25/08/08Dalam pengimejan industri dan saintifik, menangkap objek yang bergerak pantas dalam keadaan cahaya malap memberikan cabaran yang berterusan. Di situlah kamera Time Delay Integration (TDI) melangkah masuk. Teknologi TDI menggabungkan penyegerakan gerakan dan berbilang pendedahan untuk menyampaikan kepekaan dan kejelasan imej yang luar biasa, terutamanya dalam persekitaran berkelajuan tinggi.
Apakah Kamera TDI?
Kamera TDI ialah kamera imbasan talian khusus yang menangkap imej objek bergerak. Tidak seperti kamera imbasan kawasan standard yang mendedahkan keseluruhan bingkai sekali gus, kamera TDI mengalihkan cas daripada satu baris piksel ke baris berikutnya dalam penyegerakan dengan gerakan objek. Setiap baris piksel mengumpul cahaya semasa subjek bergerak, meningkatkan masa pendedahan dengan berkesan dan meningkatkan kekuatan isyarat tanpa memperkenalkan gerakan kabur.
Penyepaduan cas ini secara mendadak meningkatkan nisbah isyarat kepada hingar (SNR), menjadikan kamera TDI sesuai untuk aplikasi berkelajuan tinggi atau cahaya rendah.
Bagaimanakah Kamera TDI Berfungsi?
Pengendalian kamera TDI digambarkan dalam Rajah 1.
Rajah 1: Operasi penderia Integrasi Kelewatan Masa (TDI).
NOTA: Kamera TDI memindahkan caj yang diperoleh merentasi pelbagai 'peringkat' dalam penyegerakan dengan subjek pengimejan bergerak. Setiap peringkat memberi peluang tambahan untuk didedahkan kepada cahaya. Diilustrasikan melalui 'T' terang yang bergerak merentasi kamera, dengan segmen 5 lajur dengan 5 peringkat penderia TDI. Tucsen Dhyana 9KTDI dengan pergerakan cas gaya CCD hibrid tetapi bacaan selari gaya CMOS.
Kamera TDI ialah kamera imbasan garisan dengan berkesan, dengan satu perbezaan penting: bukannya satu baris piksel yang memperoleh data semasa kamera diimbas merentasi subjek pengimejan, kamera TDI mempunyai berbilang baris, dikenali sebagai 'peringkat', sehingga lazimnya 256.
Walau bagaimanapun, baris ini tidak membentuk imej 2 dimensi seperti kamera imbasan kawasan. Sebaliknya, apabila subjek pengimejan yang diimbas bergerak merentasi penderia kamera, fotoelektron yang dikesan dalam setiap kocok piksel bersama-sama ke baris seterusnya selari dengan pergerakan subjek pengimejan, tanpa dibacakan lagi. Setiap baris tambahan kemudiannya memberikan peluang tambahan untuk mendedahkan subjek pengimejan kepada cahaya. Hanya setelah hirisan imej mencapai baris terakhir piksel penderia, baris itu kemudiannya dihantar ke seni bina bacaan untuk pengukuran.
Oleh itu, walaupun beberapa ukuran berlaku di seluruh peringkat kamera, hanya satu contoh bunyi bacaan kamera diperkenalkan. Kamera TDI 256 peringkat menyimpan sampel dalam paparan 256 kali lebih lama, dan dengan itu mempunyai masa pendedahan 256 kali lebih lama daripada kamera imbasan garisan yang setara. Masa pendedahan yang setara dengan kamera imbasan kawasan akan menghasilkan kabur gerakan yang melampau, menjadikan imej tidak berguna.
Bilakah TDI Boleh Digunakan?
Kamera TDI ialah penyelesaian yang sangat baik untuk sebarang aplikasi pengimejan yang subjek pengimejan bergerak berbanding kamera, dengan syarat gerakan itu seragam merentasi pandangan kamera.
Oleh itu, aplikasi pengimejan TDI termasuk, di satu pihak, semua pengimbasan garisan di mana imej 2 dimensi terbentuk, sambil membawa kelajuan yang lebih tinggi, kepekaan cahaya rendah yang lebih baik, kualiti imej yang lebih baik, atau ketiga-tiganya sekali gus. Sebaliknya, terdapat banyak teknik pengimejan yang menggunakan kamera imbasan kawasan di mana kamera TDI boleh digunakan.
Untuk sCMOS TDI sensitiviti tinggi, pengimejan 'jubin dan jahitan' dalam mikroskop pendarfluor biologi boleh dilakukan menggunakan imbasan tanpa henti peringkat sebagai ganti jubin. Atau semua TDI boleh sangat sesuai untuk aplikasi pemeriksaan. Satu lagi aplikasi penting untuk TDI ialah sitometri aliran pengimejan, di mana imej pendarfluor sel diperoleh apabila ia melepasi kamera semasa mengalir melalui saluran mikrofluidik.
Kebaikan dan Keburukan sCMOS TDI
Kebaikan
● Boleh menangkap imej 2 dimensi dengan saiz sewenang-wenang pada kelajuan tinggi apabila mengimbas merentasi subjek pengimejan.
● Berbilang peringkat TDI, hingar rendah dan QE tinggi boleh membawa kepada sensitiviti yang lebih tinggi secara drastik berbanding kamera imbasan talian.
● Kelajuan bacaan yang sangat tinggi boleh dicapai, contohnya, sehingga 510,000Hz (garisan sesaat), untuk imej selebar 9,072 piksel.
●Pencahayaan hanya perlu 1 dimensi dan tidak memerlukan medan rata atau pembetulan lain dalam dimensi kedua (diimbas). Selain itu, masa pendedahan yang lebih lama berbanding imbasan talian boleh 'melancarkan' kelipan kerana sumber cahaya AC.
● Imej bergerak boleh diperoleh tanpa kabur gerakan dan dengan kelajuan tinggi dan kepekaan.
●Mengimbas kawasan yang besar boleh menjadi lebih pantas secara drastik daripada kamera imbasan kawasan.
● Dengan perisian lanjutan atau persediaan pencetus, mod 'seperti imbasan kawasan' boleh memberikan gambaran keseluruhan imbasan kawasan untuk fokus dan penjajaran.
Keburukan
● Bunyi yang lebih tinggi daripada kamera sCMOS konvensional, bermakna aplikasi ultra-cahaya rendah tidak dapat dicapai.
● Memerlukan persediaan pakar dengan pencetusan lanjutan untuk menyegerakkan pergerakan subjek pengimejan dengan pengimbasan kamera, kawalan yang sangat halus ke atas kelajuan pergerakan atau ramalan kelajuan yang tepat untuk membolehkan penyegerakan.
● Sebagai teknologi baharu, beberapa penyelesaian wujud pada masa ini untuk pelaksanaan perkakasan dan perisian.
sCMOS TDI berkeupayaan cahaya rendah
Walaupun TDI sebagai teknik pengimejan mendahului pengimejan digital, dan lama dahulu melepasi imbasan talian dalam prestasi, hanya dalam beberapa tahun kebelakangan ini kamera TDI memperoleh kepekaan yang diperlukan untuk mencapai aplikasi cahaya malap yang biasanya memerlukan sensitiviti gred saintifik.kamera sCMOS.
'sCMOS TDI' menggabungkan pergerakan cas gaya CCD merentasi penderia dengan bacaan gaya sCMOS, dengan penderia bercahaya belakang tersedia. Kamera TDI berasaskan CCD atau berasaskan CMOS semata-mata* TDI mempunyai bacaan yang lebih perlahan secara drastik, kiraan piksel yang lebih kecil, tahap yang lebih sedikit dan bunyi bacaan antara 30e- dan >100e-. Sebaliknya, sCMOS TDI seperti TucsenKamera Dhyana 9KTDI sCMOSmenawarkan hingar baca 7.2e-, digabungkan dengan kecekapan kuantum yang lebih tinggi melalui pencahayaan belakang, membolehkan penggunaan TDI dalam aplikasi tahap cahaya yang jauh lebih rendah daripada yang mungkin sebelum ini.
Dalam banyak aplikasi, masa pendedahan yang lebih lama yang didayakan oleh proses TDI boleh lebih daripada mengimbangi peningkatan hingar baca berbanding kamera imbasan kawasan sCMOS berkualiti tinggi dengan hingar baca hampir 1e-.
Aplikasi Biasa Kamera TDI
Kamera TDI ditemui dalam banyak industri di mana ketepatan dan kelajuan adalah sama kritikal:
● Pemeriksaan wafer semikonduktor
● Ujian paparan panel rata (FPD).
● Pemeriksaan web (kertas, filem, kerajang, tekstil)
● Pengimbasan sinar-X dalam diagnostik perubatan atau pemeriksaan bagasi
● Pengimbasan slaid dan plat berbilang telaga dalam patologi digital
● Pengimejan hiperspektral dalam penderiaan jauh atau pertanian
● PCB dan pemeriksaan elektronik dalam talian SMT
Aplikasi ini mendapat manfaat daripada kontras, kelajuan dan kejelasan yang dipertingkatkan yang disediakan oleh pengimejan TDI di bawah kekangan dunia sebenar.
Contoh: Pengimbasan Slaid dan Plat Berbilang Telaga
Seperti yang dinyatakan, satu aplikasi dengan janji penting untuk kamera sCMOS TDI ialah aplikasi jahitan, termasuk pengimbasan plat slaid atau berbilang perigi. Mengimbas sampel mikroskopi pendarfluor atau medan terang yang besar dengan kamera kawasan 2 dimensi bergantung pada jahitan grid imej yang terbentuk daripada pelbagai pergerakan peringkat mikroskop XY. Setiap imej memerlukan pentas untuk berhenti, selesai, dan kemudian dimulakan semula, bersama-sama dengan sebarang kelewatan pengatup bergolek. TDI, sebaliknya, boleh memperoleh imej semasa pentas sedang bergerak. Imej itu kemudiannya terbentuk daripada sebilangan kecil 'jalur' panjang, setiap satu meliputi keseluruhan lebar sampel. Ini berpotensi membawa kepada kelajuan pemerolehan yang lebih tinggi secara drastik dan pemprosesan data dalam semua aplikasi jahitan, bergantung pada keadaan pengimejan.
Kelajuan pentas boleh bergerak adalah berkadar songsang dengan jumlah masa pendedahan kamera TDI, jadi masa pendedahan yang singkat (1-20ms) menawarkan peningkatan terbesar dalam kelajuan pengimejan berbanding kamera imbasan kawasan, yang kemudiannya boleh membawa kepada susunan magnitud atau pengurangan yang lebih besar dalam jumlah masa pemerolehan. Untuk masa pendedahan yang lebih lama (cth > 100ms), imbasan kawasan biasanya boleh mengekalkan kelebihan masa.
Contoh imej mikroskop pendarfluor yang sangat besar (2 Gigapiksel) yang terbentuk dalam hanya sepuluh saat ditunjukkan dalam Rajah 2. Imej setara yang terbentuk dengan kamera imbasan kawasan boleh dijangka mengambil masa sehingga beberapa minit.
Rajah 2: Imej 2 Gigapiksel terbentuk dalam 10 saat melalui pengimbasan & jahitan TDI
NOTA: Imej pembesaran 10x diperoleh menggunakan Tucsen Dhyana 9kTDI titik pen penyerlah yang dilihat dengan mikroskop pendarfluor. Diperolehi dalam 10 saat menggunakan masa pendedahan 3.6 ms. Dimensi imej: 30mm x 17mm, 58,000 x 34,160 piksel.
Menyegerakkan TDI
Penyegerakan kamera TDI dengan subjek pengimejan (hingga dalam beberapa peratus) adalah penting – ketidakpadanan halaju akan membawa kepada kesan 'kabur gerakan'. Penyegerakan ini boleh dilakukan dengan dua cara:
Ramalan: Kelajuan kamera ditetapkan untuk memadankan kelajuan gerakan berdasarkan pengetahuan tentang kelajuan pergerakan sampel, optik (pembesaran) dan saiz piksel kamera. Atau percubaan dan kesilapan.
Tercetus: Banyak peringkat mikroskop, gantri dan peralatan lain untuk menggerakkan subjek pengimejan boleh termasuk pengekod yang menghantar nadi pencetus ke kamera untuk jarak pergerakan tertentu. Ini membolehkan pentas/gantri dan kamera kekal selaras tanpa mengira kelajuan pergerakan.
Kamera TDI lwn. Imbasan Talian dan Kamera Imbasan Kawasan
Begini cara TDI dibandingkan dengan teknologi pengimejan popular yang lain:
| Ciri | Kamera TDI | Kamera Imbasan Talian | Kamera Imbas Kawasan |
| Sensitiviti | Sangat Tinggi | Sederhana | Rendah hingga Sederhana |
| Kualiti Imej (gerakan) | Cemerlang | bagus | Kabur pada kelajuan tinggi |
| Keperluan Pencahayaan | rendah | Sederhana | tinggi |
| Keserasian Gerakan | Cemerlang (jika disegerakkan) | bagus | miskin |
| Terbaik Untuk | Kelajuan tinggi, cahaya rendah | Objek yang bergerak pantas | Adegan statik atau perlahan |
TDI ialah pilihan yang jelas apabila adegan bergerak dengan pantas dan tahap cahaya adalah terhad. Imbasan garisan ialah langkah ke bawah dalam sensitiviti, manakala imbasan kawasan adalah lebih baik untuk persediaan mudah atau pegun.
Memilih Kamera TDI yang Betul
Apabila memilih kamera TDI, pertimbangkan perkara berikut:
● Bilangan peringkat TDI: Lebih banyak peringkat meningkatkan SNR, tetapi juga kos dan kerumitan.
● Jenis penderia: sCMOS diutamakan untuk kelajuan dan hingar yang rendah; CCD mungkin masih sesuai untuk sesetengah sistem warisan.
● Antara Muka: Pastikan keserasian dengan sistem anda—Camera Link, CoaXPress dan 10GigE ialah pilihan biasa, 100G CoF dan 40G CoF telah muncul sebagai trend baharu.
● Respons spektrum: Pilih antara monokrom, warna atau inframerah dekat (NIR) berdasarkan keperluan aplikasi.
● Pilihan penyegerakan: Cari ciri seperti input pengekod atau sokongan pencetus luaran untuk penjajaran gerakan yang lebih baik.
Jika permohonan anda melibatkan sampel biologi yang halus, pemeriksaan berkelajuan tinggi atau persekitaran cahaya malap, sCMOS TDI berkemungkinan sesuai.
Kesimpulan
Kamera TDI mewakili evolusi yang berkuasa dalam teknologi pengimejan, terutamanya apabila dibina pada penderia sCMOS. Dengan menggabungkan penyegerakan gerakan dengan penyepaduan berbilang talian, mereka menawarkan kepekaan dan kejelasan yang tiada tandingan untuk pemandangan dinamik dan cahaya malap.
Sama ada anda sedang memeriksa wafer, mengimbas slaid atau melakukan pemeriksaan berkelajuan tinggi, memahami cara TDI berfungsi boleh membantu anda memilih penyelesaian terbaik antarakamera saintifikuntuk cabaran pengimejan anda.
Soalan Lazim
Bolehkah kamera TDI beroperasi dalam mod imbasan kawasan?
Kamera TDI boleh mencipta imej 2 dimensi (sangat nipis) dalam mod 'seperti imbasan kawasan', dicapai melalui helah pemasaan sensor. Ini boleh membantu untuk tugas seperti fokus dan penjajaran.
Untuk memulakan 'pendedahan imbasan kawasan', penderia terlebih dahulu 'dikosongkan' dengan memajukan TDI sekurang-kurangnya seberapa banyak langkah yang dilakukan oleh kamera, secepat mungkin, kemudian berhenti. Ini sama ada dicapai melalui kawalan perisian, atau pencetus perkakasan, dan idealnya dilakukan dalam kegelapan. Sebagai contoh, kamera 256 peringkat harus membaca sekurang-kurangnya 256 baris, kemudian berhenti. 256 baris data ini dibuang.
Walaupun kamera tidak dicetuskan atau garisan dibaca, penderia berkelakuan sama seperti penderia imbasan kawasan yang mendedahkan imej.
Masa pendedahan yang dikehendaki kemudiannya akan berlalu dengan kamera melahu, sebelum sekali lagi memajukan kamera dengan sekurang-kurangnya bilangan peringkatnya, membaca setiap baris imej yang baru diperolehi. Sekali lagi, sebaik-baiknya fasa 'baca habis' ini harus berlaku dalam kegelapan.
Teknik ini boleh diulang untuk menyediakan 'pratonton langsung' atau jujukan imej imbasan kawasan dengan herotan minimum dan kabur daripada operasi TDI.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Hak cipta terpelihara. Apabila memetik, sila maklumkan sumbernya:www.tucsen.com
