25/08/08An der industrieller a wëssenschaftlecher Bildgebung stellt d'Erfassung vu séier bewegende Objeten ënner Bedingungen mat wéineg Liicht eng konstant Erausfuerderung duer. Do kommen Time Delay Integration (TDI) Kameraen an d'Spill. D'TDI Technologie kombinéiert Bewegungssynchroniséierung a Multiple Beliichtungen fir aussergewéinlech Empfindlechkeet a Bildkloerheet ze liwweren, besonnesch an Ëmfeld mat héijer Geschwindegkeet.
Wat ass eng TDI-Kamera?
Eng TDI-Kamera ass eng spezialiséiert Linnenscannerkamera, déi Biller vu bewegende Objeten ophëlt. Am Géigesaz zu Standard-Flächenscannerkameraen, déi e ganze Bild gläichzäiteg beliichten, verlageren TDI-Kameraen d'Ladung vun enger Pixelrei op déi nächst synchron mat der Bewegung vum Objet. All Pixelrei sammelt Liicht, wann d'Sujet sech beweegt, wat d'Beliichtungszäit effektiv erhéicht an d'Signalstäerkt verbessert, ouni Bewegungsonschärft ze verursaachen.
Dës Ladungsintegratioun erhéicht d'Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) däitlech, wouduerch TDI-Kameraen ideal fir Héichgeschwindegkeets- oder Liichtgewiichtsanwendungen sinn.
Wéi funktionéiert eng TDI-Kamera?
D'Funktiounsweis vun enger TDI-Kamera ass an der Figur 1 illustréiert.
Figur 1: Operatioun vun Zäitverzögerungsintegratiounssensoren (TDI)
NOTIZ: TDI-Kamerae beweegen déi ageholl Ladungen iwwer verschidde 'Stufen' synchron mat engem bewegende Bildmotiv. All Stuf bitt eng zousätzlech Chance fir Liicht ausgesat ze ginn. Illustréiert duerch en hellt 'T', dat sech iwwer eng Kamera beweegt, mat engem 5-Sailen-x-5-Stufen-Segment vun engem TDI-Sensor. Tucsen Dhyana 9KTDI mat hybrider CCD-Stil Ladungsbewegung awer paralleler Ausliesung am CMOS-Stil.
TDI-Kamerae si effektiv Linnen-Scan-Kameraen, mat engem wichtegen Ënnerscheed: amplaz vun enger Rei vu Pixel, déi Daten sammelen, wa Kameraen iwwer en fotografeschen Objet gescannt ginn, hunn TDI-Kamerae verschidde Reien, bekannt als 'Stufen', typescherweis bis zu 256.
Dës Reien bilden awer kee 2-dimensionalt Bild wéi eng Flächenscankamera. Amplaz, wann e gescannten Objet iwwer de Kamerasensor beweegt, beweegen sech déi detektéiert Photoelektrone bannent all Pixel an déi nächst Rei synchron mat der Bewegung vum Objet, ouni nach ausgelies ze ginn. All zousätzlech Rei bitt dann eng zousätzlech Méiglechkeet, de Objet dem Liicht auszesetzen. Eréischt wann e Bildschnëtt déi lescht Rei vu Pixel vum Sensor erreecht, gëtt dës Rei dann un d'Ausliesarchitektur fir d'Miessung weiderginn.
Dofir gëtt, obwuel verschidde Miessunge vun de Kamerastufen duerchgefouert ginn, nëmmen eng eenzeg Instanz vum Kameraliesrauschen agefouert. Eng 256-Stufen TDI Kamera hält d'Prouf 256 Mol méi laang am Siichtfeld a soumat eng 256 Mol méi laang Beliichtungszäit wéi déi gläichwäerteg Linn-Scan Kamera. Eng gläichwäerteg Beliichtungszäit mat enger Flächen-Scan Kamera géif zu extremer Bewegungsonschärft féieren, wat d'Bild nëtzlos mécht.
Wéini kann TDI benotzt ginn?
TDI-Kamerae sinn eng exzellent Léisung fir all Bildgebungsapplikatioun, wou den fotografeschen Objet sech relativ zu der Kamera beweegt, virausgesat datt d'Bewegung iwwer de ganze Siichtfeld vun der Kamera gläichméisseg ass.
D'Uwendungsméiglechkeeten vun der TDI-Bildgebung ëmfaassen dofir op der enger Säit all déi vum Linnenscannen, wou 2-dimensional Biller entstinn, wärend se gläichzäiteg méi héich Geschwindegkeeten, eng däitlech verbessert Empfindlechkeet bei niddregem Liicht, eng besser Bildqualitéit oder all dräi gläichzäiteg bréngen. Op der anerer Säit ginn et vill Bildgebungstechniken, déi Flächenscannerkameraen benotzen, wou TDI-Kamerae kënne benotzt ginn.
Fir héichsensibel sCMOS TDI kann d''Tile and Stitch''-Bildgebung an der biologescher Fluoreszenzmikroskopie mat engem Nonstop-Scan vum Bühnenbildschierm amplaz vun Tiling duerchgefouert ginn. Oder all TDI kënne gutt fir Inspektiounsapplikatioune geegent sinn. Eng aner wichteg Uwendung fir TDI ass d'Bildgebungs-Flowzytometrie, wou Fluoreszenzbiller vun Zellen opgeholl ginn, wa se eng Kamera passéieren, während se duerch e mikrofluidesche Kanal fléissen.
Vir- an Nodeeler vun sCMOS TDI
Virdeeler
● Kann 2-dimensional Biller vun arbiträrer Gréisst mat héijer Geschwindegkeet ophuelen, wann iwwer en fotografeschen Objet gescannt gëtt.
● Méi TDI-Stufen, wéineg Rauschen an en héije QE kënnen zu enger däitlech méi héijer Empfindlechkeet féieren wéi zu Line-Scan-Kameraen.
● Ganz héich Ausliesgeschwindegkeete kënnen erreecht ginn, zum Beispill bis zu 510.000 Hz (Zeilen pro Sekonn), fir e Bild mat enger Breet vun 9.072 Pixel.
●D'Beliichtung muss nëmmen eendimensional sinn a brauch keng Flachfeld- oder aner Korrekturen an der zweeter (gescannter) Dimensioun. Zousätzlech kënnen méi laang Beliichtungszäiten am Verglach zum Linnescan de Flimmer wéinst Wiesselstroumliichtquellen "ausgläichen".
● Beweeglech Biller kënnen ouni Bewegungsonschärft a mat héijer Geschwindegkeet a Sensibilitéit opgeholl ginn.
●D'Scannen vu grousse Flächen kann däitlech méi séier sinn ewéi Flächescankameraen.
● Mat fortgeschratt Software oder Trigger-Astellungen kann e 'Flächenscan-ähnleche' Modus eng Iwwersiicht vum Flächenscan fir Fokus an Ausriichtung ubidden.
Nodeeler
● Ëmmer méi héicht Rauschen wéi konventionell sCMOS Kameraen, dat heescht, datt Uwendungen bei ultra-schlechtem Liicht net méiglech sinn.
● Erfuerdert speziell Astellungen mat fortgeschrattem Ausléiser fir d'Bewegung vum fotografeschen Objet mam Scannen vun der Kamera ze synchroniséieren, eng ganz fein Kontroll iwwer d'Beweegungsgeschwindegkeet oder eng genee Prognose vun der Geschwindegkeet fir d'Synchroniséierung z'erméiglechen.
● Als nei Technologie gëtt et de Moment wéineg Léisunge fir d'Hardware- a Softwareimplementatioun.
sCMOS TDI fir schwaach Liichtqualitéiten
Wärend TDI als Bildgebungstechnik virun der digitaler Bildgebung ass a viru laanger Zäit de Linescan a punkto Leeschtung iwwertraff huet, hunn TDI-Kameraen eréischt an de leschte Joren déi néideg Empfindlechkeet gewonnen, fir Uwendungen a schwaachem Liicht z'erreechen, déi normalerweis d'Empfindlechkeet vu wëssenschaftlecher Qualitéit erfuerderen.sCMOS Kameraen.
'sCMOS TDI' kombinéiert d'CCD-Beweegung vu Ladungen iwwer de Sensor mat enger sCMOS-Ausliesung, mat hannenbeliichte Sensoren. Fréier CCD-baséiert oder reng CMOS-baséiert* TDI-Kameraen haten däitlech méi lues Ausliesung, méi kleng Pixelzuelen, manner Stufen a Liesrauschen tëscht 30e- an >100e-. Am Géigesaz dozou hunn sCMOS TDI wéi den Tucsen...Dhyana 9KTDI sCMOS Kamerabitt e Liesrauschen vun 7.2e-, kombinéiert mat enger méi héijer Quanteneffizienz duerch Réckbeliichtung, wat d'Benotzung vun TDI a wesentlech méi niddrege Liichtniveauen erméiglecht wéi virdru méiglech.
A ville Uwendungen kënnen déi méi laang Beliichtungszäiten, déi duerch den TDI-Prozess erméiglecht ginn, d'Erhéijung vum Liesrauschen am Verglach mat héichqualitativen sCMOS-Flächenscan-Kameraen mat Liesrauschen no bei 1e- méi wéi kompenséieren.
Allgemeng Uwendungen vun TDI-Kameraen
TDI-Kamerae ginn a ville Branchen fonnt, wou Präzisioun a Geschwindegkeet gläichermoossen entscheedend sinn:
● Inspektioun vu Hallefleiterwaferen
● Tester vu Flaachbildschirmer (FPD)
● Webinspektioun (Pabeier, Film, Folie, Textilien)
● Röntgenscanning an der medizinescher Diagnostik oder Gepäckkontrolle
● Scannen vu Objektträger a Multi-Well-Platten an der digitaler Pathologie
● Hyperspektral Bildgebung an der Fernerkundung oder der Landwirtschaft
● PCB- an Elektronikinspektioun an SMT-Linnen
Dës Applikatioune profitéiere vum verbesserte Kontrast, der Geschwindegkeet an der Kloerheet, déi d'TDI-Imaging ënner realen Aschränkungen bitt.
Beispill: Scannen vu Plättercher a Multi-Well-Platten
Wéi scho gesot, ass eng Uwendung mat bedeitendem Potenzial fir sCMOS TDI Kameraen d'Stitching-Uwendungen, dorënner d'Scannen vun Objektträger oder Multi-Well-Platten. D'Scannen vu grousse fluoreszenten oder Hellfeldmikroskopieprouwen mat 2-dimensionale Flächenkameraen baséiert op der Stitching vun engem Raster vu Biller, déi aus multiple Beweegunge vun engem XY-Mikroskopstull geformt ginn. Fir all Bild muss de Stull stoppen, sech stabiliséieren an dann nei starten, zesumme mat all Verzögerung vum Rolling Shutter. TDI, op der anerer Säit, kann Biller ophuelen, während de Stull a Bewegung ass. D'Bild gëtt dann aus enger klenger Zuel vu laange 'Sträifen' geformt, déi all déi ganz Breet vun der Prouf ofdecken. Dëst kann potenziell zu däitlech méi héijen Acquisitiounsgeschwindegkeeten an Datenduerchlaf an allen Stitching-Uwendungen féieren, ofhängeg vun den Bildgebungsbedingungen.
D'Geschwindegkeet, mat där d'Bühn sech beweege kann, ass ëmgekéiert proportional zu der gesamter Beliichtungszäit vun der TDI-Kamera, sou datt kuerz Beliichtungszäiten (1-20ms) déi gréisst Verbesserung vun der Bildgeschwindegkeet am Verglach mat Flächenscan-Kameraen ubidden, wat dann zu enger Gréisstenuerdnung oder méi grousser Reduktioun vun der gesamter Erfaassungszäit féiere kann. Fir méi laang Beliichtungszäiten (z.B. > 100ms) kann de Flächenscan normalerweis en Zäitvirdeel behalen.
E Beispill vun engem ganz groussen (2 Gigapixel) Fluoreszenzmikroskopiebild, dat an nëmmen zéng Sekonne geformt gëtt, gëtt an der Figur 2 gewisen. E gläichwäertegt Bild, dat mat enger Flächescankamera geformt gëtt, kéint bis zu e puer Minutten daueren.
Figur 2: 2 Gigapixel-Bild, dat an 10 Sekonnen duerch TDI-Scannen a Stitching geformt gouf
NOTIZ: Bild mat 10x Vergréisserung, opgeholl mat dem Tucsen Dhyana 9kTDI vun Highlighter-Punkten, déi mat Fluoreszenzmikroskopie gekuckt goufen. Opgeholl an 10 Sekonnen mat enger Beliichtungszäit vun 3,6 ms. Bilddimensiounen: 30 mm x 17 mm, 58.000 x 34.160 Pixel.
TDI synchroniséieren
D'Synchroniséierung vun enger TDI-Kamera mam fotografeschen Objet (bis op e puer Prozent) ass essentiell - eng Ofwäichung vun der Geschwindegkeet féiert zu engem "Bewegungsunschärft"-Effekt. Dës Synchroniséierung kann op zwou Weeër gemaach ginn:
PrädiktivD'Kamerageschwindegkeet gëtt op Basis vun der Kenntnis vun der Bewegungsgeschwindegkeet vun der Prouf, der Optik (Vergréisserung) an der Pixelgréisst vun der Kamera agestallt. Oder duerch Ausprobéieren a Feeler.
AusgeléistVill Mikroskopstänn, Gantries an aner Ausrüstung fir Bildobjeten ze beweegen, kënnen Encoderen enthalen, déi en Triggerimpuls fir eng bestëmmte Bewegungsdistanz un d'Kamera schécken. Dëst erlaabt et, datt d'Stänn/Gantry an d'Kamera synchron bleiwen, onofhängeg vun der Bewegungsgeschwindegkeet.
TDI Kameraen vs. Linnen- a Flächen-Scan Kameraen
Hei ass wéi TDI am Verglach mat anere populäre Bildgebungstechnologien ofgeschnidden ass:
| Fonktioun | TDI Kamera | Linn-Scan-Kamera | Flächenscannerkamera |
| Sensibilitéit | Ganz héich | Mëttel | Niddreg bis Mëttel |
| Bildqualitéit (Bewegung) | Excellent | Gutt | Verschwommen bei héijer Geschwindegkeet |
| Beliichtungsufuerderungen | Niddereg | Mëttel | Héich |
| Bewegungskompatibilitéit | Excellent (wann synchroniséiert) | Gutt | Aarm |
| Am Beschten fir | Héichgeschwindegkeet, wéineg Liicht | Séier beweeglech Objeten | Statesch oder lues Szenen |
TDI ass déi kloer Wiel wann d'Szen sech séier beweegt an d'Liichtniveauen limitéiert sinn. De Linnescan ass eng Reduktioun vun der Empfindlechkeet, während e Flächenscan besser fir einfach oder stationär Opstellungen ass.
Déi richteg TDI-Kamera auswielen
Wann Dir eng TDI-Kamera auswielt, sollt Dir folgend Punkte berücksichtegen:
● Zuel vun den TDI-Etappen: Méi Etappen erhéijen den SNR, awer och d'Käschten an d'Komplexitéit.
● Sensortyp: sCMOS gëtt wéinst senger Geschwindegkeet a gerénger Geräischerheet bevorzugt; CCD kéint nach ëmmer fir verschidde Legacy-Systemer gëeegent sinn.
● Interface: Séchert d'Kompatibilitéit mat Ärem System - Camera Link, CoaXPress an 10GigE sinn üblech Optiounen, 100G CoF an 40G CoF sinn als nei Trends opgetrueden.
● Spektral Äntwert: Wielt tëscht Monochrom, Faarf oder noen Infrarout (NIR) jee no Applikatiounsbedürfnisser.
● Synchroniséierungsoptiounen: Sicht no Funktiounen ewéi Encoder-Inputen oder externen Trigger-Ënnerstëtzung fir eng besser Bewegungsausriichtung.
Wann Är Uwendung empfindlech biologesch Proben, Héichgeschwindegkeetsinspektiounen oder Ëmfeld mat wéineg Liicht ëmfaasst, ass sCMOS TDI wahrscheinlech déi richteg Léisung.
Conclusioun
TDI-Kamerae stellen eng staark Evolutioun an der Bildgebungstechnologie duer, besonnesch wa se op sCMOS-Sensoren baséieren. Duerch d'Kombinatioun vu Bewegungssynchroniséierung mat Multi-Line-Integratioun bidden se eng ongehéiert Empfindlechkeet a Kloerheet fir dynamesch Szenen mat wéineg Liicht.
Egal ob Dir Waferen iwwerpréift, Objektträger scannt oder High-Speed-Inspektiounen duerchféiert, d'Verständnis vun der Funktiounsweis vun TDI kann Iech hëllefen, déi bescht Léisung ze wielen.wëssenschaftlech Kameraenfir Är Bildgebungsproblemer.
FAQ
Kënnen TDI-Kameraen am Flächenscanmodus funktionéieren?
TDI-Kamerae kënnen (ganz dënn) zweedimensional Biller an engem 'Flächenscan-ähnlechen' Modus erstellen, wat duerch en Trick vum Sensortiming erreecht gëtt. Dëst kann hëllefräich sinn fir Aufgaben ewéi Fokus an Ausriichtung.
Fir eng 'Beliichtung mat engem Beräichsscan' unzefänken, gëtt de Sensor als éischt 'geläscht', andeems den TDI sou vill Schrëtt virugedriwwe gëtt, wéi d'Kamera Etappen huet, sou séier wéi méiglech, an dann gestoppt gëtt. Dëst gëtt entweder duerch Softwarekontroll oder Hardware-Ausléiser erreecht, an am Idealfall am Däischteren duerchgefouert. Zum Beispill soll eng Kamera mat 256 Etappen op d'mannst 256 Zeilen liesen an dann ophalen. Dës 256 Zeilen Daten ginn ewechgehäit.
Wärend d'Kamera net ausgeléist gëtt oder Linnen net ausgelies ginn, verhält sech de Sensor genau wéi e Flächenscan-Sensor, deen e Bild beliicht.
Déi gewënscht Beliichtungszäit soll dann oflafen, während d'Kamera am Leerlaf ass, ier d'Kamera erëm ëm mindestens hir Unzuel u Schrëtt virugeet, andeems all Zeil vum just opgehollene Bild ausgelies gëtt. Am Idealfall soll dës "Ausliesphase" och hei am Däischteren stattfannen.
Dës Technik kann widderholl ginn, fir eng 'Live-Virschau' oder eng Sequenz vu Flächescan-Biller mat minimaler Verzerrung a Verschäerfung duerch d'TDI-Operatioun ze kréien.
Tucsen Photonics Co., Ltd. All Rechter reservéiert. Wann Dir zitéiert, gitt w.e.g. d'Quell un:www.tucsen.com
