschärft gëtt.
●256x méi laang Beliichtung
Bei TDI-Kameraen gëtt déi effektiv Beliichtungszäit vum Bild duerch déi ganz Zäit gemooss, déi e Punkt um Sujet brauch fir all Pixelrei ze duerchlafen, mat bis zu 256 Etappen, déi bei verschiddenen TDI-Kameraen verfügbar sinn. Dëst bedeit, datt déi verfügbar Beliichtungszäit effektiv 256 Mol méi grouss ass wéi eng Area-Scan-Kamera kéint erreechen.
Dëst kann entweder zwou Verbesserungen oder e Gläichgewiicht tëscht deenen zwee bréngen. Éischtens kann eng bedeitend Verbesserung vun der Bildgeschwindegkeet erreecht ginn. Am Verglach mat enger Flächenscannerkamera kann den Objet, deen ofgebild gëtt, sech bis zu 256x méi séier beweegen, wärend déiselwecht Quantitéit u Signal opgeholl gëtt, virausgesat datt d'Linnrate vun der Kamera séier genuch ass fir matzehalen.
Op der anerer Säit, wann eng méi grouss Empfindlechkeet erfuerderlech ass, kéint déi méi laang Beliichtungszäit Biller mat vill méi héijer Qualitéit, eng méi niddreg Beliichtungsintensitéit oder béides erméiglechen.
●Groussen Datenduerchlaf ouni Stitching
Well d'TDI-Kamera en 2-dimensionalt Bild aus hannereneen 1-dimensionale Scheiwen produzéiert, kann dat resultéierend Bild sou grouss sinn, wéi néideg. Wärend d'Zuel vun de Pixelen an der 'horizontaler' Richtung vun der Breet vun der Kamera bestëmmt gëtt, zum Beispill 9072 Pixel, ass déi 'vertikal' Gréisst vum Bild onlimitéiert a gëtt einfach doduerch bestëmmt, wéi laang d'Kamera leeft. Mat Linnraten vu bis zu 510 kHz kann dëst en enorme Datenduerchlaf liwweren.
Kombinéiert domat kënnen TDI-Kameraen ganz breet Siichtfelder ubidden. Zum Beispill bitt eng 9072 Pixel Kamera mat 5µm Pixel e horizontalt Siichtfeld vu 45 mm mat héijer Opléisung. Fir déiselwecht Bildbreet mat enger Scankamera mat enger Pixelfläch vu 5µm z'erreechen, géifen bis zu dräi 4K-Kameraen niewentenee gebraucht ginn.
●Verbesserungen am Verglach zu Line-Scan-Kameraen
TDI-Kameraen bidden net nëmme Verbesserungen am Verglach mat Flächenscan-Kameraen. Linnenscan-Kameraen, déi nëmmen eng eenzeg Zeil vu Pixel ophuelen, leiden och ënner ville vun de selwechte Problemer mat der Beliichtungsintensitéit a kuerzen Beliichtungszäiten wéi Flächenscan-Kameraen.
Och wann, wéi TDI-Kameraen, Line-Scan-Kameraen eng méi gläichméisseg Beliichtung mat engem méi einfache Setup ubidden, an d'Noutwennegkeet vum Bildstécken vermeiden, kënne si dacks eng ganz intensiv Beliichtung an/oder eng lues Motivbewegung erfuerderen, fir genuch Signal fir e qualitativ héichwäertegt Bild opzehuelen. Déi méi laang Beliichtungszäiten an déi méi séier Motivgeschwindegkeeten, déi TDI-Kameraen erméiglechen, bedeiten, datt eng méi niddreg Intensitéit a méi bëlleg Beliichtung benotzt ka ginn, während d'Bildgebungseffizienz verbessert gëtt. Zum Beispill kéint eng Produktiounslinn vun deieren Halogenluuchten mat héijem Energieverbrauch, déi Gläichstroum brauchen, op LED-Beliichtung wiesselen.
Wéi funktionéieren TDI-Kameraen?
Et ginn dräi üblech Standarden fir d'Erreeche vun TDI-Bildgebung op engem Kamerasensor.
● CCD TDI– CCD-Kamerae sinn déi eelst Zort vun digitale Kameraen. Wéinst hirem elektroneschen Design ass et relativ einfach, TDI-Verhalen op enger CCD z'erreechen, well vill Kamerasensoren inherent op dës Manéier funktionéiere kënnen. TDI-CCDe ginn dofir zënter Joerzéngte benotzt.
D'CCD-Technologie huet awer och seng Grenzen. Déi klengst Pixelgréisst, déi allgemeng fir CCD TDI-Kameraen verfügbar ass, ass ongeféier 12µm x 12µm – dëst, zesumme mat der gerénger Pixelzuel, limitéiert d'Fäegkeet vun de Kameraen, fein Detailer opzeklären. Ausserdeem ass d'Acquisitiounsgeschwindegkeet méi niddreg wéi bei aneren Technologien, während d'Liesrauschen – e wichtege limitéierende Faktor bei der Bildgebung bei schwaachem Liicht – héich ass. De Stroumverbrauch ass och héich, wat a verschiddenen Uwendungen e wichtege Faktor ass. Dëst huet zum Wonsch gefouert, TDI-Kameraen op Basis vun der CMOS-Architektur ze kreéieren.
●Fréi CMOS TDI: Spannungsberäich an digital Summéierung
CMOS-Kameraen iwwerwannen vill vun de Geräischer- a Geschwindegkeetsbeschränkungen vun CCD-Kameraen, verbrauchen dobäi manner Energie a bidden méi kleng Pixelgréissten. Wéinst hirem Pixeldesign war den TDI-Verhalen awer vill méi schwéier bei CMOS-Kameraen z'erreechen. Wärend CCDen Photoelektrone kierperlech vu Pixel zu Pixel beweegen, fir de Sensor ze verwalten, konvertéieren CMOS-Kameraen Signaler a Photoelektrone a Spannungen an all Pixel, ier se ausgelies ginn.
D'Verhale vum TDI op engem CMOS-Sensor gëtt zënter 2001 exploréiert, awer d'Erausfuerderung, wéi een mat der "Akkumulatioun" vum Signal ëmgoe soll, wann d'Beliichtung vun enger Zeil an déi nächst wiesselt, war bedeitend. Zwee fréi Methode fir CMOS TDI, déi haut nach ëmmer a kommerzielle Kameraen benotzt ginn, sinn d'Spannungsdomänakkumulatioun an d'digital Summéierung vun TDI CMOS. A Spannungsdomänakkumulatiounskameraen, wann all Zeil vum Signal erfaasst gëtt, während den Objet laanschtgeet, gëtt déi erfaasst Spannung elektronesch zur Gesamterfaassung fir deen Deel vum Bild bäigefüügt. D'Akkumulatioun vu Spannungen op dës Manéier bréngt zousätzlecht Rauschen fir all extra TDI-Stuf mat sech, déi bäigefüügt gëtt, wat d'Virdeeler vun zousätzleche Stufen limitéiert. Problemer mat der Linearitéit stellen och d'Benotzung vun dëse Kameraen fir präzis Uwendungen a Fro.
Déi zweet Method ass digital Summéierung vun TDI. Bei dëser Method leeft eng CMOS-Kamera effektiv am Flächescanmodus mat enger ganz kuerzer Beliichtung, déi der Zäit entsprécht, déi den Objet brauch, fir iwwer eng eenzeg Pixelrei ze beweegen. D'Reie vun all eenzelne Bild ginn awer digital zesummegefügt, sou datt en TDI-Effekt entsteet. Well déi ganz Kamera fir all Pixelrei am resultéierende Bild muss ausgelies ginn, füügt dës digital Additioun och de Liesrauschen fir all Rei bäi a limitéiert d'Geschwindegkeet vun der Erfaassung.
●De modernen Standard: Charge-Domain TDI CMOS, oder CCD-on-CMOS TDI
D'Limitatioune vum CMOS TDI, déi uewe genannt goufen, goufen viru kuerzem duerch d'Aféierung vum Charge-Domain-Akkumulation-TDI CMOS, och bekannt als CCD-on-CMOS TDI, iwwerwonne. D'Funktioun vun dëse Sensoren gëtt an [Animatioun 1] demonstréiert. Wéi den Numm et scho seet, bidden dës Sensoren eng CCD-ähnlech Beweegung vu Ladungen vun engem Pixel zum nächsten, andeems se e Signal an all TDI-Stuf duerch d'Zousätzlech vu Photoelektronen um Niveau vun den eenzelne Ladungen accumuléieren. Dëst ass effektiv ouni Geräischer. D'Limitatioune vum CCD TDI ginn awer duerch d'Benotzung vun der CMOS-Ausliesarchitektur iwwerwonne, wat déi héich Geschwindegkeeten, den niddrege Geräisch an den niddrege Stroumverbrauch erméiglecht, déi bei CMOS-Kameraen üblech sinn.
TDI Spezifikatiounen: Wat ass wichteg?
●Technologie:De wichtegste Faktor ass, wéi eng Sensortechnologie benotzt gëtt, wéi uewe beschriwwen. Charge-Domain CMOS TDI liwwert déi bescht Leeschtung.
●TDI-Etappen:Dëst ass d'Zuel vun de Reien vum Sensor, iwwer déi e Signal gesammelt ka ginn. Wat méi TDI-Stufen eng Kamera huet, wat hir effektiv Beliichtungszäit méi laang ka sinn. Oder wat méi séier sech den Objet beweege kann, virausgesat datt d'Kamera eng genuch Linnenquote huet.
●Linnenquote:Wéivill Reien d'Kamera pro Sekonn liesen kann. Dëst bestëmmt déi maximal Bewegungsgeschwindegkeet, mat där d'Kamera mathale kann.
●QuanteffizienzDëst weist d'Sensibilitéit vun der Kamera fir Liicht bei verschiddene Wellelängten un, déi duerch d'Wahrscheinlechkeet bestëmmt gëtt, datt en afalenden Photon detektéiert gëtt an e Photoelektron produzéiert. Eng méi héich Quanteffizienz kann eng méi niddreg Beliichtungsstäerkt oder e méi schnelle Betrib ubidden, während déiselwecht Signalniveauen erhale bleiwen.
Zousätzlech ënnerscheede sech Kameraen wat de Wellelängteberäich ugeet, an deem eng gutt Empfindlechkeet erreecht ka ginn, woubäi verschidde Kameraen eng Empfindlechkeet bis an den ultraviolett (UV) Enn vum Spektrum ubidden, mat enger Wellelängt vu ronn 200 nm.
●Lärm liesen:Liesrauschen ass den anere wichtege Faktor an der Empfindlechkeet vun enger Kamera, deen de minimale Signal bestëmmt, deen iwwer dem Rauschbuedem vun der Kamera detektéiert ka ginn. Bei héijem Liesrauschen kënnen däischter Elementer net detektéiert ginn an den dynamesche Beräich gëtt staark reduzéiert, dat heescht, datt méi hell Beliichtung oder méi laang Beliichtungszäiten a méi lues Bewegungsgeschwindegkeete musse benotzt ginn.
TDI Spezifikatiounen: Wat ass wichteg?
Aktuell ginn TDI-Kamerae fir d'Inspektioun vu Weben, d'Inspektioun vun Elektronik an der Produktioun, an aner Uwendungen am Beräich vun der Maschinnvisioun benotzt. Nieft dësem ginn et och usprochsvoll Uwendungen a schwaache Liichtgebidder, wéi z. B. Fluoreszenzbildgebung a Scannen vu Folie.
Wéi och ëmmer, mat der Aféierung vun TDI CMOS Kameraen mat héijer Geschwindegkeet, geréngem Geräisch an héijer Empfindlechkeet gëtt et e grousst Potenzial fir Erhéijunge vun der Geschwindegkeet an der Effizienz an neien Uwendungen, déi virdru nëmme Flächenscan-Kameraen benotzt hunn. Wéi mir um Ufank vum Artikel virgestallt hunn, kéinten TDI Kameraen déi bescht Wiel sinn fir héich Geschwindegkeeten an héich Bildqualitéiten z'erreechen, entweder fir d'Bildgebung vu Sujeten, déi scho stänneg a Bewegung sinn, oder wou d'Kamera iwwer statesch bildgebend Sujeten gescannt ka ginn.
Zum Beispill, an enger Mikroskopie-Applikatioun kéinte mir déi theoretesch Erfaassungsgeschwindegkeet vun enger 9K Pixel, 256-Stuf TDI Kamera mat 5 µm Pixel mat enger 12MP Kameraflächescankamera mat 5 µm Pixel vergläichen. Loosst eis d'Erfaassung vun enger 10 x 10 mm Fläch mat 20-facher Vergréisserung duerch d'Beweegung vum Stuf ënnersichen.
1. D'Benotzung vun engem 20x Objektiv mat der Flächescankamera géif e Bildfeld vun 1,02 x 0,77 mm liwweren.
2. Mat der TDI-Kamera kéint en 10-fache Objektiv mat enger 2-facher zousätzlecher Vergréisserung benotzt ginn, fir all Aschränkung am Siichtfeld vum Mikroskop ze iwwerwannen, fir e horizontalt Bildfeld vun 2,3 mm ze liwweren.
3. Ënner der Viraussetzung vun enger Iwwerlappung vun 2% Pixel tëscht de Biller fir d'Zesummesetzung, 0,5 Sekonnen fir d'Bühn op eng festgeluecht Plaz ze bréngen, an enger Beliichtungszäit vun 10ms, kënne mir d'Zäit berechnen, déi d'Flächescankamera brauch. Ähnlech kënne mir d'Zäit berechnen, déi d'TDI-Kamera brauch, wann d'Bühn a stänneger Bewegung gehale géif ginn, fir an der Y-Richtung ze scannen, mat der selwechter Beliichtungszäit pro Linn.
4. An dësem Fall géif d'Flächescankamera 140 Biller brauchen, mat 63 Sekonnen, fir d'Bühn ze beweegen. D'TDI-Kamera géif just 5 laang Biller ophuelen, mat nëmmen 2 Sekonnen, fir d'Bühn an déi nächst Kolonn ze beweegen.
5. Déi total Zäit, déi fir d'Erwerbung vun der 10 x 10 mm Fläch gebraucht gëtt, wier64,4 Sekonnen fir d'Flächescankamera,an just9,9 Sekonnen fir d'TDI-Kamera.
Wann Dir wëllt wëssen, ob eng TDI-Kamera Ärer Uwendung a Bedierfnesser entsprécht, kontaktéiert eis haut.
