22/07/13Time Delay Integration (TDI) is een beeldvormingstechniek die al vóór de digitale beeldvorming bestond, maar die nog steeds enorme voordelen biedt op het gebied van beeldvorming. Er zijn twee omstandigheden waarin TDI-camera's kunnen uitblinken – beide wanneer het onderwerp in beweging is:
1 – Het beeldvormende onderwerp beweegt van nature met een constante snelheid, zoals bij webinspectie (zoals het scannen van bewegende vellen papier, plastic of stof op defecten en schade), assemblagelijnen of microfluïdica en vloeistofstromen.
2 – Statische beeldvorming van onderwerpen die in beeld kunnen worden gebracht door een camera die van ruimte naar ruimte wordt verplaatst, door het onderwerp of de camera te bewegen. Voorbeelden hiervan zijn het scannen van objectglaasjes, materiaalinspectie, inspectie van vlakke panelen, enz.
Als een van deze omstandigheden op uw beeldvorming van toepassing is, helpt deze webpagina u te bepalen of een overstap van conventionele 2-dimensionale 'area scan'-camera's naar Line Scan TDI-camera's uw beeldvorming kan verbeteren.
Het probleem met Area-Scan en bewegende doelen
● Bewegingsonscherpte
Sommige objecten die worden afgebeeld, zijn noodzakelijkerwijs in beweging, bijvoorbeeld bij vloeistofstroming of webinspectie. In andere toepassingen, zoals het scannen van objectglaasjes en materiaalinspectie, kan het in beweging houden van het object aanzienlijk sneller en efficiënter zijn dan het stoppen van de beweging voor elke opgenomen afbeelding. Bij area-scancamera's kan dit echter een uitdaging vormen als het object ten opzichte van de camera beweegt.
Bewegingsonscherpte die een afbeelding van een bewegend voertuig vervormt
In situaties met beperkte verlichting of waar hoge beeldkwaliteit vereist is, kan een lange belichtingstijd wenselijk zijn. De beweging van het onderwerp verspreidt het licht echter over meerdere camerapixels tijdens de belichting, wat leidt tot 'bewegingsonscherpte'. Dit kan worden geminimaliseerd door de belichtingstijd zeer kort te houden – korter dan de tijd die een punt op het onderwerp nodig zou hebben om een camerapixel te passeren. Dit is deunmeestal ten koste van donkere, ruisige en vaak onbruikbare beelden.
●Stikken
Bovendien vereist het vastleggen van grote of continu-beelden met area scan camera's doorgaans het maken van meerdere beelden, die vervolgens aan elkaar worden geplakt. Dit samenvoegen vereist overlappende pixels tussen aangrenzende beelden, wat de efficiëntie vermindert en de eisen voor gegevensopslag en -verwerking verhoogt.
●Ongelijkmatige verlichting
Bovendien zal de belichting zelden gelijkmatig genoeg zijn om problemen en artefacten aan de randen tussen samengevoegde beelden te voorkomen. Om een voldoende groot oppervlak te belichten voor de area-scancamera met voldoende intensiteit, zijn vaak krachtige, dure DC-lichtbronnen nodig.
Ongelijkmatige belichting bij het aan elkaar plakken van meerdere beelden van de hersenen van een muis. Afbeelding van Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Wat is een TDI-camera en hoe helpt het?
Bij conventionele 2D-camera's met areascan worden drie fasen in het beeld vastgelegd: pixelreset, belichting en uitlezing. Tijdens de belichting worden fotonen van de scène gedetecteerd, wat resulteert in foto-elektronen. Deze worden tot het einde van de belichting in de camerapixels opgeslagen. De waarden van elke pixel worden vervolgens uitgelezen en er wordt een 2D-beeld gevormd. De pixels worden vervolgens gereset en alle ladingen worden verwijderd om de volgende belichting te starten.
Zoals gezegd kan het licht van het onderwerp zich echter over meerdere pixels verspreiden als het onderwerp ten opzichte van de camera beweegt, wat leidt tot bewegingsonscherpte. TDI-camera's overwinnen deze beperking met een innovatieve techniek. Dit wordt gedemonstreerd in [Animatie 1].
●Hoe TDI-camera's werken
TDI-camera's werken fundamenteel anders dan area scan-camera's. Terwijl het onderwerp tijdens de belichting over de camera beweegt, worden de elektronische ladingen waaruit het opgenomen beeld bestaat, ook verplaatst, zodat ze synchroon blijven. Tijdens de belichting kunnen TDI-camera's alle opgenomen ladingen van de ene rij pixels naar de volgende verplaatsen, langs de camera, synchroon met de beweging van het onderwerp. Terwijl het onderwerp over de camera beweegt, biedt elke rij (ook wel een 'TDI Stage' genoemd) een nieuwe kans om de camera op het onderwerp te belichten en signaal te verzamelen.
Zodra een rij opgenomen ladingen het einde van de camera bereikt, worden de waarden pas uitgelezen en opgeslagen als een 1-dimensionale snede van de afbeelding. Het 2D-beeld wordt gevormd door opeenvolgende snedes van de afbeelding aan elkaar te plakken terwijl de camera ze leest. Elke rij pixels in de resulterende afbeelding volgt en beeldt dezelfde 'snede' van het afgebeelde onderwerp af, wat betekent dat er ondanks de beweging geen onscherpte is.
●256x langere belichting
Bij TDI-camera's wordt de effectieve belichtingstijd van het beeld bepaald door de totale tijd die een punt op het onderwerp nodig heeft om elke rij pixels te doorlopen. Sommige TDI-camera's beschikken over maximaal 256 niveaus. Dit betekent dat de beschikbare belichtingstijd effectief 256 keer groter is dan wat een area-scancamera zou kunnen bereiken.
Dit kan twee verbeteringen opleveren, of een combinatie van beide. Ten eerste kan een aanzienlijke verbetering in de beeldsnelheid worden bereikt. Vergeleken met een area scan camera kan het te fotograferen onderwerp tot 256x sneller bewegen en toch dezelfde hoeveelheid signaal vastleggen, mits de lijnsnelheid van de camera snel genoeg is om dit bij te houden.
Als er daarentegen een hogere gevoeligheid nodig is, kan de langere belichtingstijd leiden tot afbeeldingen van veel hogere kwaliteit, een lagere verlichtingsintensiteit of beide.
●Grote datadoorvoer zonder samenvoeging
Omdat de TDI-camera een tweedimensionaal beeld produceert uit opeenvolgende eendimensionale slices, kan het resulterende beeld zo groot zijn als nodig is. Terwijl het aantal pixels in de 'horizontale' richting wordt bepaald door de breedte van de camera, bijvoorbeeld 9072 pixels, is de 'verticale' grootte van het beeld onbeperkt en wordt deze eenvoudigweg bepaald door hoe lang de camera draait. Met lijnsnelheden tot 510 kHz kan dit een enorme datadoorvoer opleveren.
In combinatie hiermee kunnen TDI-camera's zeer brede beeldvelden bieden. Een camera met 9072 pixels en 5 µm pixels biedt bijvoorbeeld een horizontaal beeldveld van 45 mm met een hoge resolutie. Om dezelfde beeldbreedte te bereiken met een camera met een pixeloppervlak van 5 µm, zijn maximaal drie 4K-camera's naast elkaar nodig.
●Verbeteringen ten opzichte van lijnscancamera's
TDI-camera's bieden niet alleen verbeteringen ten opzichte van area scan-camera's. Line scan-camera's, die slechts één pixellijn vastleggen, kampen ook met veel van dezelfde problemen met belichtingsintensiteit en korte belichtingstijden als area scan-camera's.
Hoewel linescancamera's, net als TDI-camera's, een gelijkmatigere belichting bieden met een eenvoudigere opstelling en het samenvoegen van beelden overbodig maken, vereisen ze vaak zeer intense belichting en/of langzame bewegingen van het onderwerp om voldoende signaal vast te leggen voor een beeld van hoge kwaliteit. De langere belichtingstijden en hogere onderwerpsnelheden die TDI-camera's mogelijk maken, betekenen dat er verlichting met een lagere intensiteit en lagere kosten kan worden gebruikt, terwijl de beeldefficiëntie wordt verbeterd. Zo kan een productielijn bijvoorbeeld overstappen van dure halogeenlampen met een hoog stroomverbruik die gelijkstroom nodig hebben, naar ledverlichting.
Hoe werken TDI-camera's?
Er zijn drie algemene normen voor het realiseren van TDI-beelden op een camerasensor.
● CCD TDI– CCD-camera's zijn de oudste vorm van digitale camera's. Dankzij hun elektronische ontwerp is het bereiken van TDI-gedrag op een CCD relatief eenvoudig, aangezien veel camerasensoren inherent in staat zijn om op deze manier te werken. TDI-CCD's worden daarom al tientallen jaren gebruikt.
CCD-technologie kent echter zijn beperkingen. De kleinste pixelgrootte die doorgaans beschikbaar is voor CCD TDI-camera's is ongeveer 12 µm x 12 µm – dit, samen met het kleine aantal pixels, beperkt de mogelijkheden van de camera's om fijne details te herkennen. Bovendien is de acquisitiesnelheid lager dan bij andere technologieën, terwijl de leesruis – een belangrijke beperkende factor bij opnamen bij weinig licht – hoog is. Het stroomverbruik is ook hoog, wat in sommige toepassingen een belangrijke factor is. Dit leidde tot de wens om TDI-camera's te ontwikkelen op basis van CMOS-architectuur.
●Vroege CMOS TDI: spanningsdomein en digitale sommatie
CMOS-camera's overwinnen veel van de ruis- en snelheidsbeperkingen van CCD-camera's, terwijl ze minder stroom verbruiken en kleinere pixelgroottes bieden. TDI-gedrag was echter veel moeilijker te bereiken op CMOS-camera's vanwege hun pixelontwerp. Terwijl CCD's foto-elektronen fysiek van pixel naar pixel verplaatsen om de sensor te beheren, zetten CMOS-camera's signalen in foto-elektronen om in spanningen in elke pixel voordat ze worden uitgelezen.
Het TDI-gedrag op een CMOS-sensor wordt al sinds 2001 onderzocht, maar de uitdaging om de 'accumulatie' van signalen te verwerken naarmate de belichting van de ene rij naar de volgende beweegt, was aanzienlijk. Twee vroege methoden voor CMOS TDI die nog steeds in commerciële camera's worden gebruikt, zijn accumulatie in het spanningsdomein en digitale sommatie van TDI CMOS. Bij camera's met accumulatie in het spanningsdomein wordt de verkregen spanning elektronisch toegevoegd aan de totale acquisitie voor dat deel van de afbeelding, terwijl elke rij signalen wordt opgenomen terwijl het afgebeelde onderwerp voorbij beweegt. Het op deze manier accumuleren van spanningen introduceert extra ruis voor elke extra TDI-trap die wordt toegevoegd, waardoor de voordelen van extra trappen worden beperkt. Problemen met lineariteit vormen ook een uitdaging voor het gebruik van deze camera's voor nauwkeurige toepassingen.
De tweede methode is digitale optelling van TDI. Bij deze methode werkt een CMOS-camera effectief in area scan-modus met een zeer korte belichtingstijd, afgestemd op de tijd die het te fotograferen onderwerp nodig heeft om over een enkele rij pixels te bewegen. De rijen van elk opeenvolgend frame worden echter digitaal opgeteld, zodat een TDI-effect ontstaat. Omdat de hele camera voor elke rij pixels in het resulterende beeld moet worden uitgelezen, voegt deze digitale optelling ook de leesruis voor elke rij toe en beperkt dit de acquisitiesnelheid.
●De moderne standaard: charge-domain TDI CMOS, of CCD-on-CMOS TDI
De beperkingen van CMOS TDI zijn recentelijk overwonnen door de introductie van ladingsdomeinaccumulatie TDI CMOS, ook bekend als CCD-op-CMOS TDI. De werking van deze sensoren wordt gedemonstreerd in [Animatie 1]. Zoals de naam al aangeeft, bieden deze sensoren de CCD-achtige beweging van ladingen van de ene pixel naar de volgende, waarbij signalen in elke TDI-fase worden geaccumuleerd door de toevoeging van foto-elektronen op het niveau van individuele ladingen. Dit is in feite ruisvrij. De beperkingen van CCD TDI worden echter overwonnen door het gebruik van een CMOS-uitleesarchitectuur, die de hoge snelheden, lage ruis en het lage stroomverbruik mogelijk maakt die kenmerkend zijn voor CMOS-camera's.
TDI-specificaties: wat is belangrijk?
●Technologie:De belangrijkste factor is welke sensortechnologie wordt gebruikt, zoals hierboven besproken. Charge-domain CMOS TDI levert de beste prestaties.
●TDI-fasen:Dit is het aantal rijen van de sensor waarover signaal kan worden verzameld. Hoe meer TDI-trappen een camera heeft, hoe langer de effectieve belichtingstijd kan zijn. Of hoe sneller het te fotograferen onderwerp kan bewegen, mits de camera voldoende lijnsnelheid heeft.
●Lijntarief:Hoeveel rijen de camera per seconde kan lezen. Dit bepaalt de maximale bewegingssnelheid die de camera kan bijhouden.
●Kwantumefficiëntie: Dit geeft de gevoeligheid van de camera voor licht op verschillende golflengten aan, gebaseerd op de waarschijnlijkheid dat een invallend foton wordt gedetecteerd en een foto-elektron produceert. Een hogere kwantumefficiëntie kan een lagere belichtingssterkte of snellere werking bieden bij behoud van dezelfde signaalsterktes.
Bovendien verschillen camera's in het golflengtebereik waarin een goede gevoeligheid kan worden bereikt. Sommige camera's bieden zelfs een gevoeligheid tot aan het ultraviolette (UV) einde van het spectrum, bij een golflengte van ongeveer 200 nm.
●Leesruis:Leesruis is een andere belangrijke factor in de gevoeligheid van een camera en bepaalt het minimale signaal dat boven de ruisdrempel van de camera kan worden gedetecteerd. Bij hoge leesruis kunnen donkere objecten niet worden gedetecteerd en wordt het dynamische bereik aanzienlijk beperkt. Dit betekent dat er helderdere belichting of langere belichtingstijden en lagere bewegingssnelheden moeten worden gebruikt.
TDI-specificaties: wat is belangrijk?
Momenteel worden TDI-camera's gebruikt voor webinspectie, elektronica- en productie-inspectie, en andere machine vision-toepassingen. Daarnaast zijn er uitdagende toepassingen bij weinig licht, zoals fluorescentiebeeldvorming en het scannen van objectglaasjes.
Met de introductie van snelle, ruisarme en zeer gevoelige TDI CMOS-camera's is er echter een groot potentieel voor snelheids- en efficiëntieverbeteringen in nieuwe toepassingen die voorheen alleen area-scancamera's gebruikten. Zoals we aan het begin van dit artikel al aangaven, zijn TDI-camera's mogelijk de beste keuze voor het bereiken van hoge snelheden en een hoge beeldkwaliteit, zowel voor het vastleggen van onderwerpen die al constant in beweging zijn, als voor het scannen van stilstaande onderwerpen.
In een microscopietoepassing zouden we bijvoorbeeld de theoretische acquisitiesnelheid van een 9K-pixel, 256-stage TDI-camera met 5 µm pixels kunnen vergelijken met een 12MP Area Scan-camera met 5 µm pixels. Laten we eens kijken naar het verkrijgen van een gebied van 10 x 10 mm met een 20x vergroting door de stage te verplaatsen.
1. Als u een 20x-objectief gebruikt met de area scan-camera, krijgt u een beeldveld van 1,02 x 0,77 mm.
2. Met de TDI-camera kan een 10x-objectief met een 2x extra vergroting worden gebruikt om eventuele beperkingen in het gezichtsveld van de microscoop te overwinnen en een horizontaal beeldveld van 2,3 mm te verkrijgen.
3. Uitgaande van 2% pixeloverlap tussen afbeeldingen voor het samenvoegen, 0,5 seconde om het platform naar een bepaalde locatie te verplaatsen en een belichtingstijd van 10 ms, kunnen we de tijd berekenen die de area scan camera nodig zou hebben. Op dezelfde manier kunnen we de tijd berekenen die de TDI-camera nodig zou hebben als het platform constant in beweging zou blijven om in de Y-richting te scannen, met dezelfde belichtingstijd per lijn.
4. In dit geval zou de area scan camera 140 beelden nodig hebben om te verkrijgen, met 63 seconden om het platform te verplaatsen. De TDI-camera zou slechts 5 lange beelden verkrijgen, met slechts 2 seconden om het platform naar de volgende kolom te verplaatsen.
5. De totale tijd die besteed wordt aan het verkrijgen van het 10 x 10 mm gebied zou zijn:64,4 seconden voor de gebiedsscancamera,en gewoon9,9 seconden voor de TDI-camera.
Wilt u weten of een TDI-camera geschikt is voor uw toepassing en behoeften? Neem dan vandaag nog contact met ons op.
