2008-08-25Pramoniniame ir moksliniame vaizdavime greitai judančių objektų fotografavimas esant prastam apšvietimui yra nuolatinis iššūkis. Būtent čia į pagalbą ateina laiko uždelsimo integravimo (TDI) kameros. TDI technologija sujungia judesio sinchronizavimą ir daugkartines ekspozicijas, kad užtikrintų išskirtinį jautrumą ir vaizdo aiškumą, ypač greitoje aplinkoje.
Kas yra TDI kamera?
TDI kamera yra specializuota linijinio skenavimo kamera, fiksuojanti judančių objektų vaizdus. Skirtingai nuo standartinių plotinio skenavimo kamerų, kurios vienu metu eksponuoja visą kadrą, TDI kameros perkelia krūvį iš vienos pikselių eilutės į kitą sinchronizuodamosi su objekto judėjimu. Kiekviena pikselių eilutė kaupia šviesą objektui judant, efektyviai padidindama ekspozicijos laiką ir padidindama signalo stiprumą nesukeldama judesio suliejimo.
Ši įkrovos integracija smarkiai padidina signalo ir triukšmo santykį (SNR), todėl TDI kameros idealiai tinka didelės spartos arba silpno apšvietimo taikymams.
Kaip veikia TDI kamera?
TDI kameros veikimas pavaizduotas 1 paveiksle.
1 pav.: Laiko uždelsimo integravimo (TDI) jutiklių veikimas
PASTABA: TDI kameros perkelia įgytus krūvius per kelis „pakopas“ sinchronizuodamosi su judančiu vaizdo objektu. Kiekvienas etapas suteikia papildomą galimybę būti apšviestam šviesos. Iliustruojama ryškia „T“ raide, judančia per kamerą, su 5 stulpelių ir 5 pakopų TDI jutiklio segmentu. „Tucsen Dhyana 9KTDI“ su hibridiniu CCD stiliaus krūvio judėjimu, bet CMOS stiliaus lygiagrečiu nuskaitymu.
TDI kameros iš esmės yra linijinio skenavimo kameros, turinčios vieną svarbų skirtumą: vietoj vienos pikselių eilutės, renkančios duomenis, kai kameros nuskaitomos per vaizdavimo objektą, TDI kameros turi kelias eilutes, vadinamas „etapais“, kurių paprastai yra iki 256.
Tačiau šios eilutės nesudaro dvimačio vaizdo, kaip plotinio skenavimo kamera. Vietoj to, nuskaitytam vaizdavimo objektui judant per kameros jutiklį, kiekviename pikselyje aptikti fotoelektronai persikelia į kitą eilutę sinchroniškai su vaizdavimo objekto judėjimu, dar nebūdami nuskaitomi. Kiekviena papildoma eilutė suteikia papildomą galimybę apšviesti vaizdavimo objektą. Tik tada, kai vaizdo pjūvis pasiekia paskutinę jutiklio pikselių eilutę, ta eilutė perduodama nuskaitymo architektūrai matavimui.
Taigi, nepaisant daugybės matavimų, atliekamų skirtinguose kameros etapuose, kameros nuskaitymo triukšmo atsiranda tik vieną kartą. 256 etapų TDI kamera mėginį matomoje vietoje išlaiko 256 kartus ilgiau, todėl jos ekspozicijos laikas yra 256 kartus ilgesnis nei lygiavertės linijinio skenavimo kameros. Lygiavertis ekspozicijos laikas su ploto skenavimo kamera sukeltų itin didelį judesio suliejimą, todėl vaizdas taptų nenaudingas.
Kada galima naudoti TDI?
TDI kameros yra puikus sprendimas bet kokiai vaizdo gavimo programai, kai fotografuojamas objektas juda kameros atžvilgiu, su sąlyga, kad judėjimas yra tolygus visame kameros matymo lauke.
Taigi TDI vaizdavimo taikymo sritys apima, viena vertus, visus linijinio skenavimo būdus, kai formuojami dvimačiai vaizdai, tuo pačiu užtikrinant didesnį greitį, gerokai pagerintą jautrumą esant silpnam apšvietimui, geresnę vaizdo kokybę arba visus tris iš karto. Kita vertus, yra daug vaizdavimo metodų, kuriuose naudojamos plotinio skenavimo kameros, kur galima naudoti TDI kameras.
Didelio jautrumo sCMOS TDI atveju biologinės fluorescencinės mikroskopijos „plytelių ir dygsnių“ vaizdavimas gali būti atliekamas naudojant nepertraukiamą objekto skenavimą vietoj plytelių klojimo. Arba visa TDI gali būti tinkama tikrinimo reikmėms. Kita svarbi TDI taikymo sritis yra vaizdinio srauto citometrija, kai ląstelių fluorescenciniai vaizdai gaunami joms slenkant pro kamerą ir tekant mikrofluidiniu kanalu.
sCMOS TDI privalumai ir trūkumai
Privalumai
● Skenuojant vaizduojamą objektą, galima dideliu greičiu užfiksuoti bet kokio dydžio dvimačius vaizdus.
● Keli TDI etapai, mažas triukšmas ir didelis QE gali lemti žymiai didesnį jautrumą nei linijinio skenavimo kameros.
● Galima pasiekti labai didelį nuskaitymo greitį, pavyzdžiui, iki 510 000 Hz (eilučių per sekundę), kai vaizdas yra 9 072 pikselių pločio.
●Apšvietimas turi būti tik vienmatis ir nereikalauja plokščio lauko ar kitų korekcijų antrajame (skenuotame) matmenyje. Be to, ilgesnis ekspozicijos laikas, palyginti su linijiniu skenavimu, gali „išlyginti“ mirgėjimą dėl kintamosios srovės šviesos šaltinių.
● Judančius vaizdus galima užfiksuoti be judesio suliejimo, dideliu greičiu ir jautrumu.
●Didelių plotų skenavimas gali būti gerokai greitesnis nei naudojant ploto skenavimo kameras.
● Naudojant pažangią programinę įrangą arba paleidimo nustatymus, „ploto skenavimo tipo“ režimas gali pateikti ploto skenavimo apžvalgą fokusavimui ir lygiavimui.
Trūkumai
● Vis dar didesnis triukšmas nei įprastų sCMOS kamerų, todėl itin prasto apšvietimo sąlygomis jos nepasiekiamos.
● Reikalingi specialūs nustatymai su pažangia paleidimo sistema, kad būtų galima sinchronizuoti vaizduojamo objekto judėjimą su kameros skenavimu, labai tikslus judėjimo greičio valdymas arba tikslus greičio numatymas, kad būtų galima sinchronizuoti.
● Kadangi tai nauja technologija, šiuo metu yra nedaug aparatinės ir programinės įrangos diegimo sprendimų.
sCMOS TDI, tinkantis darbui esant silpnam apšvietimui
Nors TDI kaip vaizdo gavimo technika atsirado anksčiau nei skaitmeninis vaizdavimas ir jau seniai pranoko linijinio skenavimo našumą, tik pastaraisiais metais TDI kameros įgijo jautrumą, reikalingą fotografuoti esant silpnam apšvietimui, kuriam paprastai reikalingas mokslinio lygio jautrumas.sCMOS kameros.
„sCMOS TDI“ sujungia CCD tipo krūvių judėjimą jutiklyje su sCMOS tipo nuskaitymu, taip pat yra jutiklių su foniniu apšvietimu. Ankstesnės CCD arba grynai CMOS* pagrindu sukurtos TDI kameros pasižymėjo žymiai lėtesniu nuskaitymu, mažesniu pikselių skaičiumi, mažiau pakopų ir nuskaitymo triukšmu nuo 30e iki >100e. Priešingai, sCMOS TDI, pvz., „Tucsen“Dhyana 9KTDI sCMOS kamerasiūlo 7,2e- skaitymo triukšmą kartu su didesniu kvantiniu efektyvumu dėl galinio apšvietimo, todėl TDI galima naudoti esant žymiai silpnesniam apšvietimui nei anksčiau.
Daugelyje pritaikymų ilgesnis ekspozicijos laikas, kurį suteikia TDI procesas, gali daugiau nei kompensuoti skaitymo triukšmo padidėjimą, palyginti su aukštos kokybės sCMOS ploto skenavimo kameromis, kurių skaitymo triukšmas yra artimas 1e-.
Įprastas TDI kamerų pritaikymas
TDI kameros naudojamos daugelyje pramonės šakų, kur tikslumas ir greitis yra vienodai svarbūs:
● Puslaidininkių plokštelių patikrinimas
● Plokščiųjų ekranų (FPD) bandymai
● Tinklinio tinklo patikra (popierius, plėvelė, folija, tekstilė)
● Rentgeno skenavimas medicininėje diagnostikoje arba bagažo patikroje
● Skaidrių ir daugiašulinėlių plokštelių skenavimas skaitmeninėje patologijoje
● Hiperspektrinis vaizdavimas nuotolinio stebėjimo ar žemės ūkio srityse
● PCB ir elektronikos patikra SMT linijose
Šios programos naudoja patobulintą kontrastą, greitį ir aiškumą, kurį TDI vaizdavimas suteikia esant realioms sąlygoms.
Pavyzdys: stiklelio ir daugiašulininės plokštelės skenavimas
Kaip minėta, viena iš perspektyvių sCMOS TDI kamerų taikymo sričių yra sujungimas, įskaitant skaidrių arba daugiašulinėlių plokštelių skenavimą. Didelių fluorescencinių arba šviesaus lauko mikroskopijos mėginių skenavimas dvimatėmis ploto kameromis priklauso nuo vaizdų tinklelio, sudaryto iš kelių XY mikroskopo staliuko judesių, sujungimo. Kiekvienam vaizdui gauti staklei reikia sustoti, nusistovėti ir vėl paleisti iš naujo, kartu su bet kokiu riedančio užrakto uždelsimu. Kita vertus, TDI gali gauti vaizdus, kol staklei juda. Tada vaizdas suformuojamas iš nedidelio skaičiaus ilgų „juostelių“, kurių kiekviena dengia visą mėginio plotį. Tai, priklausomai nuo vaizdavimo sąlygų, gali lemti žymiai didesnį duomenų gavimo greitį ir duomenų pralaidumą visose sujungimo programose.
Staliuko judėjimo greitis yra atvirkščiai proporcingas bendram TDI kameros ekspozicijos laikui, todėl trumpas ekspozicijos laikas (1–20 ms) labiausiai pagerina vaizdo gavimo greitį, palyginti su plotinio skenavimo kameromis, o tai gali lemti bendro vaizdo gavimo laiko sutrumpėjimą eilės tvarka ar net daugiau. Ilgesniems ekspozicijos laikams (pvz., > 100 ms) plotinio skenavimo metu paprastai galima išlaikyti laiko pranašumą.
2 paveiksle parodytas labai didelio (2 gigapikselių) fluorescencinės mikroskopijos vaizdo, sugeneruoto vos per dešimt sekundžių, pavyzdys. Tikėtina, kad lygiavertis vaizdas, sugeneruotas naudojant ploto skenavimo kamerą, gali užtrukti iki kelių minučių.
2 pav.: 2 gigapikselių vaizdas, suformuotas per 10 sekundžių naudojant TDI nuskaitymą ir sujungimą
PASTABA: 10 kartų padidintas vaizdas, gautas naudojant „Tucsen Dhyana 9kTDI“ mikroskopą, su žymeklio taškais, peržiūrimais fluorescencine mikroskopija. Vaizdas gautas per 10 sekundžių, naudojant 3,6 ms ekspozicijos laiką. Vaizdo matmenys: 30 mm x 17 mm, 58 000 x 34 160 pikselių.
TDI sinchronizavimas
TDI kameros sinchronizavimas su filmuojamu objektu (kelių procentų tikslumu) yra būtinas – greičio neatitikimas sukels „judesio suliejimo“ efektą. Ši sinchronizacija gali būti atliekama dviem būdais:
NuspėjamasisKameros greitis nustatomas taip, kad atitiktų judėjimo greitį, remiantis žiniomis apie mėginio judėjimo greitį, optiką (priartinimą) ir kameros pikselių dydį. Arba bandymų ir klaidų metodu.
SuaktyvintaDaugelyje mikroskopo staliuko, platforminių kėbulų ir kitos įrangos, skirtos vaizduojamiems objektams perkelti, gali būti kodavimo įrenginiai, kurie siunčia suveikimo impulsą į kamerą tam tikru judėjimo atstumu. Tai leidžia platformai / platformai ir kamerai išlikti sinchronizuotiems, nepriklausomai nuo judėjimo greičio.
TDI kameros, palyginti su linijinio ir plotinio skenavimo kameromis
Štai kaip TDI lyginasi su kitomis populiariomis vaizdo gavimo technologijomis:
| Funkcija | TDI kamera | Linijinio skenavimo kamera | Ploto skenavimo kamera |
| Jautrumas | Labai aukštas | Vidutinis | Žemas arba vidutinis |
| Vaizdo kokybė (judantis) | Puiku | Gerai | Neryškus dideliu greičiu |
| Apšvietimo reikalavimai | Žemas | Vidutinis | Aukštas |
| Judesio suderinamumas | Puiku (jei sinchronizuota) | Gerai | Prastas |
| Geriausiai tinka | Didelis greitis, esant prastam apšvietimui | Greitai judantys objektai | Statiškos arba lėtos scenos |
TDI yra aiškus pasirinkimas, kai scena greitai juda ir apšvietimo lygis ribotas. Linijinis skenavimas yra jautresnis, o plotinis skenavimas geriau tinka paprastoms arba stacionarioms konfigūracijoms.
Tinkamo TDI kameros pasirinkimas
Renkantis TDI kamerą, reikia atsižvelgti į šiuos dalykus:
● TDI etapų skaičius: daugiau etapų padidina signalo ir triukšmo santykį (SNR), bet kartu ir kainą bei sudėtingumą.
● Jutiklio tipas: sCMOS yra pageidaujamas dėl greičio ir mažo triukšmo lygio; CCD vis dar gali tikti kai kurioms senesnėms sistemoms.
● Sąsaja: užtikrinkite suderinamumą su jūsų sistema – „Camera Link“, „CoaXPress“ ir „10GigE“ yra įprastos parinktys, o 100G CoF ir 40G CoF tapo naujomis tendencijomis.
● Spektrinis atsakas: rinkitės vienspalvį, spalvotą arba artimojo infraraudonojo spektro (NIR) režimą, atsižvelgdami į taikymo poreikius.
● Sinchronizavimo parinktys: ieškokite tokių funkcijų kaip kodavimo įėjimai arba išorinio paleidiklio palaikymas, kad judesiai būtų geriau suderinti.
Jei jūsų taikymas susijęs su jautriais biologiniais mėginiais, greitaeigiu patikrinimu arba prasto apšvietimo aplinka, sCMOS TDI greičiausiai yra tinkamas pasirinkimas.
Išvada
TDI kameros, ypač sukurtos naudojant sCMOS jutiklius, yra galingas vaizdo gavimo technologijų žingsnis. Derindamos judesio sinchronizavimą su kelių linijų integracija, jos pasižymi neprilygstamu jautrumu ir aiškumu dinamiškose, prasto apšvietimo scenose.
Nesvarbu, ar tikrinate plokšteles, skenuojate skaidres, ar atliekate greitaeigius patikrinimus, supratimas, kaip veikia TDI, gali padėti jums pasirinkti geriausią sprendimą.mokslinės kamerosjūsų vaizdavimo iššūkiams.
DUK
Ar TDI kameros gali veikti ploto skenavimo režimu?
TDI kameros gali sukurti (labai plonus) dvimačius vaizdus „ploto skenavimo“ režimu, kuris pasiekiamas jutiklio laiko gudrybės dėka. Tai gali būti naudinga atliekant tokias užduotis kaip fokusavimas ir lygiavimas.
Norint pradėti „ploto skenavimo ekspoziciją“, jutiklis pirmiausia „išvalomas“ kuo greičiau stumiant TDI bent tiek žingsnių, kiek yra kameros etapų, o tada sustabdomas. Tai pasiekiama naudojant programinę įrangą arba aparatinę įrangą, ir idealiai atliekama tamsoje. Pavyzdžiui, 256 etapų kamera turėtų nuskaityti bent 256 eilutes, tada sustoti. Šios 256 duomenų eilutės yra atmetamos.
Kol kamera nesuveikia ir neskaitomos linijos, jutiklis elgiasi taip pat, kaip ploto skenavimo jutiklis, eksponuojantis vaizdą.
Tada, kamerai veikiant ramybės būsenos režimu, turėtų praeiti norimas ekspozicijos laikas, o tada vėl reikia stumti kamerą bent tiek etapų į priekį, nuskaitant kiekvieną ką tik gauto vaizdo eilutę. Idealiu atveju ši „nuskaitymo“ fazė turėtų vykti tamsoje.
Šią techniką galima kartoti, kad būtų gauta „tiesioginė peržiūra“ arba ploto skenuotų vaizdų seka su minimaliu TDI operacijos iškraipymu ir suliejimu.
„Tucsen Photonics Co., Ltd.“ Visos teisės saugomos. Cituojant prašome nurodyti šaltinį:www.tucsen.com
