15-06-2022Het vastleggen van onscherp licht is een uitdaging bij het verkrijgen van heldere beelden met een hoog contrast in veel beeldverwerkingstoepassingen. Digitale gescande lichtveldmicroscopie (DSLM) biedt een krachtige manier om de vastlegging van onscherp licht te verminderen door de belichting te synchroniseren met de 'rolling shutter' van moderne CMOS-camera's. Deze precieze synchronisatie vereist echter volledige controle over de werking van de rolling shutter van de camera – een functie die Tucsen-camera's bieden met de Rolling Shutter Control Mode.
Wat is een rolluik?
De sluiter is het onderdeel van de camera dat de belichting start en stopt. Vroeger gebruikten wetenschappelijke camera's mechanische sluiters, die opengingen om een beeld vast te leggen en sloten om de belichting te beëindigen. Mechanische sluiters waren traag en konden bij langdurig gebruik betrouwbaarheidsproblemen vertonen. Tegenwoordig gebruiken wetenschappelijke camera's elektronische sluiters, die aanzienlijk sneller, eenvoudiger en veelzijdiger zijn.
Rolling shutter-camera's beginnen hun opname bovenaan de sensor en 'rollen' regel voor regel naar beneden, naar de onderkant van de sensor. Deze opname omvat drie processen: signaalreset, belichting en uitlezing.
De belichting van elke rij begint met het resetten van het signaal van elke pixel. Nadat de ingestelde belichtingstijd voor de bovenste rij is verstreken, rolt de uitlezing, die het einde van de opname markeert, op dezelfde manier naar beneden. Dit laat een gebied met actieve pixels achter dat van boven naar beneden door de camera loopt, waarbij de hoogte wordt bepaald door de lengte van de belichtingstijd. Bij een camerasnelheid van 5 tot 25 microseconden per pixellijn bedraagt de vertraging per regel doorgaans tussen de 5 en 25 microseconden, afhankelijk van de snelheid van de camera.
Om optimaal gebruik te maken van optische technieken die synchronisatie vereisen tussen het scannen van de belichting en de rolling shutter van de camera, is deze vertraging doorgaans te kort. Dit betekent dat de rolling shutter te snel werkt voor andere hardware om bij te blijven. Hier komt de Rolling Shutter Control Mode van pas.
Figuur 1: Schematisch diagram van de werking van een rolluik
Hoe de Rolling Shutter Control-modus werkt
Dankzij de ingebouwde intelligentie in Tucsen-camera's kan de werking van de rolling shutter nauwkeurig worden afgesteld op de synchronisatie met externe hardware. Door een kleine extra vertraging toe te voegen tussen het resetten en uitlezen van elke lijn, kan de tijd die het actieve pixelgebied nodig heeft om over de sensor te bewegen, worden geregeld om deze synchronisatie mogelijk te maken.
Bovendien kan de 'spleethoogte' van het gescande actieve gebied nauwkeurig worden afgesteld. Langere belichtingstijden of kortere lijnvertragingen leiden tot een grotere spleethoogte. In het geval van DSLM kan dit worden gebruikt om alleen het verlichte gebied van het monster te selecteren, waardoor een balans wordt gevonden tussen het zo lang mogelijk belichten van pixels voor effectieve signaalopname en het minimaliseren van onscherp licht.
Figuur2Links: Schematische weergave van de werking van de rolling shutter bij volledige camerasnelheid. Rechts: Schematische weergave van de rolling shutter-snelheid met de Rolling Shutter Control Mode, waarbij extra vertraging tussen elke lijn wordt toegevoegd om synchronisatie met andere hardware mogelijk te maken.
Met deze optionele vertraging zijn er nu drie belangrijke variabelen om te begrijpen die de werking van de rolling shutter bepalen: de hoogte van het gebied met 'actieve' pixels en de snelheid waarmee dit gebied over de sensor beweegt.
LijntijdDit is de standaardtijd die de sensor nodig heeft om één rij uit te lezen en door te gaan naar de volgende. Het bepaalt de native 'snelheid' van de camerasensor en kan worden gespecificeerd in de camerasoftware, of benaderd voor een bepaald interessegebied (ROI) en cameramodus door:
'Maximale framesnelheid van de camera' verwijst naar de framesnelheid wanneer deze niet wordt beperkt door de belichtingstijd of de externe triggerfrequentie.
Blootstellingstijd:Dit bepaalt hoe lang elke pixelrij actief is, en daarmee de hoogte van het actieve gebied voor een gegeven lijntijd en vertragingstijd.
Lijnvertraging:Dit is de hoeveelheid extra vertraging die wordt toegevoegd door de Rolling Shutter Control-modus. De Rolling Shutter Control-modus maakt het mogelijk om vertraging toe te voegen.in gehele veelvouden van de lijntijdBijvoorbeeld, als de lijntijd voor een camera 10 microseconden is, dan is er een extra vertraging per lijn van 1, 2,…Er kunnen maximaal 8928 getallen worden toegevoegd, wat het aantal veelvouden van 10 microseconden aangeeft.
Ook belangrijk is de hoogte van het gebruikte interessegebied (ROI), aangezien dit bepaalt hoeveel lijnen het actieve gebied moet doorlopen voordat het gereset wordt.
Bedieningsmodus rolluiken Synchronisatiemodi
Er zijn twee werkingsmodi voor de bedieningsmodus van de rolluiken, afhankelijk van welke variabele het belangrijkst is om te regelen.
In LijnvertragingmodusU kunt de vertragingstijd instellen zoals hierboven beschreven. De software kan vervolgens, voor de door u opgegeven belichtingstijd, aangeven wat de resulterende spleethoogte zal zijn – de hoogte van de actieve pixels in de rolling shutter.
In Actieve pixel / spleethoogteIn deze modus kunt u het aantal sensorrijen instellen dat actief moet zijn tijdens de beweging van de rolling shutter. De door u opgegeven belichtingstijd wordt vervolgens gebruikt om de benodigde lijnvertraging te berekenen, zodat deze spleethoogte automatisch wordt bereikt.
De bedieningsmodus voor rolluiken instellen in de software.
Bedieningselementen voor de operationele modus (status)
Afbeelding 3: Voorbeeldinterface voor het bedienen van de rolluikbedieningsmodus vanuit de Tucsen Mosaic-software. Alle opties Beschikbaar via Micro-Manager en SDK.
Er zijn drie statussen (bedrijfsmodi) beschikbaar:Off, Lijnvertraging, Spleethoogte.
• Wanneer ingesteld opUitDe sensor gedraagt zich normaal, zonder extra vertraging.
• Wanneer ingesteld opLijnvertragingIn deze modus kunt u de lijnvertraging in eenheden van de lijntijd specificeren, zoals hierboven uitgelegd.
Afbeelding 4: Softwareopties voor lijnvertraging. Voorbeeld.Interface van Tucsen Mosaic-software. Alle opties zijn beschikbaar via Micro-Manager en SDK.
Het aantal lijntijdcycli dat aan de configureerbare vertraging kan worden toegevoegd, verschilt per camera. De nieuwe lijntijd van de camera, nadat de vertraging is toegevoegd, is dan:
Lijnintervaltijd = Lijntijd(sensor)+(Lijntijd)(sensor)× Lijnvertraging)
De parameterwaarde vanRolsnelheidis gelijk aanLijnintervaltijd.
De totale uitleestijd van de afbeelding is dan:
Rkopuit Tijd(afbeelding)= Lijnintervaltijd×Nrijen.
NrijenDit is het totale aantal rijen beeldpixels in het interessegebied. De framesnelheid bij het fotograferen in deze modus is afhankelijk van het aantal af te beelden lijnen en de lijncyclustijd:
Beeldsnelheid = 1/(Uitleestijd)(afbeelding)+ Belichtingstijd)
•Wanneer ingesteld opSpleethoogte mode, je kunt degrootte van het gescande actieve gebied, aangegeven door thet aantal pixelrijen tussen het "reset"-signaal en het "readout"-signaal.De spleethoogte kan variëren van 1 tot 2048 pixels. Om dit om te rekenen naar een fysieke afmeting, vermenigvuldigt u deze waarde met de pixelgrootte uit de specificaties van de camera.
Afbeelding 5: Regelopties voor de spleethoogtemodus. VoorbeeldInterface van Tucsen Mosaic-software. Alle opties zijn beschikbaar via Micro-Manager en SDK.
De software berekent automatisch de benodigde lijnvertraging en lijnintervaltijd. De formule is als volgt:
Lijnvertraging = Belichtingstijd(Regels)/ Spleethoogte(Regels)
In de hogesnelheidsmodus (gainmodus van de camera) kan het spleethoogtebereik alleen op een even getal worden ingesteld, omdat in die modus de lijnen twee aan twee worden uitgelezen. De parameters in de hogesnelheidsmodus worden als volgt berekend.
Lijnvertraging = Belichtingstijd(Regels)/ ½Spleethoogte(Regels)
Spleethoogte = (Blootstellingstijd(Regels)÷ Lijnvertraging) × 2
Bedieningselementen voor scanrichting
Er zijn drie opties voor de draairichting van het rolluik:
DeigenDe neerwaartse scanrichting is de standaard scanrichting voor sCMOS-camera's. De rolling shutter begint bij de eerste rij bovenaan de sensor en scant naar beneden tot de laatste rij onderaan. Elke volgende opname begint met de eerste rij bovenaan.
Afbeelding 6: Schematische weergave van de neerwaartse scanmodus
Up:In de opwaartse scanmodus begint de rolling shutter bij de onderste rij en scant omhoog tot de bovenste rij van de eerste rij. Elke volgende opname begint bij de onderste rij. Hoewel de volgorde van gegevensopname door de camera nu omgekeerd is, zal de resulterende afbeelding die naar de software wordt gestuurd nog steeds de oorspronkelijke oriëntatie tonen, d.w.z. de afbeelding zal niet verticaal gespiegeld zijn ten opzichte van de neerwaartse scanmodus.
Afbeelding 7: Schematische weergave van de opwaartse scanmodus
Omlaag-omhoog cyclusBij afwisselend op- en neerwaarts scannen begint de rolsluiter bij de eerste rij bovenaan en gaat naar beneden tot de laatste rij onderaan. Voor het volgende beeld begint de rolsluiter bij de onderste rij en scant omhoog tot de bovenste rij, enzovoort. De oriëntatie van het beeld dat in deze modus wordt verkregen, is hetzelfde als bij scannen naar beneden.
Afbeelding 8: Schematische weergave van de op- en neerwaartse cyclusscanmodus
• Reatwijfelrichting resetten
Deze functie is alleen beschikbaar in de Down-Up Cycle-modus.
De standaardinstelling voor deze parameter is "Ja", wat ervoor zorgt dat het eerste frame van elke nieuwe opnamereeks begint bij de bovenste rij en naar beneden scant.
Wanneer deze parameter is ingesteld op "Nee", begint het eerste frame van elke nieuwe opname op de positie van het laatste frame in de vorige reeks. Als het laatste frame op de onderste rij eindigt, begint het eerste frame van volgende opnames ook op de onderste rij en schuift het omhoog.
