25.08.08.Rūpnieciskajā un zinātniskajā attēlveidošanā ātri kustīgu objektu uzņemšana vāja apgaismojuma apstākļos ir pastāvīgs izaicinājums. Tieši šeit noder laika aiztures integrācijas (TDI) kameras. TDI tehnoloģija apvieno kustības sinhronizāciju un vairākas ekspozīcijas, lai nodrošinātu izcilu jutību un attēla skaidrību, īpaši ātrgaitas vidē.
Kas ir TDI kamera?
TDI kamera ir specializēta līnijas skenēšanas kamera, kas uztver kustīgu objektu attēlus. Atšķirībā no standarta apgabala skenēšanas kamerām, kas vienlaikus eksponē visu kadru, TDI kameras pārnes lādiņu no vienas pikseļu rindas uz nākamo sinhroni ar objekta kustību. Katra pikseļu rinda uzkrāj gaismu, objektam kustoties, efektīvi palielinot ekspozīcijas laiku un uzlabojot signāla stiprumu, neradot kustības izplūšanu.
Šī lādiņu integrācija ievērojami palielina signāla un trokšņa attiecību (SNR), padarot TDI kameras ideāli piemērotas lietošanai ātrdarbīgā vai vāja apgaismojuma apstākļos.
Kā darbojas TDI kamera?
TDI kameras darbība ir parādīta 1. attēlā.
1. attēls: Laika aizkaves integrācijas (TDI) sensoru darbība
PIEZĪME: TDI kameras pārvieto iegūtos lādiņus vairākos "pakāpienos" sinhroni ar kustīgu attēlveidošanas objektu. Katrs posms sniedz papildu iespēju tikt pakļautam gaismai. Ilustrēts ar spilgtu "T" burtu, kas pārvietojas pāri kamerai, ar TDI sensora 5 kolonnu un 5 pakāpju segmentu. Tucsen Dhyana 9KTDI ar hibrīda CCD stila lādiņa kustību, bet CMOS stila paralēlo nolasīšanu.
TDI kameras faktiski ir līnijas skenēšanas kameras ar vienu svarīgu atšķirību: TDI kamerām ir vairākas rindas, kas pazīstamas kā "pakāpes", parasti līdz 256. Tā vietā, lai viena pikseļu rinda iegūtu datus, kad kameras tiek skenētas attēlveidošanas objektā.
Tomēr šīs rindas neveido divdimensiju attēlu, kā tas ir apgabala skenēšanas kamerā. Tā vietā, skenētajam attēlveidošanas objektam pārvietojoties pāri kameras sensoram, katrā pikselī esošie fotoelektroni sinhronizējas ar attēlveidošanas objekta kustību un vēl netiek nolasīti. Katra papildu rinda sniedz papildu iespēju apgaismot attēlveidošanas objektu. Tikai tad, kad attēla šķēle sasniedz sensora pēdējo pikseļu rindu, šī rinda tiek nodota nolasīšanas arhitektūrai mērīšanai.
Tādējādi, neskatoties uz vairākiem mērījumiem, kas tiek veikti visos kameras posmos, tiek radīts tikai viens kameras nolasīšanas trokšņa gadījums. 256 posmu TDI kamera notur paraugu redzeslokā 256 reizes ilgāk, un līdz ar to tai ir 256 reizes ilgāks ekspozīcijas laiks nekā līdzvērtīgai līnijas skenēšanas kamerai. Līdzvērtīgs ekspozīcijas laiks ar laukuma skenēšanas kameru radītu ārkārtēju kustības izplūšanu, padarot attēlu nelietojamu.
Kad var izmantot TDI?
TDI kameras ir lielisks risinājums jebkurai attēlveidošanas lietojumprogrammai, kurā attēlveidošanas objekts atrodas kustībā attiecībā pret kameru, ar nosacījumu, ka kustība ir vienmērīga visā kameras skata laukā.
Tāpēc TDI attēlveidošanas pielietojumi ietver, no vienas puses, visus līniju skenēšanas pielietojumus, kuros tiek veidoti divdimensiju attēli, vienlaikus nodrošinot lielāku ātrumu, ievērojami uzlabotu jutību vājā apgaismojumā, labāku attēla kvalitāti vai visus trīs vienlaikus. No otras puses, ir daudz attēlveidošanas metožu, kas izmanto laukuma skenēšanas kameras, kur var izmantot TDI kameras.
Augstas jutības sCMOS TDI gadījumā bioloģiskās fluorescences mikroskopijā var veikt “flīzēšanas un šuves” attēlveidošanu, izmantojot nepārtrauktu platformas skenēšanu flīzēšanas vietā. Vai arī visi TDI var būt labi piemēroti pārbaudes lietojumprogrammām. Vēl viens svarīgs TDI pielietojums ir attēlveidošanas plūsmas citometrija, kur šūnu fluorescences attēli tiek iegūti, tām plūstot cauri kamerai mikrofluidikas kanālā.
sCMOS TDI plusi un mīnusi
Plusi
● Skenējot pāri attēlveidošanas objektam, var lielā ātrumā uzņemt patvaļīga izmēra divdimensiju attēlus.
● Vairāki TDI posmi, zems trokšņu līmenis un augsts QE var nodrošināt ievērojami augstāku jutību nekā līnijas skenēšanas kameras.
● Var sasniegt ļoti lielu nolasīšanas ātrumu, piemēram, līdz pat 510 000 Hz (rindas sekundē), attēlam ar 9072 pikseļu platumu.
●Apgaismojumam jābūt tikai viendimensiju, un otrajā (skenētajā) dimensijā nav nepieciešama plakana lauka vai citu korekciju veikšana. Turklāt ilgāks ekspozīcijas laiks salīdzinājumā ar līnijas skenēšanu var "izlīdzināt" mirgošanu, ko rada maiņstrāvas gaismas avoti.
● Kustīgus attēlus var iegūt bez kustības izplūšanas un ar lielu ātrumu un jutību.
●Lielu laukumu skenēšana var būt ievērojami ātrāka nekā ar laukuma skenēšanas kamerām.
● Izmantojot uzlabotu programmatūru vai aktivizēšanas iestatījumus, “laukuma skenēšanas līdzīgais” režīms var nodrošināt laukuma skenēšanas pārskatu fokusēšanai un izlīdzināšanai.
Mīnusi
● Joprojām augstāks trokšņu līmenis nekā parastajām sCMOS kamerām, kas nozīmē, ka īpaši vāja apgaismojuma lietojumprogrammas nav sasniedzamas.
● Nepieciešami speciālista iestatījumi ar uzlabotu aktivizēšanu, lai sinhronizētu attēlveidošanas objekta kustību ar kameras skenēšanu, ļoti precīza kustības ātruma kontrole vai precīza ātruma prognozēšana, lai nodrošinātu sinhronizāciju.
● Tā kā šī ir jauna tehnoloģija, pašlaik ir maz risinājumu aparatūras un programmatūras ieviešanai.
sCMOS TDI, kas spēj darboties vājā apgaismojumā
Lai gan TDI kā attēlveidošanas metode pastāvēja pirms digitālās attēlveidošanas un jau sen pārspēja līniju skenēšanu veiktspējas ziņā, tikai pēdējos gados TDI kameras ir ieguvušas nepieciešamo jutību, lai sasniegtu vāja apgaismojuma lietojumprogrammas, kurām parasti būtu nepieciešama zinātniskas līmeņa jutība.sCMOS kameras.
“sCMOS TDI” apvieno CCD stila lādiņu kustību pāri sensoram ar sCMOS stila nolasīšanu, un ir pieejami sensori ar fona apgaismojumu. Iepriekšējām CCD vai tikai CMOS* TDI kamerām bija ievērojami lēnāka nolasīšana, mazāks pikseļu skaits, mazāk pakāpju un nolasīšanas troksnis no 30e- līdz >100e-. Turpretī sCMOS TDI, piemēram, TucsenDhyana 9KTDI sCMOS kamerapiedāvā nolasīšanas troksni 7,2e-, apvienojumā ar augstāku kvantu efektivitāti, pateicoties fona apgaismojumam, ļaujot izmantot TDI ievērojami zemāka apgaismojuma līmeņa lietojumprogrammās nekā iepriekš.
Daudzos pielietojumos ilgāks ekspozīcijas laiks, ko nodrošina TDI process, var vairāk nekā kompensēt nolasīšanas trokšņa pieaugumu, salīdzinot ar augstas kvalitātes sCMOS apgabala skenēšanas kamerām ar nolasīšanas troksni tuvu 1e-.
TDI kameru izplatītākie pielietojumi
TDI kameras ir atrodamas daudzās nozarēs, kur precizitāte un ātrums ir vienlīdz svarīgi:
● Pusvadītāju plākšņu pārbaude
● Plakanā ekrāna displeja (FPD) testēšana
● Tīmekļa pārbaude (papīrs, plēve, folija, tekstilizstrādājumi)
● Rentgena skenēšana medicīniskajā diagnostikā vai bagāžas pārbaudē
● Slaidu un daudzu iedobumu plākšņu skenēšana digitālajā patoloģijā
● Hiperspektrālā attēlveidošana tālizpētē vai lauksaimniecībā
● PCB un elektronikas pārbaude SMT līnijās
Šīs lietojumprogrammas gūst labumu no uzlabotā kontrasta, ātruma un skaidrības, ko TDI attēlveidošana nodrošina reālos apstākļos.
Piemērs: Slaidu un daudzu iedobumu plāksnes skenēšana
Kā minēts, viens no daudzsološiem sCMOS TDI kameru pielietojumiem ir apvienošanas lietojumprogrammas, tostarp slaidu vai daudzu iedobumu plākšņu skenēšana. Lielu fluorescējošo vai gaišā lauka mikroskopijas paraugu skenēšana ar divdimensiju laukuma kamerām balstās uz attēlu režģa apvienošanu, kas veidots no vairākām XY mikroskopa paliktņa kustībām. Katram attēlam ir nepieciešams, lai paliktnis apstātos, nostabilizētos un pēc tam restartētos, kā arī jebkāda ritošā slēdža aizkavēšanās. Savukārt TDI var iegūt attēlus, kamēr paliktnis ir kustībā. Pēc tam attēls tiek veidots no neliela skaita garu "sloksņu", no kurām katra aptver visu parauga platumu. Tas potenciāli var nodrošināt ievērojami lielāku iegūšanas ātrumu un datu caurlaidspēju visos apvienošanas pielietojumos atkarībā no attēlveidošanas apstākļiem.
Ātrums, ar kādu platforma var kustēties, ir apgriezti proporcionāls TDI kameras kopējam ekspozīcijas laikam, tāpēc īss ekspozīcijas laiks (1–20 ms) piedāvā vislielāko attēlveidošanas ātruma uzlabojumu salīdzinājumā ar laukuma skenēšanas kamerām, kas savukārt var samazināt kopējo iegūšanas laiku par kārtu vai pat vairāk. Ilgākiem ekspozīcijas laikiem (piemēram, > 100 ms) laukuma skenēšana parasti var saglabāt laika priekšrocības.
2. attēlā parādīts ļoti liela (2 gigapikseļu) fluorescences mikroskopijas attēla piemērs, kas izveidots tikai desmit sekundēs. Līdzvērtīga attēla izveide ar apgabala skenēšanas kameru varētu aizņemt līdz pat vairākām minūtēm.
2. attēls: 2 gigapikseļu attēls, kas izveidots 10 sekundēs, izmantojot TDI skenēšanu un sapludināšanu
PIEZĪME: 10x palielinājuma attēls, iegūts ar Tucsen Dhyana 9kTDI mikroskopu, kurā redzami marķiera punkti, apskatīti ar fluorescences mikroskopiju. Iegūts 10 sekundēs, izmantojot 3,6 ms ekspozīcijas laiku. Attēla izmēri: 30 mm x 17 mm, 58 000 x 34 160 pikseļi.
TDI sinhronizācija
TDI kameras sinhronizācija ar attēlveidošanas objektu (dažu procentu robežās) ir būtiska — ātruma neatbilstība radīs "kustības izplūšanas" efektu. Šo sinhronizāciju var veikt divos veidos:
PrognozējošsKameras ātrums tiek iestatīts atbilstoši kustības ātrumam, pamatojoties uz zināšanām par parauga kustības ātrumu, optiku (palielinājumu) un kameras pikseļu izmēru. Vai arī izmēģinājumu un kļūdu metodi.
AktivizētsDaudzi mikroskopa stendi, portāli un cits aprīkojums attēlveidošanas objektu pārvietošanai var ietvert kodētājus, kas nosūta kamerai impulsu noteiktā kustības attālumā. Tas ļauj stendam/portālam un kamerai palikt sinhronizētiem neatkarīgi no kustības ātruma.
TDI kameras salīdzinājumā ar līnijas skenēšanas un laukuma skenēšanas kamerām
Lūk, kā TDI salīdzināms ar citām populārām attēlveidošanas tehnoloģijām:
| Funkcija | TDI kamera | Līnijas skenēšanas kamera | Laukuma skenēšanas kamera |
| Jūtība | Ļoti augsts | Vidējs | Zems līdz vidējs |
| Attēla kvalitāte (kustība) | Lieliski | Labi | Izplūdis lielā ātrumā |
| Apgaismojuma prasības | Zems | Vidējs | Augsts |
| Kustību saderība | Lieliski (ja sinhronizēts) | Labi | Nabadzīgs |
| Vislabāk piemērots | Liels ātrums, vājš apgaismojums | Ātri kustīgi objekti | Statiskas vai lēnas ainas |
TDI ir nepārprotama izvēle, ja aina ātri kustas un apgaismojuma līmenis ir ierobežots. Līnijas skenēšana ir pakāpi zemāka jutības ziņā, savukārt laukuma skenēšana ir labāk piemērota vienkāršām vai stacionārām iekārtām.
Pareizās TDI kameras izvēle
Izvēloties TDI kameru, ņemiet vērā sekojošo:
● TDI posmu skaits: vairāk posmu palielina signāla un trokšņa attiecību (SNR), bet arī izmaksas un sarežģītību.
● Sensora tips: sCMOS ir vēlams tā ātruma un zemā trokšņa dēļ; CCD joprojām var būt piemērots dažām mantotajām sistēmām.
● Saskarne: Nodrošiniet saderību ar jūsu sistēmu — Camera Link, CoaXPress un 10GigE ir izplatītas iespējas, bet 100G CoF un 40G CoF ir parādījušies kā jaunas tendences.
● Spektrālā reakcija: Izvēlieties starp melnbaltu, krāsainu vai tuvā infrasarkanā (NIR) diapazona režīmu atkarībā no lietojumprogrammas vajadzībām.
● Sinhronizācijas opcijas: meklējiet tādas funkcijas kā kodētāja ieejas vai ārējā sprūda atbalsts, lai nodrošinātu labāku kustības izlīdzināšanu.
Ja jūsu pielietojums ietver delikātus bioloģiskos paraugus, ātrgaitas pārbaudi vai vāja apgaismojuma vidi, sCMOS TDI, visticamāk, ir piemērotākā izvēle.
Secinājums
TDI kameras ir spēcīgs attēlveidošanas tehnoloģiju sasniegums, īpaši, ja tās ir veidotas uz sCMOS sensoriem. Apvienojot kustību sinhronizāciju ar daudzlīniju integrāciju, tās piedāvā nepārspējamu jutību un skaidrību dinamiskām, vāja apgaismojuma ainām.
Neatkarīgi no tā, vai pārbaudāt vafeles, skenējat slaidus vai veicat ātrgaitas pārbaudes, izpratne par TDI darbību var palīdzēt jums izvēlēties labāko risinājumu.zinātniskās kamerasjūsu attēlveidošanas izaicinājumiem.
Bieži uzdotie jautājumi
Vai TDI kameras var darboties apgabala skenēšanas režīmā?
TDI kameras var radīt (ļoti plānus) divdimensiju attēlus "laukuma skenēšanas" režīmā, kas tiek panākts ar sensoru laika triku. Tas var būt noderīgi tādiem uzdevumiem kā fokusēšana un izlīdzināšana.
Lai sāktu “laukuma skenēšanas ekspozīciju”, sensors vispirms tiek “notīrīts”, pēc iespējas ātrāk virzot TDI uz priekšu vismaz tik soļus, cik ir kameras soļiem, un pēc tam apstājoties. To panāk vai nu ar programmatūras vadību, vai ar aparatūras iedarbināšanu, un ideālā gadījumā to veic tumsā. Piemēram, 256 posmu kamerai vajadzētu nolasīt vismaz 256 rindas un pēc tam apstāties. Šīs 256 datu rindas tiek atmestas.
Kamēr kamera netiek aktivizēta vai līnijas netiek nolasītas, sensors darbojas tāpat kā apgabala skenēšanas sensors, kas eksponē attēlu.
Pēc tam jāpaiet vēlamajam ekspozīcijas laikam, kamerai nedarbojoties, pirms kamera atkal tiek pārvietota uz priekšu vismaz par norādīto posmu skaitu, nolasot katru tikko iegūtā attēla rindiņu. Vēlreiz ideālā gadījumā šai "nolasīšanas" fāzei jānotiek tumsā.
Šo metodi var atkārtot, lai nodrošinātu “tiešraides priekšskatījumu” vai apgabala skenēšanas attēlu secību ar minimālu TDI darbības radīto kropļojumu un izplūšanu.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Visas tiesības aizsargātas. Citējot, lūdzu, norādiet avotu:www.tucsen.com
