25/08/08Innen industriell og vitenskapelig avbildning er det en konstant utfordring å fange objekter i rask bevegelse under dårlige lysforhold. Det er her Time Delay Integration (TDI)-kameraer kommer inn i bildet. TDI-teknologi kombinerer bevegelsessynkronisering og multieksponeringer for å gi eksepsjonell følsomhet og bildeklarhet, spesielt i miljøer med høy hastighet.
Hva er et TDI-kamera?
Et TDI-kamera er et spesialisert linjeskanningskamera som tar bilder av objekter i bevegelse. I motsetning til vanlige områdeskanningskameraer som eksponerer en hel ramme samtidig, flytter TDI-kameraer ladning fra én rad med piksler til den neste synkronisert med objektets bevegelse. Hver pikselrad akkumulerer lys når motivet beveger seg, noe som effektivt øker eksponeringstiden og forbedrer signalstyrken uten å introdusere bevegelsesuskarphet.
Denne ladeintegrasjonen øker signal-til-støy-forholdet (SNR) dramatisk, noe som gjør TDI-kameraer ideelle for applikasjoner med høy hastighet eller svakt lys.
Hvordan fungerer et TDI-kamera?
Virkemåten til et TDI-kamera er illustrert i figur 1.
Figur 1: Drift av TDI-sensorer (Time Delay Integration)
NOTE: TDI-kameraer flytter innsamlede ladninger over flere «stadier» synkronisert med et bevegelig motiv. Hvert stadium gir en ekstra mulighet til å bli eksponert for lys. Illustrert med en lyssterk «T» som beveger seg over et kamera, med et 5-kolonnes ganger 5-trinns segment av en TDI-sensor. Tucsen Dhyana 9KTDI med hybrid CCD-lignende ladningsbevegelse, men parallell avlesning i CMOS-lignende stil.
TDI-kameraer er i praksis linjeskanningskameraer, med én viktig forskjell: i stedet for at én rad med piksler innhenter data når kameraer skannes over et motiv, har TDI-kameraer flere rader, kjent som «stadier», opptil vanligvis 256.
Disse radene danner imidlertid ikke et todimensjonalt bilde slik som et områdeskanningskamera. I stedet, når et skannet motiv beveger seg over kamerasensoren, flyttes de detekterte fotoelektronene i hver piksel til neste rad synkronisert med motivets bevegelse, uten å bli lest ut ennå. Hver ekstra rad gir deretter en ekstra mulighet til å eksponere motivet for lys. Først når et bildesnitt når den siste raden med piksler på sensoren, sendes den raden til avlesningsarkitekturen for måling.
Til tross for at det foretas flere målinger på tvers av kameratrinnene, introduseres derfor bare én forekomst av kameralesestøy. Et 256-trinns TDI-kamera holder prøven i sikte 256 ganger lenger, og har dermed 256 ganger lengre eksponeringstid enn det tilsvarende linjeskanningskameraet. En tilsvarende eksponeringstid med et områdeskanningskamera ville gitt ekstrem bevegelsesuskarphet, noe som ville gjort bildet ubrukelig.
Når kan TDI brukes?
TDI-kameraer er en utmerket løsning for alle bildebehandlingsapplikasjoner der motivet er i bevegelse i forhold til kameraet, forutsatt at bevegelsen er jevn over hele kameraets synsfelt.
Bruksområdene for TDI-avbildning inkluderer derfor på den ene siden alle bruksområdene for linjeskanning der todimensjonale bilder dannes, samtidig som det gir høyere hastigheter, mye forbedret følsomhet for svakt lys, bedre bildekvalitet, eller alle tre samtidig. På den annen side finnes det mange avbildningsteknikker som bruker områdeskanningskameraer der TDI-kameraer kan brukes.
For høyfølsom sCMOS TDI kan «flislegging og sting»-avbildning i biologisk fluorescensmikroskopi utføres ved hjelp av en kontinuerlig skanning av scenen i stedet for flislegging. Eller alle TDI kan være godt egnet for inspeksjonsapplikasjoner. En annen viktig anvendelse for TDI er avbildningsflowcytometri, der fluorescensbilder av celler tas når de passerer et kamera mens de strømmer gjennom en mikrofluidisk kanal.
Fordeler og ulemper med sCMOS TDI
Fordeler
● Kan ta todimensjonale bilder av vilkårlig størrelse med høy hastighet når man skanner over et motiv.
● Flere TDI-trinn, lav støy og høy QE kan føre til drastisk høyere følsomhet enn linjeskanningskameraer.
● Svært høye avlesningshastigheter kan oppnås, for eksempel opptil 510 000 Hz (linjer per sekund), for et bilde på 9 072 piksler.
●Belysningen trenger bare å være endimensjonal og krever ingen flatfelt- eller andre korreksjoner i den andre (skannede) dimensjonen. I tillegg kan lengre eksponeringstider sammenlignet med linjeskanning «jevne ut» flimmer på grunn av vekselstrømslyskilder.
● Bevegelige bilder kan tas uten bevegelsesuskarphet og med høy hastighet og følsomhet.
●Skanning av store områder kan gå betraktelig raskere enn områdeskanningskameraer.
● Med avansert programvare eller triggeroppsett kan en «områdeskanningslignende» modus gi en oversikt over områdeskanningen for fokus og justering.
Ulemper
● Fortsatt høyere støy enn konvensjonelle sCMOS-kameraer, noe som betyr at bruksområder i ultrasvake lysforhold er utenfor rekkevidde.
● Krever spesialoppsett med avansert trigger for å synkronisere bevegelsen til motivet med kameraets skanning, svært fin kontroll over bevegelseshastighet eller nøyaktig forutsigelse av hastighet for å muliggjøre synkronisering.
● Som en ny teknologi finnes det få løsninger for implementering av maskinvare og programvare for øyeblikket.
sCMOS TDI som tåler lite lys
Selv om TDI som bildebehandlingsteknikk er eldre enn digital bildebehandling, og for lenge siden har overgått linjeskanning i ytelse, er det først i løpet av de siste årene at TDI-kameraer har oppnådd den følsomheten som kreves for å nå applikasjoner i svakt lys som vanligvis ville kreve følsomheten til vitenskapelig kvalitet.sCMOS-kameraer.
«sCMOS TDI» kombinerer CCD-lignende bevegelse av ladninger over sensoren med sCMOS-lignende avlesning, med bakbelyste sensorer tilgjengelig. Tidligere CCD-baserte eller rent CMOS-baserte* TDI-kameraer hadde drastisk langsommere avlesning, mindre pikseltall, færre trinn og lesestøy mellom 30e- og >100e-. I motsetning til dette hadde sCMOS TDI som TucsenDhyana 9KTDI sCMOS-kameratilbyr lesestøy på 7,2e-, kombinert med høyere kvanteeffektivitet gjennom bakbelysning, noe som muliggjør bruk av TDI i applikasjoner med betydelig lavere lysnivå enn tidligere mulig.
I mange applikasjoner kan de lengre eksponeringstidene som muliggjøres av TDI-prosessen mer enn kompensere for økningen i lesestøy sammenlignet med sCMOS-områdeskanningskameraer av høy kvalitet med lesestøy nær 1e-.
Vanlige bruksområder for TDI-kameraer
TDI-kameraer finnes i mange bransjer der presisjon og hastighet er like kritiske:
● Inspeksjon av halvlederskiver
● Testing av flatskjermer (FPD)
● Nettinspeksjon (papir, film, folie, tekstiler)
● Røntgenskanning i medisinsk diagnostikk eller bagasjekontroll
● Skanning av objektglass og flerbrønnsplate i digital patologi
● Hyperspektral avbildning i fjernmåling eller landbruk
● PCB- og elektronikkinspeksjon i SMT-linjer
Disse applikasjonene drar nytte av den forbedrede kontrasten, hastigheten og klarheten som TDI-avbildning gir under begrensninger i den virkelige verden.
Eksempel: Skanning av objektglass og flerbrønnsplate
Som nevnt er én applikasjon med betydelig potensial for sCMOS TDI-kameraer sammenføyningsapplikasjoner, inkludert skanning av lysbilder eller flerbrønnsplater. Skanning av store fluorescerende eller lysfeltmikroskopiprøver med todimensjonale arealkameraer er avhengig av å sammenføye et rutenett av bilder dannet fra flere bevegelser av et XY-mikroskopbord. Hvert bilde krever at bordet stopper, stabiliserer seg og deretter starter på nytt, sammen med eventuelle forsinkelser av den rullende lukkeren. TDI, derimot, kan ta bilder mens bordet er i bevegelse. Bildet dannes deretter fra et lite antall lange «strimler», som hver dekker hele bredden av prøven. Dette kan potensielt føre til drastisk høyere innsamlingshastigheter og datagjennomstrømning i alle sammenføyningsapplikasjoner, avhengig av bildeforholdene.
Hastigheten som scenen kan bevege seg med er omvendt proporsjonal med den totale eksponeringstiden til TDI-kameraet, så korte eksponeringstider (1–20 ms) gir den største forbedringen i bildehastighet sammenlignet med områdeskanningskameraer, noe som deretter kan føre til en størrelsesorden eller større reduksjon i total opptakstid. For lengre eksponeringstider (f.eks. > 100 ms) kan områdeskanning vanligvis beholde en tidsfordel.
Et eksempel på et veldig stort (2 gigapiksler) fluorescensmikroskopibilde dannet på bare ti sekunder er vist i figur 2. Et tilsvarende bilde dannet med et områdeskanningskamera kan forventes å ta opptil flere minutter.
Figur 2: 2 gigapikselbilde dannet på 10 sekunder gjennom TDI-skanning og -sammenføyning
NOTE: 10x forstørrelsesbilde tatt med Tucsen Dhyana 9kTDI av markeringspennpunkter sett med fluorescensmikroskopi. Tatt på 10 sekunder med en eksponeringstid på 3,6 ms. Bildedimensjoner: 30 mm x 17 mm, 58 000 x 34 160 piksler.
Synkronisering av TDI
Synkronisering av et TDI-kamera med motivet (innenfor noen få prosent) er viktig – hastighetsforskjell vil føre til en «bevegelsesuskarphet»-effekt. Denne synkroniseringen kan gjøres på to måter:
PrediktivKamerahastigheten er satt til å samsvare med bevegelseshastigheten basert på kunnskap om prøvebevegelseshastighet, optikk (forstørrelse) og kameraets pikselstørrelse. Eller prøving og feiling.
UtløstMange mikroskopbord, gantryer og annet utstyr for å bevege avbildningsobjekter kan inkludere kodere som sender en triggerpuls til kameraet for en gitt bevegelsesavstand. Dette gjør at bordet/gantryen og kameraet forblir synkronisert uavhengig av bevegelseshastighet.
TDI-kameraer kontra linjeskannings- og områdeskanningskameraer
Slik er TDI sammenlignet med andre populære bildeteknologier:
| Trekk | TDI-kamera | Linjeskanningskamera | Områdeskanningskamera |
| Følsomhet | Svært høy | Medium | Lav til middels |
| Bildekvalitet (bevegelse) | Glimrende | God | Uskarpt ved høye hastigheter |
| Krav til belysning | Lav | Medium | Høy |
| Bevegelseskompatibilitet | Utmerket (hvis synkronisert) | God | Fattig |
| Best for | Høy hastighet, svakt lys | Raskt bevegelige objekter | Statiske eller trege scener |
TDI er det klare valget når scenen beveger seg raskt og lysnivåene er begrensede. Linjeskanning er et trinn ned i følsomhet, mens områdeskanning er bedre for enkle eller stasjonære oppsett.
Velge riktig TDI-kamera
Når du velger et TDI-kamera, bør du vurdere følgende:
● Antall TDI-trinn: Flere trinn øker signal-støy-forholdet (SNR), men også kostnader og kompleksitet.
● Sensortype: sCMOS foretrekkes på grunn av hastighet og lavt støynivå; CCD kan fortsatt være egnet for noen eldre systemer.
● Grensesnitt: Sørg for kompatibilitet med systemet ditt – Camera Link, CoaXPress og 10GigE er vanlige alternativer, mens 100G CoF og 40G CoF har dukket opp som nye trender.
● Spektral respons: Velg mellom monokrom, farge eller nær-infrarød (NIR) basert på applikasjonsbehov.
● Synkroniseringsalternativer: Se etter funksjoner som koderinnganger eller støtte for ekstern trigger for bedre bevegelsesjustering.
Hvis applikasjonen din involverer sensitive biologiske prøver, høyhastighetsinspeksjon eller miljøer med lite lys, er sCMOS TDI sannsynligvis den rette løsningen.
Konklusjon
TDI-kameraer representerer en kraftig utvikling innen bildeteknologi, spesielt når de er bygget på sCMOS-sensorer. Ved å kombinere bevegelsessynkronisering med flerlinjeintegrasjon, tilbyr de uovertruffen følsomhet og klarhet for dynamiske scener i svakt lys.
Enten du inspiserer wafere, skanner lysbilder eller utfører høyhastighetsinspeksjoner, kan det å forstå hvordan TDI fungerer hjelpe deg med å velge den beste løsningen blantvitenskapelige kameraerfor dine bildeutfordringer.
Vanlige spørsmål
Kan TDI-kameraer fungere i områdeskanningsmodus?
TDI-kameraer kan lage (svært tynne) todimensjonale bilder i en «områdeskanningslignende» modus, oppnådd gjennom et triks med sensortiming. Dette kan være nyttig for oppgaver som fokus og justering.
For å starte en «områdeskanningseksponering» blir sensoren først «nullstilt» ved å flytte TDI-en minst like mange trinn som kameraet har, så raskt som mulig, og deretter stoppe. Dette oppnås enten gjennom programvarekontroll eller maskinvareutløsning, og utføres ideelt sett i mørket. For eksempel bør et kamera med 256 trinn lese minst 256 linjer og deretter stoppe. Disse 256 linjene med data forkastes.
Selv om kameraet ikke utløses eller linjer leses ut, oppfører sensoren seg akkurat som en områdeskanningssensor som eksponerer et bilde.
Den ønskede eksponeringstiden bør deretter gå med kameraet inaktivt, før kameraet igjen beveger seg fremover med minst det angitte antallet trinn, og leser ut hver linje i bildet som nettopp er tatt. Ideelt sett bør denne «lesefasen» igjen foregå i mørket.
Denne teknikken kan gjentas for å gi en «live forhåndsvisning» eller en sekvens av områdeskanningsbilder med minimal forvrengning og uskarphet fra TDI-operasjonen.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rettigheter forbeholdt. Vennligst oppgi kilden ved sitering:www.tucsen.com
