22/07/13Интеграцијата на временско доцнење (TDI) е техника на снимање која е постара од дигиталното снимање - но која сè уште нуди огромни предности на чело на денешното снимање. Постојат две околности во кои TDI камерите можат да блеснат - и двете кога субјектот на снимање е во движење:
1 – Субјектот на снимање е по природа во движење со константна брзина, како кај инспекција на мрежата (како што е скенирање на подвижни листови хартија, пластика или ткаенина за дефекти и оштетувања), линии за склопување или микрофлуиди и текови на флуиди.
2 – Статични субјекти за снимање кои можат да бидат фотографирани со камера поместена од област во област, или со поместување на субјектот или на камерата. Примери за ова се скенирање на микроскопски слајдови, инспекција на материјали, инспекција на рамни панели итн.
Доколку која било од овие околности може да се примени на вашето снимање, оваа веб-страница ќе ви помогне да размислите дали преминот од конвенционални 2-димензионални камери за „скенирање на површина“ на TDI камери со линиско скенирање може да го подобри вашето снимање.
Проблемот со скенирање на површина и подвижни цели
● Замаглување на движење
Некои субјекти на снимање се во движење по потреба, на пример при инспекција на проток на флуиди или мрежа. Во други апликации, како што се скенирање на слајдови и инспекција на материјали, одржувањето на субјектот во движење може да биде значително побрзо и поефикасно од запирањето на движењето за секоја снимена слика. Меѓутоа, за камерите за скенирање на површина, ако субјектот на снимање е во движење во однос на камерата, ова може да претставува предизвик.
Заматеност во движење што ја нарушува сликата од возило во движење
Во ситуации со ограничено осветлување или каде што се потребни високи квалитети на сликата, можеби е пожелно долго време на експозиција на камерата. Сепак, движењето на објектот ќе ја прошири својата светлина преку повеќе пиксели на камерата за време на експозицијата, што доведува до „замаглување на движењето“. Ова може да се минимизира со одржување на експозициите многу кратки - под времето што би ѝ било потребно на точка на објектот да помине еден пиксел на камерата. Ова еunобично на сметка на темни, бучни, честопати неупотребливи слики.
●Шиење
Дополнително, типичното снимање на големи или континуирано снимање објекти со камери за скенирање на површина бара снимање на повеќе слики, кои потоа се спојуваат. Ова спојување бара преклопување на пиксели помеѓу соседните слики, намалувајќи ја ефикасноста и зголемувајќи ги барањата за складирање и обработка на податоци.
●Нерамномерно осветлување
Покрај тоа, осветлувањето ретко ќе биде доволно за да се избегнат проблеми и артефакти на границите помеѓу споените слики. Исто така, за да се обезбеди осветлување на доволно голема површина за камерата за скенирање на површина со доволен интензитет, честопати е потребна употреба на моќни и скапи извори на еднонасочна струја.
Нерамномерно осветлување при спојување на повеќеслики од мозок на глушец. Слика од Вотсон и др. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Што е TDI камера и како помага?
Кај конвенционалните 2-димензионални камери за скенирање на површина, постојат три фази за добивање слика: ресетирање на пикселите, експозиција и отчитување. За време на експозицијата, се детектираат фотони од местото на настанот, што резултира со фотоелектрони, кои се складираат во пикселите на камерата до крајот на експозицијата. Потоа се отчитуваат вредностите од секој пиксел и се формира 2D слика. Потоа пикселите се ресетираат и сите полнежи се бришат за да се започне со следната експозиција.
Сепак, како што споменавме, ако објектот што се снима се движи во однос на камерата, светлината од објектот може да се прошири низ повеќе пиксели за време на оваа експозиција, што доведува до заматување на движењето. TDI камерите го надминуваат ова ограничување користејќи иновативна техника. Ова е демонстрирано во [Анимација 1].
●Како функционираат TDI камерите
TDI камерите работат на фундаментално различен начин од камерите за скенирање на површина. Како што субјектот што се слика се движи низ камерата за време на експозицијата, електронските полнежи што ја сочинуваат добиената слика исто така се движат, останувајќи синхронизирани. За време на експозицијата, TDI камерите се во можност да ги префрлат сите добиени полнежи од еден ред пиксели во друг, по должината на камерата, синхронизирано со движењето на субјектот што се слика. Како што субјектот се движи низ камерата, секој ред (познат како „TDI фаза“) дава нова можност за изложување на камерата на субјектот и акумулирање на сигналот.
Откако ред од добиени полнежи ќе стигне до крајот на камерата, само тогаш вредностите се читаат и се складираат како еднодимензионален дел од сликата. 2-Д сликата се формира со лепење на секој следен дел од сликата додека камерата ги чита. Секој ред пиксели во добиената слика го следи и го прикажува истиот „дел“ од субјектот што се снима, што значи дека и покрај движењето, нема заматување.
●256x подолга експозиција
Кај TDI камерите, ефективното време на експозиција на сликата е дадено како вкупното време потребно за точка на објектот да помине низ секој ред пиксели, со до 256 фази достапни кај некои TDI камери. Ова значи дека достапното време на експозиција е ефикасно 256 пати поголемо отколку што може да постигне камера за скенирање на површина.
Ова може да обезбеди едно од двете подобрувања или рамнотежа помеѓу обете. Прво, може да се постигне значително зголемување на брзината на снимање. Во споредба со камера за скенирање на површина, субјектот што се снима може да се движи до 256 пати побрзо, а сепак да ја доловува истата количина на сигнал, под услов линиската брзина на камерата да е доволно брза за да го следи темпото.
Од друга страна, доколку е потребна поголема чувствителност, подолгото време на експозиција би можело да овозможи слики со многу повисок квалитет, помал интензитет на осветлување или и двете.
●Голем проток на податоци без спојување
Бидејќи TDI камерата произведува 2-димензионална слика од последователни 1-димензионални парчиња, добиената слика може да биде голема колку што е потребно. Додека бројот на пиксели во „хоризонтална“ насока е даден со ширината на камерата, на пример 9072 пиксели, „вертикалната“ големина на сликата е неограничена и едноставно се одредува со тоа колку долго работи камерата. Со брзини на линии до 510kHz, ова може да обезбеди огромен проток на податоци.
Во комбинација со ова, TDI камерите можат да понудат многу широки видни полиња. На пример, камера од 9072 пиксели со 5µm пиксели обезбедува хоризонтално видно поле од 45 mm со висока резолуција. За да се постигне истата ширина на снимање со камера за скенирање на површина од 5µm пиксели, потребни се до три 4K камери една до друга.
●Подобрувања во однос на камерите за линиско скенирање
TDI камерите не нудат само подобрувања во однос на камерите за скенирање на површина. Камерите за линиско скенирање, кои снимаат само една линија пиксели, исто така страдаат од многу од истите проблеми со интензитетот на осветлувањето и кратките експозиции како и камерите за скенирање на површина.
Иако како TDI камерите, камерите за линиско скенирање нудат порамномерно осветлување со поедноставно поставување и ја избегнуваат потребата од спојување на сликите, тие често можат да бараат многу интензивно осветлување и/или бавно движење на објектот за да фатат доволно сигнал за висококвалитетна слика. Подолгите експозиции и побрзите брзини на објектот што ги овозможуваат TDI камерите значат дека може да се користи осветлување со помал интензитет и пониска цена, а воедно да се подобри ефикасноста на снимањето. На пример, производствената линија може да се префрли од халогени светилки со висока потрошувачка на енергија што бараат еднонасочна струја, на LED осветлување.
Како функционираат TDI камерите?
Постојат три вообичаени стандарди за тоа како да се постигне TDI слика на сензор на камера.
● CCD TDI– CCD камерите се најстариот тип на дигитални камери. Поради нивниот електронски дизајн, постигнувањето на TDI однесување на CCD е релативно многу едноставно, при што многу сензори на камерите се по природа способни да работат на овој начин. Затоа, TDI CCD камерите се користат со децении.
Сепак, CCD технологијата има свои ограничувања. Најмалата големина на пиксели што е вообичаено достапна за CCD TDI камерите е околу 12µm x 12µm - ова, заедно со малиот број на пиксели, ги ограничува можностите на камерите да откриваат ситни детали. Покрај тоа, брзината на снимање е помала од другите технологии, додека шумот на читање - главен ограничувачки фактор при снимање при слаба осветленост - е висок. Потрошувачката на енергија е исто така висока, што е главен фактор во некои апликации. Ова доведе до желбата за создавање TDI камери базирани на CMOS архитектура.
●Ран CMOS TDI: Напонски домен и дигитално сумирање
CMOS камерите ги надминуваат многу од ограничувањата на бучавата и брзината на CCD камерите, додека користат помалку енергија и нудат помали големини на пикселите. Сепак, однесувањето на TDI беше многу потешко да се постигне кај CMOS камерите, поради нивниот дизајн на пиксели. Додека CCD камерите физички ги движат фотоелектроните од пиксел до пиксел за да го управуваат сензорот, CMOS камерите ги претвораат сигналите во фотоелектроните во напони во секој пиксел пред да се прочитаат.
Однесувањето на TDI на CMOS сензор е истражувано уште од 2001 година, меѓутоа, предизвикот за тоа како да се справиме со „акумулацијата“ на сигналот како што експозицијата се движи од еден ред во друг беше значаен. Два рани методи за CMOS TDI што сè уште се користат во комерцијалните камери денес се акумулација во напонски домен и дигитално собирање на TDI CMOS. Кај камерите со акумулација во напонски домен, како што се добива секој ред сигнал додека субјектот што се слика се движи покрај нив, добиениот напон се додава електронски на вкупното снимање за тој дел од сликата. Акумулирањето на напони на овој начин воведува дополнителен шум за секоја дополнителна фаза на TDI што се додава, ограничувајќи ги придобивките од дополнителните фази. Проблемите со линеарноста, исто така, го предизвикуваат користењето на овие камери за прецизни апликации.
Вториот метод е дигитално собирање TDI. Во овој метод, CMOS камерата ефикасно работи во режим на скенирање на површина со многу кратка експозиција што одговара на времето потребно за субјектот на сликата да се движи низ еден ред пиксели. Но, редовите од секој следен кадар се собираат дигитално на таков начин што се добива TDI ефект. Бидејќи целата камера мора да се прочита за секој ред пиксели во добиената слика, ова дигитално собирање исто така го додава шумот за читање за секој ред и ја ограничува брзината на снимање.
●Современиот стандард: TDI CMOS со домен на полнење или CCD-на-CMOS TDI
Ограничувањата на CMOS TDI погоре неодамна беа надминати преку воведување на CMOS TDI со акумулација на домен на полнеж, исто така познат како CCD-on-CMOS TDI. Работата на овие сензори е демонстрирана во [Анимација 1]. Како што имплицира името, овие сензори нудат движење на полнежи слично на CCD од еден пиксел до друг, акумулирајќи сигнал во секоја фаза на TDI преку додавање на фотоелектрони на ниво на индивидуални полнежи. Ова е ефикасно без шум. Сепак, ограничувањата на CCD TDI се надминуваат преку употреба на CMOS архитектура за отчитување, овозможувајќи големи брзини, низок шум и ниска потрошувачка на енергија вообичаени за CMOS камерите.
Спецификации на TDI: што е важно?
●Технологија:Најважниот фактор е технологијата на сензори што се користи, како што е дискутирано погоре. CMOS TDI со домен на полнење ќе ги испорача најдобрите перформанси.
●Фази на TDI:Ова е бројот на редови на сензорот преку кои може да се акумулира сигнал. Колку повеќе TDI фази има камерата, толку подолго може да биде нејзиното ефективно време на експозиција. Или, толку побрзо може да се движи субјектот што се фотографира, под услов камерата да има доволна брзина на линии.
●Линиска стапка:Колку редови може да прочита камерата во секунда. Ова ја одредува максималната брзина на движење што камерата може да ја следи.
●Квантна ефикасностОва ја означува чувствителноста на камерата на светлина на различни бранови должини, дадена од веројатноста за откривање на инцидентен фотон и производство на фотоелектрон. Повисоката квантна ефикасност може да понуди помала јачина на осветлување или побрзо работење, а воедно да се одржат истите нивоа на сигнал.
Дополнително, камерите се разликуваат по опсегот на бранова должина на кој може да се постигне добра чувствителност, при што некои камери нудат чувствителност сè до ултравиолетовиот (UV) крај на спектарот, на бранова должина од околу 200 nm.
●Читање на шум:Читањето на шумот е друг значаен фактор во чувствителноста на камерата, кој го одредува минималниот сигнал што може да се детектира над долната граница на шумот на камерата. Со висок шум на читање, темните карактеристики не можат да се детектираат и динамичкиот опсег е значително намален, што значи дека мора да се користи посветло осветлување или подолго време на експозиција и помали брзини на движење.
Спецификации на TDI: што е важно?
Моментално, TDI камерите се користат за веб-инспекција, електроника и производствена инспекција, како и за други апликации за машински вид. Заедно со ова, постојат и предизвикувачки апликации при слаба осветленост, како што се флуоресцентно снимање и скенирање на слајдови.
Сепак, со воведувањето на TDI CMOS камери со голема брзина, низок шум и висока чувствителност, постои голем потенцијал за зголемување на брзината и ефикасноста кај новите апликации кои претходно користеа само камери за скенирање на површина. Како што претставивме на почетокот на статијата, TDI камерите може да бидат најдобриот избор за постигнување големи брзини и висок квалитет на слика или за снимање објекти во постојано движење или каде што камерата може да се скенира преку статични објекти за снимање.
На пример, во апликација за микроскопија, би можеле да ја споредиме теоретската брзина на снимање на TDI камера од 9K пиксели, 256 сцени и 5 µm пиксели со камера за скенирање на површина на камерата од 12MP и 5 µm пиксели. Да испитаме снимање на површина од 10 x 10 mm со 20x зголемување преку поместување на сцената.
1. Користењето на објектив од 20x со камерата за скенирање на површина би овозможило видно поле за снимање од 1,02 x 0,77 mm.
2. Со TDI камерата, објектив од 10x со дополнително зголемување од 2x може да се користи за надминување на какво било ограничување во видното поле на микроскопот, за да се испорача хоризонтално видно поле за снимање од 2,3 mm.
3. Претпоставувајќи преклопување од 2% на пиксели помеѓу сликите за целите на спојување, 0,5 секунди за поместување на сцената на зададена локација и време на експозиција од 10ms, можеме да го пресметаме времето што би ѝ било потребно на камерата за скенирање на површина. Слично, можеме да го пресметаме времето што би ѝ било потребно на TDI камерата ако сцената се држи во постојано движење за скенирање во Y-насока, со исто време на експозиција по линија.
4. Во овој случај, камерата за скенирање на површина би имала потреба од 140 снимки, при што 63 секунди ќе бидат потрошени за поместување на сцената. TDI камерата би направила само 5 долги снимки, при што само 2 секунди ќе бидат потрошени за поместување на сцената на следната колона.
5. Вкупното време поминато за добивање на површината од 10 x 10 mm би било64,4 секунди за камерата за скенирање на површина,и само9,9 секунди за TDI камерата.
Доколку сакате да видите дали TDI камерата може да одговара на вашата намена и да ги задоволи вашите потреби, контактирајте не денес.
