22.07.13.Laika aizkaves integrācija (TDI) ir attēlveidošanas metode, kas radās pirms digitālās attēlveidošanas, taču tā joprojām sniedz milzīgas priekšrocības mūsdienu attēlveidošanas avangarda apstākļos. Ir divi apstākļi, kuros TDI kameras var izcelties — abos gadījumos, kad attēlveidošanas objekts ir kustībā:
1. Attēlveidošanas objekts pēc savas būtības atrodas kustībā ar nemainīgu ātrumu, tāpat kā tīmekļa pārbaudē (piemēram, kustīgu papīra, plastmasas vai auduma loksņu skenēšanā, lai noteiktu defektus un bojājumus), montāžas līnijās vai mikrošķidruma un šķidrumu plūsmās.
2. — statiski attēlveidoti objekti, kurus var attēlot ar kameru, kas pārvietota no vienas zonas uz otru, pārvietojot objektu vai kameru. Piemēri ir mikroskopa preparātu skenēšana, materiālu pārbaude, plakanā paneļa pārbaude utt.
Ja kāds no šiem apstākļiem varētu attiekties uz jūsu attēlveidošanu, šī tīmekļa lapa palīdzēs jums apsvērt, vai pāreja no parastajām divdimensiju "laukuma skenēšanas" kamerām uz līnijas skenēšanas TDI kamerām varētu uzlabot jūsu attēlveidošanu.
Problēma ar zonas skenēšanu un kustīgiem mērķiem
● Kustības izpludināšana
Daži attēlveidošanas objekti atrodas kustībā nepieciešamības dēļ, piemēram, šķidruma plūsmas vai tīmekļa pārbaudē. Citos pielietojumos, piemēram, slaidu skenēšanā un materiālu pārbaudē, objekta kustības saglabāšana var būt ievērojami ātrāka un efektīvāka nekā kustības apturēšana katram iegūtajam attēlam. Tomēr laukuma skenēšanas kameru gadījumā, ja attēlveidošanas objekts atrodas kustībā attiecībā pret kameru, tas var radīt problēmas.
Kustības izplūšana, kas kropļo kustīga transportlīdzekļa attēlu
Situācijās ar ierobežotu apgaismojumu vai gadījumos, kad nepieciešama augsta attēla kvalitāte, var būt vēlams ilgs kameras ekspozīcijas laiks. Tomēr objekta kustība ekspozīcijas laikā izkliedēs gaismu pa vairākiem kameras pikseļiem, radot “kustības izplūšanu”. To var samazināt, saglabājot ļoti īsas ekspozīcijas – īsākas par laiku, kas nepieciešams, lai punkts uz objekta šķērsotu kameras pikseli. Tas irunparasti uz tumšu, trokšņainu, bieži vien nelietojamu attēlu rēķina.
●Šūšana
Turklāt, parasti lielu vai nepārtrauktas attēlveidošanas objektu attēlveidošanai ar apgabala skenēšanas kamerām ir nepieciešams iegūt vairākus attēlus, kas pēc tam tiek savienoti kopā. Šī savienošana prasa pārklājošos pikseļus starp blakus esošajiem attēliem, samazinot efektivitāti un palielinot datu glabāšanas un apstrādes prasības.
●Nevienmērīgs apgaismojums
Turklāt apgaismojums reti būs pietiekams, lai izvairītos no problēmām un artefaktiem uz salikto attēlu robežām. Turklāt, lai nodrošinātu apgaismojumu pietiekami lielā platībā ar pietiekamu intensitāti apgabala skenēšanas kamerai, bieži vien ir jāizmanto jaudīgi un dārgi līdzstrāvas gaismas avoti.
Nevienmērīgs apgaismojums, sašujot peles smadzeņu vairāku attēlu iegūšanu. Attēls no Vatsona u. c. 2017. g.: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Kas ir TDI kamera un kā tā palīdz?
Parastajās divdimensiju apgabala skenēšanas kamerās attēla iegūšanai ir trīs fāzes: pikseļu atiestatīšana, ekspozīcija un nolasīšana. Ekspozīcijas laikā tiek uztverti sižeta fotoni, kā rezultātā rodas fotoelektroni, kas tiek glabāti kameras pikseļos līdz ekspozīcijas beigām. Pēc tam tiek nolasītas katra pikseļa vērtības un izveidots 2D attēls. Pēc tam pikseļi tiek atiestatīti un visi lādiņi tiek notīrīti, lai sāktu nākamo ekspozīciju.
Tomēr, kā minēts, ja fotografējamais objekts kustas attiecībā pret kameru, gaisma no objekta šīs ekspozīcijas laikā var izplatīties pa vairākiem pikseļiem, izraisot kustības izplūšanu. TDI kameras pārvar šo ierobežojumu, izmantojot inovatīvu tehniku. Tas ir parādīts [1. animācijā].
●Kā darbojas TDI kameras
TDI kameras darbojas principiāli atšķirīgi no apgabala skenēšanas kamerām. Attēlveidošanas objektam pārvietojoties pa kameru ekspozīcijas laikā, arī iegūto attēlu veidojošie elektroniskie lādiņi tiek pārvietoti, saglabājot sinhronizāciju. Ekspozīcijas laikā TDI kameras spēj pārvietot visus iegūtos lādiņus no vienas pikseļu rindas uz nākamo gar kameru, sinhronizēti ar attēlošanas objekta kustību. Objektam pārvietojoties pa kameru, katra rinda (pazīstama kā "TDI posms") sniedz jaunu iespēju eksponēt kameru objektam un uzkrāt signālu.
Tikai tad, kad iegūto lādiņu rinda sasniedz kameras galu, vērtības tiek nolasītas un saglabātas kā attēla viendimensiju šķēle. Divdimensiju attēls tiek veidots, salīmējot katru nākamo attēla šķēli, kamerai tās nolasot. Katra pikseļu rinda iegūtajā attēlā seko un attēlo vienu un to pašu attēlveidojamā objekta "šķēli", kas nozīmē, ka, neskatoties uz kustību, nav izplūšanas.
●256x ilgāka ekspozīcija
Ar TDI kamerām attēla efektīvais ekspozīcijas laiks ir viss laiks, kas nepieciešams, lai punkts uz objekta šķērsotu katru pikseļu rindu, un dažās TDI kamerās ir pieejami līdz pat 256 posmiem. Tas nozīmē, ka pieejamais ekspozīcijas laiks ir faktiski 256 reizes lielāks nekā apgabala skenēšanas kamera.
Tas var nodrošināt vienu no diviem uzlabojumiem vai abu līdzsvaru. Pirmkārt, var panākt ievērojamu attēlveidošanas ātruma pieaugumu. Salīdzinot ar laukuma skenēšanas kameru, attēlveidošanas objekts var pārvietoties līdz pat 256 reizēm ātrāk, vienlaikus uztverot tādu pašu signāla daudzumu, ja vien kameras līnijas ātrums ir pietiekami liels, lai neatpaliktu.
No otras puses, ja nepieciešama lielāka jutība, ilgāks ekspozīcijas laiks varētu nodrošināt daudz augstākas kvalitātes attēlus, zemāku apgaismojuma intensitāti vai abus.
●Liela datu caurlaidspēja bez apvienošanas
Tā kā TDI kamera ģenerē divdimensiju attēlu no secīgām viendimensiju šķēlēm, iegūtais attēls var būt tik liels, cik nepieciešams. Lai gan pikseļu skaitu "horizontālajā" virzienā nosaka kameras platums, piemēram, 9072 pikseļi, attēla "vertikālais" izmērs ir neierobežots un to vienkārši nosaka kameras darbības ilgums. Ar līniju ātrumu līdz 510 kHz tas var nodrošināt milzīgu datu caurlaidspēju.
Apvienojumā ar to TDI kameras var piedāvāt ļoti plašus redzes laukus. Piemēram, 9072 pikseļu kamera ar 5 µm pikseļiem nodrošina 45 mm horizontālu redzes lauku ar augstu izšķirtspēju. Lai sasniegtu tādu pašu attēlveidošanas platumu ar 5 µm pikseļu laukuma skenēšanas kameru, būtu nepieciešamas līdz pat trim 4K kamerām blakus.
●Uzlabojumi salīdzinājumā ar līnijas skenēšanas kamerām
TDI kameras piedāvā ne tikai uzlabojumus salīdzinājumā ar laukuma skenēšanas kamerām. Līniju skenēšanas kamerām, kas uztver tikai vienu pikseļu līniju, ir arī daudzas no tām pašām problēmām saistībā ar apgaismojuma intensitāti un īsu ekspozīciju kā laukuma skenēšanas kamerām.
Lai gan, tāpat kā TDI kameras, līnijas skenēšanas kameras piedāvā vienmērīgāku apgaismojumu ar vienkāršāku uzstādīšanu un novērš nepieciešamību pēc attēlu apvienošanas, tām bieži vien var būt nepieciešams ļoti intensīvs apgaismojums un/vai lēna objekta kustība, lai uztvertu pietiekami daudz signāla augstas kvalitātes attēlam. Ilgāka ekspozīcija un lielāks objekta ātrums, ko nodrošina TDI kameras, nozīmē, ka var izmantot zemākas intensitātes un lētāku apgaismojumu, vienlaikus uzlabojot attēlveidošanas efektivitāti. Piemēram, ražošanas līnija varētu pāriet no dārgām, enerģijas patēriņa ziņā jaudīgām halogēna spuldzēm, kurām nepieciešama līdzstrāva, uz LED apgaismojumu.
Kā darbojas TDI kameras?
Ir trīs kopīgi standarti, kā panākt TDI attēlveidošanu kameras sensorā.
● CCD TDI– CCD kameras ir vecākais digitālo kameru tips. Pateicoties to elektroniskajam dizainam, TDI darbības panākšana CCD ir salīdzinoši ļoti vienkārša, un daudzi kameru sensori pēc savas būtības spēj darboties šādā veidā. Tāpēc TDI CCD tiek izmantotas jau gadu desmitiem.
Tomēr CCD tehnoloģijai ir savi ierobežojumi. Mazākais pikseļu izmērs, kas parasti pieejams CCD TDI kamerām, ir aptuveni 12 µm x 12 µm — tas, kā arī mazais pikseļu skaits ierobežo kameru spēju izšķirt smalkas detaļas. Turklāt datu iegūšanas ātrums ir mazāks nekā citām tehnoloģijām, savukārt nolasīšanas troksnis, kas ir galvenais ierobežojošais faktors attēlveidošanā vājā apgaismojumā, ir augsts. Arī enerģijas patēriņš ir augsts, kas ir būtisks faktors dažos lietojumos. Tas radīja vēlmi izveidot TDI kameras, kuru pamatā ir CMOS arhitektūra.
●Agrīnā CMOS TDI: sprieguma domēns un digitālā summēšana
CMOS kameras pārvar daudzus CCD kameru trokšņa un ātruma ierobežojumus, vienlaikus patērējot mazāk enerģijas un piedāvājot mazākus pikseļu izmērus. Tomēr TDI darbību bija daudz grūtāk panākt CMOS kamerās to pikseļu konstrukcijas dēļ. Kamēr CCD fiziski pārvieto fotoelektronus no pikseļa uz pikseli, lai pārvaldītu sensoru, CMOS kameras pirms nolasīšanas pārveido fotoelektronu signālus spriegumos katrā pikselī.
TDI uzvedība CMOS sensorā tiek pētīta kopš 2001. gada, tomēr ievērojams izaicinājums bija tas, kā rīkoties ar signāla "uzkrāšanos", ekspozīcijai pārvietojoties no vienas rindas uz nākamo. Divas agrīnas CMOS TDI metodes, ko joprojām izmanto komerciālajās kamerās, ir sprieguma domēna akumulācija un digitālā summēšana TDI CMOS. Sprieguma domēna akumulācijas kamerās, iegūstot katru signāla rindu, kad attēlveidošanas objekts pārvietojas garām, iegūtais spriegums tiek elektroniski pievienots kopējam šīs attēla daļas iegūšanai. Šāda sprieguma uzkrāšana rada papildu troksni katram pievienotajam papildu TDI posmam, ierobežojot papildu posmu priekšrocības. Linearitātes problēmas arī apgrūtina šo kameru izmantošanu precīzās lietojumprogrammās.
Otrā metode ir digitālā summēšana ar TDI. Šajā metodē CMOS kamera faktiski darbojas apgabala skenēšanas režīmā ar ļoti īsu ekspozīciju, kas atbilst laikam, kas nepieciešams, lai attēlveidošanas objekts pārvietotos pa vienu pikseļu rindu. Taču katra secīgā kadra rindas tiek digitāli summētas, radot TDI efektu. Tā kā visa kamera ir jānolasa katrai pikseļu rindai iegūtajā attēlā, šī digitālā summēšana pievieno arī nolasīšanas troksni katrai rindai un ierobežo datu iegūšanas ātrumu.
●Mūsdienu standarts: lādiņa domēna TDI CMOS jeb CCD-on-CMOS TDI
Iepriekš minētie CMOS TDI ierobežojumi nesen ir pārvarēti, ieviešot lādiņa domēna akumulācijas TDI CMOS, kas pazīstams arī kā CCD-on-CMOS TDI. Šo sensoru darbība ir demonstrēta [1. animācijā]. Kā norāda nosaukums, šie sensori piedāvā CCD līdzīgu lādiņu pārvietošanu no viena pikseļa uz nākamo, uzkrājot signālu katrā TDI posmā, pievienojot fotoelektronus individuālo lādiņu līmenī. Tas ir faktiski bez trokšņiem. Tomēr CCD TDI ierobežojumi tiek pārvarēti, izmantojot CMOS nolasīšanas arhitektūru, kas nodrošina lielu ātrumu, zemu trokšņu līmeni un zemu enerģijas patēriņu, kas raksturīgs CMOS kamerām.
TDI specifikācijas: kam ir nozīme?
●Tehnoloģija:Vissvarīgākais faktors ir izmantotā sensoru tehnoloģija, kā apspriests iepriekš. Lādiņa domēna CMOS TDI nodrošinās vislabāko veiktspēju.
●TDI posmi:Šis ir sensora rindu skaits, pa kurām var uzkrāt signālu. Jo vairāk TDI pakāpju ir kamerai, jo ilgāks var būt tās efektīvais ekspozīcijas laiks. Vai arī, jo ātrāk var kustēties attēlveidošanas objekts, ja vien kamerai ir pietiekams līniju ātrums.
●Līnijas ātrums:Cik rindas kamera var nolasīt sekundē. Tas nosaka maksimālo kustības ātrumu, ko kamera var noturēt.
●Kvantu efektivitāteTas norāda kameras jutību pret gaismu dažādos viļņu garumos, ko izsaka iespējamība, ka krītošais fotons tiks atklāts un radīs fotoelektronu. Augstāka kvantu efektivitāte var nodrošināt zemāku apgaismojuma intensitāti vai ātrāku darbību, vienlaikus saglabājot tādus pašus signāla līmeņus.
Turklāt kameras atšķiras pēc viļņu garuma diapazona, kurā var sasniegt labu jutību, un dažas kameras piedāvā jutību līdz pat ultravioletā (UV) spektra galam, aptuveni 200 nm viļņu garumā.
●Lasīt troksni:Nolasīšanas troksnis ir vēl viens būtisks faktors kameras jutībā, kas nosaka minimālo signālu, ko var noteikt virs kameras trokšņa līmeņa. Augsta nolasīšanas trokšņa gadījumā tumšas iezīmes nevar noteikt un dinamiskais diapazons ir ievērojami samazināts, kas nozīmē, ka jāizmanto spilgtāks apgaismojums vai ilgāks ekspozīcijas laiks un lēnāks kustības ātrums.
TDI specifikācijas: kam ir nozīme?
Pašlaik TDI kameras tiek izmantotas tīmekļa pārbaudē, elektronikas un ražošanas pārbaudē, kā arī citās mašīnredzes lietojumprogrammās. Līdztekus tam tiek izmantotas arī sarežģītas vāja apgaismojuma lietojumprogrammas, piemēram, fluorescences attēlveidošana un slaidu skenēšana.
Tomēr, ieviešot ātrdarbīgas, zema trokšņa līmeņa un augstas jutības TDI CMOS kameras, pastāv liels potenciāls ātruma un efektivitātes palielināšanai jaunās lietojumprogrammās, kurās iepriekš tika izmantotas tikai laukuma skenēšanas kameras. Kā jau minējām raksta sākumā, TDI kameras varētu būt labākā izvēle, lai sasniegtu lielu ātrumu un augstu attēla kvalitāti, gan attēlveidojot objektus, kas jau atrodas pastāvīgā kustībā, gan gadījumos, kad kameru varētu skenēt pāri statiskiem attēlveidošanas objektiem.
Piemēram, mikroskopijas pielietojumā mēs varētu salīdzināt 9K pikseļu, 256 paliktņu TDI kameras ar 5 µm pikseļiem teorētisko iegūšanas ātrumu ar 12MP kameras laukuma skenēšanas kameru ar 5 µm pikseļiem. Apskatīsim 10 x 10 mm laukuma iegūšanu ar 20x palielinājumu, pārvietojot paliktni.
1. Izmantojot 20x objektīvu ar laukuma skenēšanas kameru, tiktu iegūts 1,02 x 0,77 mm attēlveidošanas redzes lauks.
2. Izmantojot TDI kameru, 10x objektīvu ar papildu 2x palielinājumu varētu izmantot, lai pārvarētu jebkādus mikroskopa redzes lauka ierobežojumus un nodrošinātu 2,3 mm horizontālu attēlveidošanas redzes lauku.
3. Pieņemot, ka attēlu savienošanas nolūkos pikseļu pārklājums ir 2 %, platformas pārvietošanai uz noteiktu atrašanās vietu nepieciešamas 0,5 sekundes un ekspozīcijas laiks ir 10 ms, varam aprēķināt laiku, kas nepieciešams laukuma skenēšanas kamerai. Līdzīgi varam aprēķināt laiku, kas nepieciešams TDI kamerai, ja platforma tiktu pastāvīgi kustināta, lai skenētu Y virzienā, ar vienādu ekspozīcijas laiku katrai līnijai.
4. Šajā gadījumā laukuma skenēšanas kamerai būtu nepieciešami 140 attēli, lai iegūtu, un platformas pārvietošanai būtu nepieciešamas 63 sekundes. TDI kamera iegūtu tikai 5 garus attēlus, un platformas pārvietošanai uz nākamo kolonnu būtu nepieciešamas tikai 2 sekundes.
5. Kopējais laiks, kas pavadīts 10 x 10 mm laukuma iegūšanai, būtu64,4 sekundes apgabala skenēšanas kamerai,un tikai9,9 sekundes TDI kamerai.
Ja vēlaties uzzināt, vai TDI kamera varētu atbilst jūsu pielietojumam un vajadzībām, sazinieties ar mums jau šodien.
