22/07/13Time Delay Integration (TDI) er en bildebehandlingsteknikk som er eldre enn digital bildebehandling – men som fortsatt gir enorme fordeler i den nyeste bildebehandlingen i dag. Det er to omstendigheter der TDI-kameraer kan skinne – begge når motivet er i bevegelse:
1 – Det avbildede motivet er iboende i bevegelse med konstant hastighet, som ved nettinspeksjon (som å skanne bevegelige ark, plast eller stoff for defekter og skader), samlebånd eller mikrofluidikk og væskestrømmer.
2 – Statisk avbildning av motiver som kan avbildes av et kamera som flyttes fra område til område, enten ved å bevege motivet eller kameraet. Eksempler inkluderer skanning av objektglass, materialinspeksjon, inspeksjon av flatskjerm osv.
Hvis en av disse omstendighetene kan gjelde for bildebehandlingen din, vil denne nettsiden hjelpe deg med å vurdere om et bytte fra konvensjonelle todimensjonale «områdeskannings»-kameraer til linjeskannings-TDI-kameraer kan gi bildebehandlingen din et løft.
Problemet med områdeskanning og bevegelige mål
● Bevegelsesuskarphet
Noen avbildningsmotiver er i bevegelse av nødvendighet, for eksempel ved væskestrømnings- eller nettinspeksjon. I andre bruksområder, som lysbildeskanning og materialinspeksjon, kan det være betydelig raskere og mer effektivt å holde motivet i bevegelse enn å stoppe bevegelsen for hvert innhentede bilde. For områdeskanningskameraer kan dette imidlertid være en utfordring hvis motivet er i bevegelse i forhold til kameraet.
Bevegelsesuskarphet som forvrenger et bilde av et kjøretøy i bevegelse
I situasjoner med begrenset belysning eller der høy bildekvalitet er nødvendig, kan det være ønskelig med lang kameraeksponeringstid. Imidlertid vil motivets bevegelse spre lyset over flere kamerapiksler under eksponeringen, noe som fører til «bevegelsesuskarphet». Dette kan minimeres ved å holde eksponeringene svært korte – under tiden det ville ta for et punkt på motivet å passere en kamerapiksel. Dette erunvanligvis på bekostning av mørke, støyende og ofte ubrukelige bilder.
●Søm
I tillegg krever avbildning av store eller kontinuerlige avbildningsobjekter med områdeskanningskameraer vanligvis opptak av flere bilder, som deretter sys sammen. Denne sammenføyningen krever overlappende piksler mellom nærliggende bilder, noe som reduserer effektiviteten og øker kravene til datalagring og -behandling.
●Ujevn belysning
Dessuten vil belysningen sjelden være jevn nok til å unngå problemer og artefakter i grensene mellom sammenføyde bilder. For å gi belysning over et stort nok område for områdeskanningskameraet med tilstrekkelig intensitet, kreves det ofte bruk av kraftige og kostbare likestrømslyskilder.
Ujevn belysning i søm av et flerbildeopptak av en musehjerne. Bilde fra Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Hva er et TDI-kamera, og hvordan hjelper det?
I konvensjonelle todimensjonale områdeskanningskameraer er det tre faser i bildeopptaket: pikseltilbakestilling, eksponering og avlesning. Under eksponeringen detekteres fotoner fra motivet, noe som resulterer i fotoelektroner, som lagres i kameraets piksler frem til slutten av eksponeringen. Verdiene fra hver piksel leses deretter ut, og et 2D-bilde dannes. Pikslene tilbakestilles deretter, og alle ladninger fjernes for å starte neste eksponering.
Men som nevnt, hvis motivet beveger seg i forhold til kameraet, kan lyset fra motivet spre seg over flere piksler under denne eksponeringen, noe som fører til bevegelsesuskarphet. TDI-kameraer overvinner denne begrensningen ved hjelp av en innovativ teknikk. Dette demonstreres i [Animasjon 1].
●Hvordan TDI-kameraer fungerer
TDI-kameraer fungerer fundamentalt annerledes enn områdeskanningskameraer. Når motivet beveger seg over kameraet under eksponeringen, flyttes også de elektroniske ladningene som utgjør det innhentede bildet, slik at de forblir synkroniserte. Under eksponeringen kan TDI-kameraer omstokke alle innhentede ladninger fra én rad med piksler til den neste, langs kameraet, synkronisert med bevegelsen til motivet. Når motivet beveger seg over kameraet, gir hver rad (kjent som et «TDI-trinn») en ny mulighet til å eksponere kameraet for motivet og akkumulere signal.
Når en rad med innhentede ladninger når enden av kameraet, blir verdiene først lest ut og lagret som et endimensjonalt utsnitt av bildet. Det todimensjonale bildet dannes ved å lime sammen hvert påfølgende utsnitt av bildet mens kameraet leser dem. Hver rad med piksler i det resulterende bildet sporer og avbilder det samme «utsnittet» av motivet, noe som betyr at det ikke er uskarpt til tross for bevegelsen.
●256 ganger lengre eksponering
Med TDI-kameraer er den effektive eksponeringstiden for bildet gitt av hele tiden det tar for et punkt på motivet å krysse hver rad med piksler, med opptil 256 trinn tilgjengelig på noen TDI-kameraer. Dette betyr at den tilgjengelige eksponeringstiden effektivt er 256 ganger større enn et områdeskanningskamera kunne oppnå.
Dette kan gi enten to forbedringer, eller en balanse mellom begge. For det første kan man oppnå en betydelig økning i bildehastigheten. Sammenlignet med et områdeskanningskamera kan motivet bevege seg opptil 256 ganger raskere samtidig som det fanger opp samme mengde signal, forutsatt at kameraets linjehastighet er rask nok til å holde tritt.
På den annen side, hvis større følsomhet er nødvendig, kan den lengre eksponeringstiden muliggjøre bilder av mye høyere kvalitet, lavere lysintensitet eller begge deler.
●Stor datagjennomstrømning uten søm
Siden TDI-kameraet produserer et todimensjonalt bilde fra påfølgende 1-dimensjonale snitt, kan det resulterende bildet være så stort som nødvendig. Mens antall piksler i den «horisontale» retningen er gitt av kameraets bredde, for eksempel 9072 piksler, er den «vertikale» størrelsen på bildet ubegrenset og bestemmes ganske enkelt av hvor lenge kameraet kjører. Med linjehastigheter på opptil 510 kHz kan dette levere massiv datagjennomstrømning.
Kombinert med dette kan TDI-kameraer tilby svært brede synsfelt. For eksempel gir et 9072 pikslers kamera med 5 µm piksler et horisontalt synsfelt på 45 mm med høy oppløsning. For å oppnå samme bildebredde med et skannekamera med 5 µm pikselareal, kreves det opptil tre 4K-kameraer side om side.
●Forbedringer i forhold til linjeskanningskameraer
TDI-kameraer tilbyr ikke bare forbedringer i forhold til områdeskanningskameraer. Linjeskanningskameraer, som bare fanger opp én linje med piksler, lider også av mange av de samme problemene med lysintensitet og korte eksponeringer som områdeskanningskameraer.
Selv om linjeskanningskameraer, i likhet med TDI-kameraer, tilbyr jevnere belysning med et enklere oppsett, og unngår behovet for bildesammenføyning, kan de ofte kreve svært intens belysning og/eller langsom motivbevegelse for å fange opp nok signal til et bilde av høy kvalitet. De lengre eksponeringene og raskere motivhastighetene som TDI-kameraer muliggjør, betyr at lavere intensitet og rimeligere belysning kan brukes samtidig som bildeeffektiviteten forbedres. For eksempel kan en produksjonslinje gå over fra dyre halogenlamper med høyt strømforbruk som krever likestrøm, til LED-belysning.
Hvordan fungerer TDI-kameraer?
Det finnes tre vanlige standarder for hvordan man oppnår TDI-avbildning på en kamerasensor.
● CCD TDI– CCD-kameraer er den eldste typen digitalkameraer. På grunn av deres elektroniske design er det relativt enkelt å oppnå TDI-oppførsel på en CCD, med mange kamerasensorer som iboende kan fungere på denne måten. TDI CCD-er har derfor vært i bruk i flere tiår.
CCD-teknologi har imidlertid sine begrensninger. Den minste pikselstørrelsen som vanligvis er tilgjengelig for CCD TDI-kameraer er rundt 12 µm x 12 µm – dette, sammen med lave pikseltall, begrenser kameraenes evne til å løse opp fine detaljer. Dessuten er innhentingshastigheten lavere enn andre teknologier, mens lesestøy – en viktig begrensende faktor ved avbildning i svakt lys – er høy. Strømforbruket er også høyt, noe som er en viktig faktor i noen applikasjoner. Dette førte til ønsket om å lage TDI-kameraer basert på CMOS-arkitektur.
●Tidlig CMOS TDI: Spenningsdomene og digital summering
CMOS-kameraer overvinner mange av støy- og hastighetsbegrensningene til CCD-kameraer, samtidig som de bruker mindre strøm og tilbyr mindre pikselstørrelser. TDI-oppførsel var imidlertid mye vanskeligere å oppnå på CMOS-kameraer på grunn av pikseldesignet. Mens CCD-er fysisk flytter fotoelektroner rundt fra piksel til piksel for å styre sensoren, konverterer CMOS-kameraer signaler i fotoelektroner til spenninger i hver piksel før avlesning.
TDI-oppførselen på en CMOS-sensor har blitt utforsket siden 2001, men utfordringen med hvordan man skal håndtere «akkumulering» av signal når eksponeringen beveger seg fra en rad til den neste var betydelig. To tidlige metoder for CMOS TDI som fortsatt brukes i kommersielle kameraer i dag, er spenningsdomeneakkumulering og digital summering av TDI CMOS. I spenningsdomeneakkumuleringskameraer, når hver rad med signal innhentes når motivet beveger seg forbi, legges den innhentede spenningen elektronisk til den totale innhentingen for den delen av bildet. Akkumulering av spenninger på denne måten introduserer ekstra støy for hvert ekstra TDI-trinn som legges til, noe som begrenser fordelene med ekstra trinn. Problemer med linearitet utfordrer også bruken av disse kameraene for presise applikasjoner.
Den andre metoden er digital summering av TDI. I denne metoden kjører et CMOS-kamera effektivt i områdeskanningsmodus med en veldig kort eksponeringstid tilpasset tiden det tar for motivet å bevege seg over en enkelt rad med piksler. Men radene fra hvert påfølgende bilde legges sammen digitalt på en slik måte at det oppnås en TDI-effekt. Siden hele kameraet må leses ut for hver rad med piksler i det resulterende bildet, legger denne digitale summeringen også til lesestøyen for hver rad, og begrenser hastigheten på opptaksprosessen.
●Den moderne standarden: charge-domain TDI CMOS, eller CCD-on-CMOS TDI
Begrensningene til CMOS TDI ovenfor har nylig blitt overvunnet gjennom introduksjonen av ladningsdomeneakkumulerende TDI CMOS, også kjent som CCD-på-CMOS TDI. Virkemåten til disse sensorene er demonstrert i [Animasjon 1]. Som navnet tilsier, tilbyr disse sensorene CCD-lignende bevegelse av ladninger fra én piksel til den neste, og akkumulerer signalet i hvert TDI-trinn gjennom tilsetning av fotoelektroner på nivået av individuelle ladninger. Dette er effektivt støyfritt. Begrensningene til CCD TDI overvinnes imidlertid ved bruk av CMOS-avlesningsarkitektur, som muliggjør høye hastigheter, lav støy og lavt strømforbruk som er vanlig for CMOS-kameraer.
TDI-spesifikasjoner: hva er viktig?
●Teknologi:Den viktigste faktoren er hvilken sensorteknologi som brukes, som omtalt ovenfor. Charge-domain CMOS TDI vil levere best ytelse.
●TDI-etapper:Dette er antallet rader på sensoren som signalet kan akkumuleres over. Jo flere TDI-trinn et kamera har, desto lengre kan den effektive eksponeringstiden være. Eller desto raskere kan motivet bevege seg, forutsatt at kameraet har tilstrekkelig linjehastighet.
●Linjehastighet:Hvor mange rader kameraet kan lese per sekund. Dette bestemmer den maksimale bevegelseshastigheten kameraet kan holde tritt med.
●KvanteeffektivitetDette indikerer kameraets lysfølsomhet ved forskjellige bølgelengder, gitt av sannsynligheten for at et innfallende foton blir oppdaget og produserer et fotoelektron. Høyere kvanteeffektivitet kan gi lavere belysningsstyrke eller raskere drift samtidig som de samme signalnivåene opprettholdes.
I tillegg varierer kameraer når det gjelder bølgelengdeområdet der god følsomhet kan oppnås, og noen kameraer tilbyr følsomhet helt ned til den ultrafiolette (UV) enden av spekteret, på rundt 200 nm bølgelengde.
●Les støy:Lesestøy er den andre viktige faktoren i et kameras følsomhet, og bestemmer minimumssignalet som kan oppdages over kameraets støygulv. Med høy lesestøy kan ikke mørke elementer oppdages, og det dynamiske området reduseres kraftig, noe som betyr at man må bruke sterkere belysning eller lengre eksponeringstider og lavere bevegelseshastigheter.
TDI-spesifikasjoner: hva er viktig?
For tiden brukes TDI-kameraer til nettinspeksjon, elektronikk- og produksjonsinspeksjon, og andre maskinsynsapplikasjoner. Ved siden av dette finnes utfordrende applikasjoner i svakt lys, som fluorescensavbildning og lysbildeskanning.
Med introduksjonen av høyhastighets-, lavstøy- og høyfølsomme TDI CMOS-kameraer er det imidlertid et stort potensial for økning i hastighet og effektivitet i nye applikasjoner som tidligere bare brukte områdeskanningskameraer. Som vi introduserte i begynnelsen av artikkelen, kan TDI-kameraer være det beste valget for å oppnå høye hastigheter og høye bildekvaliteter, enten for å avbilde motiver som allerede er i konstant bevegelse, eller der kameraet kan skannes på tvers av statiske avbildningsmotiver.
I en mikroskopiapplikasjon kan vi for eksempel sammenligne den teoretiske opptakshastigheten til et 9K piksel, 256-trinns TDI-kamera med 5 µm piksler med et 12 MP kameraområdeskanningskamera med 5 µm piksler. La oss undersøke å skaffe et 10 x 10 mm område med 20x forstørrelse ved å flytte scenen.
1. Bruk av et 20x objektiv med arealskanningskameraet ville gi et synsfelt på 1,02 x 0,77 mm.
2. Med TDI-kameraet kan et 10x objektiv med 2x ekstra forstørrelse brukes til å overvinne enhver begrensning i mikroskopets synsfelt, for å levere et horisontalt synsfelt på 2,3 mm.
3. Hvis vi antar 2 % pikseloverlapping mellom bilder for sammenføyning, 0,5 sekunder for å flytte scenen til en angitt plassering og en eksponeringstid på 10 ms, kan vi beregne tiden det ville ta for områdeskanningskameraet. På samme måte kan vi beregne tiden det ville ta for TDI-kameraet hvis scenen ble holdt i konstant bevegelse for å skanne i Y-retningen, med samme eksponeringstid per linje.
4. I dette tilfellet ville områdeskanningskameraet kreve 140 bilder for å bli tatt, med 63 sekunder brukt på å flytte scenen. TDI-kameraet ville bare tatt 5 lange bilder, med bare 2 sekunder brukt på å flytte scenen til neste kolonne.
5. Den totale tiden brukt på å skaffe området på 10 x 10 mm ville være64,4 sekunder for områdeskanningskameraet,og bare9,9 sekunder for TDI-kameraet.
Hvis du vil se om et TDI-kamera kan passe til bruksområdet ditt og dekke dine behov, ta kontakt med oss i dag.
