13-07-2022Time Delay Integration (TDI) is een beeldtechniek die dateert van vóór de digitale beeldvorming, maar die nog steeds enorme voordelen biedt in de hedendaagse beeldverwerking. Er zijn twee situaties waarin TDI-camera's uitblinken: beide wanneer het onderwerp in beweging is.
1 – Het te scannen object is inherent in beweging met een constante snelheid, zoals bij webinspectie (bijvoorbeeld het scannen van bewegende vellen papier, plastic of textiel op defecten en beschadigingen), assemblagelijnen of microfluidica en vloeistofstromen.
2 – Statische beeldvormingsobjecten die kunnen worden vastgelegd door een camera die van de ene naar de andere plek wordt verplaatst, door het object of de camera te bewegen. Voorbeelden zijn het scannen van microscoopglaasjes, materiaalinspectie, inspectie van vlakke beeldschermen, enz.
Als een van deze omstandigheden van toepassing kan zijn op uw beeldvorming, helpt deze webpagina u te overwegen of een overstap van conventionele 2-dimensionale 'area scan'-camera's naar Line Scan TDI-camera's uw beeldvorming zou kunnen verbeteren.
Het probleem met gebiedsscans en bewegende doelen
● Bewegingsonscherpte
Sommige objecten die gefotografeerd worden, moeten noodzakelijkerwijs in beweging zijn, bijvoorbeeld bij vloeistofstroming of webinspectie. Bij andere toepassingen, zoals het scannen van objectglaasjes en materiaalinspectie, kan het aanzienlijk sneller en efficiënter zijn om het object in beweging te houden dan de beweging voor elke opname stil te zetten. Voor area-scan camera's kan dit echter een uitdaging vormen als het object ten opzichte van de camera beweegt.
Bewegingsonscherpte die een beeld van een bewegend voertuig vervormt.
In situaties met beperkte verlichting of waar een hoge beeldkwaliteit vereist is, kan een lange belichtingstijd van de camera gewenst 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 heeft om een camerapixel te doorlopen. Dit is deunmeestal ten koste van donkere, ruisende en vaak onbruikbare beelden.
●Naaien
Bovendien vereist het vastleggen van grote of continu bewegende objecten met behulp van area-scan camera's doorgaans de acquisitie van meerdere beelden, die vervolgens aan elkaar worden geplakt. Dit aan elkaar plakken vereist overlappende pixels tussen aangrenzende beelden, wat de efficiëntie vermindert en de eisen aan gegevensopslag en -verwerking verhoogt.
●Ongelijkmatige verlichting
Bovendien is de belichting zelden gelijkmatig genoeg om problemen en artefacten aan de randen tussen de samengevoegde beelden te voorkomen. Om een voldoende groot gebied voor de area-scan camera met voldoende intensiteit te verlichten, zijn vaak krachtige en kostbare gelijkstroomlichtbronnen nodig.
Ongelijkmatige belichting bij het samenvoegen van meerdere beelden van een muizenbrein. Afbeelding van Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Wat is een TDI-camera en hoe helpt die?
Bij conventionele 2D-vlakscancamera's zijn er drie fasen in het vastleggen van een beeld: pixelreset, belichting en uitlezing. Tijdens de belichting worden fotonen uit de scène gedetecteerd, wat resulteert in foto-elektronen die in de camerapixels worden opgeslagen tot het einde van de belichting. De waarden van elke pixel worden vervolgens uitgelezen en er wordt een 2D-beeld gevormd. De pixels worden daarna gereset en alle ladingen worden verwijderd om de volgende belichting te starten.
Zoals eerder vermeld, kan het licht van het onderwerp dat wordt gefotografeerd, zich tijdens de belichting over meerdere pixels verspreiden als het onderwerp ten opzichte van de camera beweegt, wat tot bewegingsonscherpte leidt. TDI-camera's ondervangen deze beperking met behulp van een innovatieve techniek. Dit wordt gedemonstreerd in [Animatie 1].
●Hoe TDI-camera's werken
TDI-camera's werken op een fundamenteel andere manier dan area-scancamera's. Terwijl het te fotograferen object zich tijdens de belichting over de camera beweegt, bewegen de elektronische ladingen waaruit het beeld is opgebouwd ook mee, synchroon met de beweging van het object. Tijdens de belichting kunnen TDI-camera's alle verzamelde ladingen van de ene pixelrij naar de volgende verplaatsen, synchroon met de beweging van het object. Elke rij (een zogenaamde 'TDI-stage') biedt een nieuwe mogelijkheid om het object aan de camera te tonen en signaal te verzamelen.
Zodra een reeks gemeten ladingen het einde van de camera bereikt, worden de waarden pas uitgelezen en opgeslagen als een eendimensionale doorsnede van het beeld. Het tweedimensionale beeld wordt gevormd door elke opeenvolgende doorsnede van het beeld aan elkaar te plakken, naarmate de camera deze uitleest. Elke rij pixels in het resulterende beeld volgt en beeldt dezelfde 'doorsnede' van het onderwerp af, waardoor er ondanks de beweging geen onscherpte ontstaat.
●256x langere belichtingstijd
Bij TDI-camera's wordt de effectieve belichtingstijd van de afbeelding bepaald door de totale tijd die een punt op het onderwerp nodig heeft om elke rij pixels te doorlopen, met tot wel 256 stappen beschikbaar op sommige TDI-camera's. Dit betekent dat de beschikbare belichtingstijd effectief 256 keer langer is dan wat een area-scan camera zou kunnen bereiken.
Dit kan leiden tot twee verbeteringen, of een combinatie van beide. Ten eerste kan de beeldvormingssnelheid aanzienlijk worden verhoogd. In vergelijking met een area-scan camera kan het te fotograferen object tot wel 256 keer sneller bewegen, terwijl dezelfde hoeveelheid signaal wordt vastgelegd, mits de beeldsnelheid van de camera hoog genoeg is.
Aan de andere kant, als een hogere gevoeligheid vereist is, kan een langere belichtingstijd beelden van veel hogere kwaliteit, een lagere lichtintensiteit, of beide mogelijk maken.
●Grote gegevensdoorvoer zonder samenvoeging
Omdat de TDI-camera een tweedimensionaal beeld produceert uit opeenvolgende eendimensionale plakken, kan het resulterende beeld zo groot zijn als nodig. 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 de gebruiksduur van de camera. Met lijnsnelheden tot 510 kHz kan dit een enorme datadoorvoer opleveren.
In combinatie hiermee kunnen TDI-camera's een zeer breed gezichtsveld bieden. Een camera met 9072 pixels en een pixelgrootte van 5 µm biedt bijvoorbeeld een horizontaal gezichtsveld van 45 mm met een hoge resolutie. Om dezelfde beeldbreedte te bereiken met een area scan camera met 5 µm pixels, zouden tot drie 4K-camera's naast elkaar nodig zijn.
●Verbeteringen ten opzichte van lijnscancamera's
TDI-camera's bieden niet alleen verbeteringen ten opzichte van area-scancamera's. Line-scancamera's, die slechts één rij pixels vastleggen, kampen ook met veel van dezelfde problemen met lichtintensiteit en korte belichtingstijden als area-scancamera's.
Hoewel lijnscancamera's, net als TDI-camera's, een gelijkmatigere belichting bieden met een eenvoudigere installatie en het samenvoegen van beelden overbodig maken, vereisen ze vaak een zeer intense belichting en/of langzame bewegingen van het onderwerp om voldoende signaal vast te leggen voor een hoogwaardige afbeelding. De langere belichtingstijden en hogere bewegingssnelheden die TDI-camera's mogelijk maken, betekenen dat er gebruik kan worden gemaakt van verlichting met een lagere intensiteit en lagere kosten, terwijl de beeldkwaliteit verbetert. Zo kan een productielijn bijvoorbeeld overstappen van dure halogeenlampen met een hoog stroomverbruik die gelijkstroom vereisen, naar ledverlichting.
Hoe werken TDI-camera's?
Er zijn drie gangbare standaarden voor het realiseren van TDI-beeldvorming op een camerasensor.
● CCD TDICCD-camera's zijn de oudste generatie digitale camera's. Dankzij hun elektronische ontwerp is het relatief eenvoudig om TDI-gedrag op een CCD te realiseren, en veel camerasensoren zijn van nature in staat 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 gangbaar is voor CCD TDI-camera's is ongeveer 12 µm x 12 µm. Dit, samen met het lage aantal pixels, beperkt het vermogen van de camera's om fijne details vast te leggen. Bovendien is de opnamesnelheid lager dan bij andere technologieën, terwijl de uitleesruis – een belangrijke beperkende factor bij beeldvorming in weinig licht – hoog is. Ook het stroomverbruik is 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 optelling
CMOS-camera's overwinnen veel van de ruis- en snelheidsbeperkingen van CCD-camera's, terwijl ze minder stroom verbruiken en kleinere pixelgroottes bieden. Het bereiken van TDI-gedrag was echter veel moeilijker met CMOS-camera's vanwege hun pixelontwerp. Terwijl CCD's fysiek foto-elektronen 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 het signaal tijdens de belichting van de ene rij naar de volgende te beheersen, was aanzienlijk. Twee vroege methoden voor CMOS TDI die nog steeds in commerciële camera's worden gebruikt, zijn spanningsdomeinaccumulatie en digitale sommatie-TDI CMOS. Bij camera's met spanningsdomeinaccumulatie wordt, naarmate elke rij van het signaal wordt vastgelegd terwijl het onderwerp beweegt, de vastgelegde spanning elektronisch opgeteld bij de totale acquisitie voor dat deel van het beeld. Het accumuleren van spanningen op deze manier introduceert extra ruis voor elke extra TDI-trap die wordt toegevoegd, waardoor de voordelen van extra trappen beperkt worden. Problemen met lineariteit vormen ook een uitdaging voor het gebruik van deze camera's voor precisietoepassingen.
De tweede methode is digitale summing TDI. Bij deze methode werkt een CMOS-camera in feite in de gebiedsscanmodus met een zeer korte belichtingstijd, afgestemd op de tijd die het onderwerp nodig heeft om zich over één rij pixels te bewegen. De rijen van elk opeenvolgend frame worden echter digitaal bij elkaar opgeteld, waardoor een TDI-effect ontstaat. Omdat de hele camera moet worden uitgelezen voor elke rij pixels in de resulterende afbeelding, voegt deze digitale optelling ook de uitleesruis voor elke rij toe, wat de acquisitiesnelheid beperkt.
●De moderne standaard: charge-domain TDI CMOS, oftewel CCD-on-CMOS TDI
De beperkingen van CMOS TDI zoals hierboven beschreven, zijn recentelijk overwonnen door de introductie van charge-domain accumulation TDI CMOS, ook wel bekend als CCD-on-CMOS TDI. De werking van deze sensoren wordt gedemonstreerd in [Animatie 1]. Zoals de naam al aangeeft, bieden deze sensoren een CCD-achtige beweging van ladingen van de ene pixel naar de volgende, waarbij het signaal in elke TDI-fase wordt 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, waardoor de hoge snelheden, lage ruis en het lage stroomverbruik mogelijk zijn die kenmerkend zijn voor CMOS-camera's.
TDI-specificaties: wat is belangrijk?
●Technologie:De belangrijkste factor is de gebruikte sensortechnologie, 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 geaccumuleerd. 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 een voldoende hoge lijnsnelheid heeft.
●Lijntarief:Het aantal rijen dat de camera per seconde kan lezen. Dit bepaalt de maximale bewegingssnelheid waarmee de camera kan meekomen.
●KwantumrendementDit geeft de gevoeligheid van de camera voor licht van verschillende golflengten aan, uitgedrukt als de waarschijnlijkheid dat een invallend foton wordt gedetecteerd en een foto-elektron produceert. Een hogere kwantumrendement kan een lagere lichtsterkte of een snellere werking mogelijk maken met behoud van dezelfde signaalniveaus.
Daarnaast verschillen camera's in het golflengtebereik waarin een goede gevoeligheid kan worden bereikt, waarbij sommige camera's een gevoeligheid bieden tot aan het ultraviolette (UV) uiteinde van het spectrum, bij een golflengte van ongeveer 200 nm.
●Lees Noise:De uitleesruis is de andere belangrijke factor in de gevoeligheid van een camera. Deze bepaalt het minimale signaal dat boven de ruisvloer van de camera kan worden gedetecteerd. Bij een hoge uitleesruis kunnen donkere details niet worden gedetecteerd en wordt het dynamisch bereik sterk beperkt. Dit betekent dat er helderdere verlichting, langere belichtingstijden of lagere bewegingssnelheden moeten worden gebruikt.
TDI-specificaties: wat is belangrijk?
Momenteel worden TDI-camera's gebruikt voor webinspectie, inspectie van elektronica en productieprocessen, en andere machinevisietoepassingen. Daarnaast worden ze ingezet voor veeleisende 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 efficiëntieverhogingen in nieuwe toepassingen die voorheen alleen gebruik maakten van area-scan camera's. Zoals we aan het begin van het 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 objecten die constant in beweging zijn, als voor situaties waarin de camera over statische objecten kan worden bewogen.
In een microscopietoepassing zouden we bijvoorbeeld de theoretische opnamesnelheid van een 9K-pixel, 256-stage TDI-camera met 5 µm-pixels kunnen vergelijken met die van een 12MP-camera met area scan en 5 µm-pixels. Laten we eens kijken naar het vastleggen van een gebied van 10 x 10 mm met een vergroting van 20x door de tafel te bewegen.
1. Het gebruik van een 20x objectief met de area scan camera zou een beeldveld van 1,02 x 0,77 mm opleveren.
2. Met de TDI-camera kan een 10x objectief met een extra 2x vergroting worden gebruikt om eventuele beperkingen in het gezichtsveld van de microscoop te compenseren en een horizontaal beeldveld van 2,3 mm te verkrijgen.
3. Uitgaande van een pixeloverlap van 2% tussen de beelden voor het samenvoegen, 0,5 seconden om het platform naar een vaste locatie te verplaatsen en een belichtingstijd van 10 ms, kunnen we de tijd berekenen die de area scan camera nodig heeft. Op dezelfde manier kunnen we de tijd berekenen die de TDI camera nodig heeft als het platform constant in beweging wordt gehouden 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, waarbij 63 seconden nodig zijn om het podium te verplaatsen. De TDI-camera zou slechts 5 lange beelden vastleggen, waarbij slechts 2 seconden nodig zijn om het podium naar de volgende kolom te verplaatsen.
5. De totale tijd die nodig is om het gebied van 10 x 10 mm te verkrijgen, zou zijn64,4 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 aan uw behoeften voldoet? Neem dan vandaag nog contact met ons op.
