22/07/13Integrasi Kelewatan Masa (TDI) ialah teknik pengimejan yang mendahului pengimejan digital – tetapi ia masih memberikan kelebihan yang luar biasa pada pengimejan canggih hari ini. Terdapat dua keadaan di mana kamera TDI boleh bersinar – kedua-duanya apabila subjek pengimejan sedang bergerak:
1 – Subjek pengimejan sememangnya bergerak dengan halaju malar, seperti dalam pemeriksaan web (seperti mengimbas helaian kertas, plastik atau fabrik yang bergerak untuk mengesan kecacatan dan kerosakan), talian pemasangan atau aliran bendalir mikro dan aliran bendalir.
2 – Subjek pengimejan statik yang boleh dirakam oleh kamera yang dialihkan dari kawasan ke kawasan, sama ada dengan menggerakkan subjek atau kamera. Contohnya termasuk pengimbasan slaid mikroskop, pemeriksaan bahan, pemeriksaan panel rata dll.
Jika salah satu daripada keadaan ini boleh digunakan pada pengimejan anda, halaman web ini akan membantu anda mempertimbangkan sama ada penukaran daripada kamera 'imbasan kawasan' 2 dimensi konvensional kepada kamera Line Scan TDI mungkin meningkatkan pengimejan anda.
Masalah dengan Imbasan Kawasan & Sasaran Bergerak
● Kabur Pergerakan
Sesetengah subjek pengimejan sedang bergerak mengikut keperluan, contohnya dalam aliran bendalir atau pemeriksaan web. Dalam aplikasi lain, seperti pengimbasan slaid dan pemeriksaan bahan, mengekalkan subjek dalam pergerakan boleh menjadi jauh lebih pantas dan lebih cekap daripada menghentikan gerakan untuk setiap imej yang diperoleh. Walau bagaimanapun, untuk kamera imbasan kawasan, jika subjek pengimejan bergerak berbanding kamera, ini boleh menimbulkan cabaran.
Pergerakan kabur memesongkan imej kenderaan yang sedang bergerak
Dalam situasi dengan pencahayaan terhad atau di mana kualiti imej tinggi diperlukan, masa pendedahan kamera yang lama mungkin dikehendaki. Walau bagaimanapun, gerakan subjek akan menyebarkan cahayanya ke atas berbilang piksel kamera semasa pendedahan, yang membawa kepada 'kabur gerakan'. Ini boleh diminimumkan dengan mengekalkan pendedahan yang sangat singkat – di bawah masa yang diperlukan untuk satu titik pada subjek melintasi piksel kamera. Ini adalahunbiasanya dengan mengorbankan imej gelap, bising, selalunya tidak boleh digunakan.
●menjahit
Selain itu, biasanya pengimejan subjek pengimejan besar atau berterusan dengan kamera imbasan kawasan memerlukan pemerolehan berbilang imej, yang kemudiannya dicantumkan bersama. Jahitan ini memerlukan piksel bertindih antara imej bersebelahan, mengurangkan kecekapan dan meningkatkan keperluan penyimpanan dan pemprosesan data.
●Pencahayaan tidak sekata
Lebih-lebih lagi, pencahayaan jarang akan cukup untuk mengelakkan isu dan artifak di sempadan antara imej yang dijahit. Selain itu, untuk memberikan pencahayaan pada kawasan yang cukup besar untuk kamera imbasan kawasan dengan keamatan yang mencukupi selalunya memerlukan penggunaan sumber cahaya DC berkuasa tinggi dan kos tinggi.
Pencahayaan tidak sekata dalam menjahit pemerolehan berbilang imej otak tetikus. Imej daripada Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Apakah itu kamera TDI, dan bagaimana ia membantu?
Dalam kamera imbasan kawasan 2 dimensi konvensional, terdapat tiga fasa untuk memperoleh imej: tetapan semula piksel, pendedahan dan bacaan. Semasa pendedahan, foton dari tempat kejadian dikesan, menghasilkan fotoelektron, yang disimpan dalam piksel kamera sehingga akhir pendedahan. Nilai daripada setiap piksel kemudiannya dibaca, dan imej 2D terbentuk. Piksel kemudian ditetapkan semula dan semua caj dibersihkan untuk memulakan pendedahan seterusnya.
Walau bagaimanapun, seperti yang dinyatakan, jika subjek pengimejan bergerak relatif kepada kamera, cahaya daripada subjek boleh merebak pada berbilang piksel semasa pendedahan ini, yang membawa kepada gerakan kabur. Kamera TDI mengatasi had ini menggunakan teknik yang inovatif. Ini ditunjukkan dalam [Animasi 1].
●Cara Kamera TDI Berfungsi
Kamera TDI beroperasi dengan cara yang berbeza secara asas untuk kamera imbasan kawasan. Apabila subjek pengimejan bergerak merentasi kamera semasa pendedahan, cas elektronik yang membentuk imej yang diperoleh akan dialihkan juga, kekal disegerakkan. Semasa pendedahan, kamera TDI dapat mengocok semua caj yang diperoleh daripada satu baris piksel ke baris berikutnya, di sepanjang kamera, disegerakkan dengan gerakan subjek pengimejan. Semasa subjek bergerak merentasi kamera, setiap baris (dikenali sebagai 'TDI Stage'), memberikan peluang baharu untuk mendedahkan kamera kepada subjek dan mengumpul isyarat.
Sebaik sahaja barisan caj yang diperoleh sampai ke penghujung kamera, barulah nilai dibaca dan disimpan sebagai kepingan 1 dimensi imej. Imej 2-D dibentuk dengan melekatkan setiap kepingan imej berturut-turut semasa kamera membacanya. Setiap baris piksel dalam imej yang terhasil menjejaki dan imej 'slice' yang sama bagi subjek pengimejan, bermakna walaupun bergerak, tiada kabur.
●Pendedahan 256x Lebih Lama
Dengan kamera TDI, masa pendedahan berkesan imej diberikan sepanjang masa yang diperlukan untuk satu titik pada subjek melintasi setiap baris piksel, dengan sehingga 256 peringkat tersedia pada beberapa kamera TDI. Ini bermakna masa pendedahan yang tersedia adalah 256 kali lebih besar daripada yang boleh dicapai oleh kamera imbasan kawasan.
Ini boleh memberikan salah satu daripada dua peningkatan, atau keseimbangan kedua-duanya. Pertama, peningkatan ketara dalam kelajuan pengimejan boleh dicapai. Berbanding dengan kamera imbasan kawasan, subjek pengimejan boleh bergerak sehingga 256x lebih pantas sambil masih menangkap jumlah isyarat yang sama, dengan syarat kadar garisan kamera cukup pantas untuk bersaing.
Sebaliknya, jika sensitiviti yang lebih besar diperlukan, masa pendedahan yang lebih lama boleh membolehkan imej yang lebih berkualiti tinggi, keamatan pencahayaan yang lebih rendah atau kedua-duanya.
●Daya pemprosesan data yang besar tanpa jahitan
Memandangkan kamera TDI menghasilkan imej 2 dimensi daripada kepingan 1 dimensi berturut-turut, imej yang terhasil boleh menjadi sebesar yang diperlukan. Walaupun bilangan piksel dalam arah 'mendatar' diberikan oleh lebar kamera, contohnya 9072 piksel, saiz 'menegak' imej adalah tidak terhad, dan hanya ditentukan oleh berapa lama kamera dijalankan. Dengan kadar talian sehingga 510kHz, ini boleh menyampaikan daya pemprosesan data yang besar.
Digabungkan dengan ini, kamera TDI boleh menawarkan bidang pandangan yang sangat luas. Sebagai contoh, kamera 9072 piksel dengan piksel 5µm menyediakan medan pandangan mendatar 45mm dengan resolusi tinggi. Untuk mencapai lebar pengimejan yang sama dengan kamera imbasan kawasan piksel 5µm memerlukan sehingga tiga kamera 4K bersebelahan.
●Penambahbaikan ke atas kamera imbasan talian
Kamera TDI bukan sahaja menawarkan penambahbaikan berbanding kamera imbasan kawasan. Kamera imbasan garisan, yang menangkap hanya satu baris piksel, juga mengalami banyak isu yang sama dengan keamatan pencahayaan dan dedahan pendek seperti kamera imbasan kawasan.
Walaupun seperti kamera TDI, kamera imbasan garisan menawarkan pencahayaan yang lebih sekata dengan persediaan yang lebih mudah dan mengelakkan keperluan untuk mencantum imej, ia selalunya memerlukan pencahayaan yang sangat sengit dan/atau pergerakan subjek yang perlahan untuk menangkap isyarat yang mencukupi untuk imej berkualiti tinggi. Pendedahan yang lebih lama dan kelajuan subjek yang lebih pantas yang didayakan oleh kamera TDI bermakna keamatan yang lebih rendah, pencahayaan kos yang lebih rendah boleh digunakan sambil meningkatkan kecekapan pengimejan. Sebagai contoh, barisan pengeluaran mungkin boleh beralih daripada lampu halogen penggunaan kuasa tinggi kos tinggi yang memerlukan kuasa DC, kepada lampu LED.
Bagaimanakah kamera TDI berfungsi?
Terdapat tiga piawaian biasa untuk cara mencapai pengimejan TDI pada penderia kamera.
● CCD TDI– Kamera CCD ialah gaya tertua bagi kamera digital. Disebabkan reka bentuk elektroniknya, mencapai gelagat TDI pada CCD adalah secara perbandingan sangat mudah, dengan banyak penderia kamera sememangnya mampu beroperasi dengan cara ini. Oleh itu, TDI CCD telah digunakan selama beberapa dekad.
Walau bagaimanapun, teknologi CCD mempunyai hadnya. Saiz piksel terkecil yang biasa tersedia untuk kamera CCD TDI ialah sekitar 12µm x 12µm – ini, bersama-sama dengan kiraan piksel kecil, mengehadkan kebolehan kamera untuk menyelesaikan butiran halus. Lebih-lebih lagi, kelajuan pemerolehan lebih rendah daripada teknologi lain, manakala hingar baca– faktor pengehad utama dalam pengimejan cahaya rendah – adalah tinggi. Penggunaan kuasa juga tinggi, yang merupakan faktor utama dalam beberapa aplikasi. Ini membawa kepada keinginan untuk mencipta kamera TDI berdasarkan seni bina CMOS.
●CMOS TDI awal: Domain voltan dan penjumlahan digital
Kamera CMOS mengatasi banyak had bunyi & kelajuan kamera CCD, sambil menggunakan kuasa yang lebih sedikit dan menawarkan saiz piksel yang lebih kecil. Walau bagaimanapun, tingkah laku TDI adalah lebih sukar dicapai pada kamera CMOS, disebabkan reka bentuk pikselnya. Walaupun CCD secara fizikal menggerakkan fotoelektron dari piksel ke piksel untuk mengurus sensor, kamera CMOS menukar isyarat dalam fotoelektron kepada voltan dalam setiap piksel sebelum bacaan.
Tingkah laku TDI pada penderia CMOS telah diterokai sejak 2001, bagaimanapun, cabaran untuk mengendalikan 'pengumpulan' isyarat apabila pendedahan bergerak dari satu baris ke baris seterusnya adalah penting. Dua kaedah awal untuk CMOS TDI yang masih digunakan dalam kamera komersial hari ini ialah pengumpulan voltan-domain dan penjumlahan digital TDI CMOS. Dalam kamera pengumpulan domain voltan, apabila setiap baris isyarat diperoleh apabila subjek pengimejan bergerak melepasi, voltan yang diperoleh ditambah secara elektronik kepada jumlah pemerolehan untuk bahagian imej tersebut. Mengumpul voltan dengan cara ini memperkenalkan bunyi tambahan untuk setiap peringkat TDI tambahan yang ditambah, mengehadkan faedah peringkat tambahan. Isu dengan lineariti juga mencabar penggunaan kamera ini untuk aplikasi yang tepat.
Kaedah kedua ialah penjumlahan digital TDI. Dalam kaedah ini, kamera CMOS berjalan dengan berkesan dalam mod imbasan kawasan dengan pendedahan yang sangat singkat dipadankan dengan masa yang diambil untuk subjek pengimejan bergerak merentasi satu baris piksel. Tetapi, baris daripada setiap bingkai berturut-turut ditambah bersama secara digital sedemikian rupa sehingga kesan TDI dihantar. Memandangkan keseluruhan kamera mesti dibaca untuk setiap baris piksel dalam imej yang terhasil, penambahan digital ini turut menambah hingar bacaan untuk setiap baris dan mengehadkan kelajuan pemerolehan.
●Standard moden: TDI CMOS domain caj, atau TDI CCD-on-CMOS
Had CMOS TDI di atas telah diatasi baru-baru ini melalui pengenalan TDI CMOS pengumpulan domain caj, juga dikenali sebagai TDI CCD-on-CMOS. Operasi penderia ini ditunjukkan dalam [Animasi 1]. Seperti namanya, penderia ini menawarkan pergerakan cas seperti CCD dari satu piksel ke seterusnya, mengumpul isyarat pada setiap peringkat TDI melalui penambahan fotoelektron pada tahap cas individu. Ini secara berkesan bebas bunyi. Walau bagaimanapun, had CCD TDI diatasi melalui penggunaan seni bina bacaan CMOS, membolehkan kelajuan tinggi, hingar rendah dan penggunaan kuasa rendah biasa untuk kamera CMOS.
Spesifikasi TDI: apa yang penting?
●Teknologi:Faktor yang paling penting ialah teknologi penderia yang digunakan seperti yang dibincangkan di atas. CMOS TDI domain caj akan memberikan prestasi terbaik.
●Peringkat TDI:Ini ialah bilangan baris penderia yang isyarat boleh dikumpul. Lebih banyak peringkat TDI yang dimiliki kamera, lebih lama masa pendedahan berkesannya. Atau, lebih pantas subjek pengimejan boleh bergerak, dengan syarat kamera mempunyai kadar garisan yang mencukupi.
●Kadar Talian:Berapa banyak baris yang boleh dibaca oleh kamera sesaat. Ini menentukan kelajuan maksimum pergerakan yang boleh diikuti oleh kamera.
●Kecekapan Kuantum: Ini menunjukkan sensitiviti kamera kepada cahaya pada panjang gelombang yang berbeza, diberikan oleh kemungkinan foton kejadian dikesan dan menghasilkan fotoelektron. Kecekapan kuantum yang lebih tinggi boleh menawarkan kekuatan pencahayaan yang lebih rendah, atau operasi yang lebih pantas sambil mengekalkan tahap isyarat yang sama.
Selain itu, kamera berbeza pada julat panjang gelombang di mana kepekaan yang baik boleh dicapai, dengan sesetengah kamera menawarkan kepekaan sehingga ke hujung spektrum ultra-ungu (UV), pada panjang gelombang sekitar 200nm.
●Baca Kebisingan:Bunyi baca ialah faktor penting lain dalam kepekaan kamera, yang menentukan isyarat minimum yang boleh dikesan di atas lantai hingar kamera. Dengan hingar bacaan yang tinggi, ciri gelap tidak dapat dikesan dan julat dinamik dikurangkan dengan teruk, bermakna pencahayaan yang lebih terang atau masa pendedahan yang lebih lama & kelajuan pergerakan yang lebih perlahan mesti digunakan.
Spesifikasi TDI: apa yang penting?
Pada masa ini, kamera TDI digunakan untuk pemeriksaan web, pemeriksaan elektronik dan pembuatan, dan aplikasi penglihatan mesin yang lain. Di samping itu ialah aplikasi cahaya malap yang mencabar seperti pengimejan pendarfluor dan pengimbasan slaid.
Walau bagaimanapun, dengan pengenalan kamera TDI CMOS berkelajuan tinggi, hingar rendah, sensitiviti tinggi, terdapat potensi besar untuk peningkatan kelajuan dan kecekapan dalam aplikasi baharu yang sebelum ini hanya menggunakan kamera imbasan kawasan. Seperti yang kami perkenalkan pada permulaan artikel, kamera TDI mungkin merupakan pilihan terbaik untuk mencapai kelajuan tinggi dan kualiti imej yang tinggi untuk sama ada subjek pengimejan dalam gerakan berterusan, atau di mana kamera boleh diimbas merentas subjek pengimejan statik.
Sebagai contoh, dalam aplikasi mikroskop, kita boleh membandingkan kelajuan pemerolehan teori bagi 9K piksel, 256 peringkat kamera TDI dengan 5 µm piksel kepada kamera imbasan kawasan kamera 12MP dengan 5 µm piksel. Mari kita periksa memperoleh luas 10 x 10 mm dengan pembesaran 20x melalui pergerakan pentas.
1. Menggunakan objektif 20x dengan kamera imbasan kawasan akan memberikan medan pandangan pengimejan 1.02 x 0.77 mm.
2. Dengan kamera TDI, objektif 10x dengan pembesaran tambahan 2x boleh digunakan untuk mengatasi sebarang had dalam bidang pandangan mikroskop, untuk menyampaikan medan pandangan pengimejan mendatar 2.3mm.
3. Dengan mengandaikan pertindihan 2% piksel antara imej untuk tujuan jahitan, 0.5 saat untuk mengalihkan pentas ke lokasi yang ditetapkan dan masa pendedahan 10ms, kita boleh mengira masa yang diambil oleh kamera imbasan kawasan. Begitu juga, kita boleh mengira masa yang diambil oleh kamera TDI jika pentas disimpan dalam gerakan berterusan untuk mengimbas ke arah Y, dengan masa pendedahan yang sama setiap baris.
4. Dalam kes ini, kamera imbasan kawasan memerlukan 140 imej untuk diperoleh, dengan 63 saat dihabiskan untuk menggerakkan pentas. Kamera TDI akan memperoleh hanya 5 imej panjang, dengan hanya 2 saat dihabiskan untuk memindahkan pentas ke lajur seterusnya.
5. Jumlah masa yang dibelanjakan untuk memperoleh kawasan 10 x 10 mm ialah64.4 saat untuk kamera imbasan kawasan,dan adil9.9 saat untuk kamera TDI.
Jika anda ingin melihat sama ada kamera TDI boleh sepadan dengan aplikasi anda dan memenuhi keperluan anda, hubungi kami hari ini.
