22.07.13Integracja z opóźnieniem czasowym (TDI) to technika obrazowania, która wyprzedziła erę obrazowania cyfrowego – ale wciąż oferuje ogromne korzyści w najnowocześniejszej technologii obrazowania. Kamery TDI sprawdzają się w dwóch sytuacjach – gdy fotografowany obiekt jest w ruchu:
1 – Obiekt obrazowania z natury porusza się ze stałą prędkością, jak ma to miejsce w przypadku inspekcji sieciowej (np. skanowania ruchomych arkuszy papieru, plastiku lub tkaniny w celu wykrycia wad i uszkodzeń), linii montażowych lub mikroelektroniki przepływowej i przepływów płynów.
2 – Statyczne obiekty obrazowe, które można zobrazować kamerą przemieszczającą się z obszaru do obszaru, przesuwając obiekt lub kamerę. Przykłady obejmują skanowanie preparatów mikroskopowych, inspekcję materiałów, inspekcję płaskich paneli itp.
Jeśli któraś z tych sytuacji ma zastosowanie w Twoim obrazowaniu, ta strona internetowa pomoże Ci rozważyć, czy przejście z tradycyjnych dwuwymiarowych kamer ze skanowaniem obszarowym na kamery Line Scan TDI może poprawić jakość Twojego obrazowania.
Problem ze skanowaniem obszaru i ruchomymi celami
● Rozmycie ruchu
Niektóre obiekty obrazowania są w ruchu z konieczności, na przykład podczas inspekcji przepływu cieczy lub inspekcji wstęgowej. W innych zastosowaniach, takich jak skanowanie slajdów i inspekcja materiałów, utrzymywanie obiektu w ruchu może być znacznie szybsze i bardziej efektywne niż zatrzymywanie ruchu dla każdego zarejestrowanego obrazu. Jednak w przypadku kamer ze skanowaniem obszarowym, jeśli obiekt obrazowania porusza się względem kamery, może to stanowić wyzwanie.
Rozmycie ruchu zniekształcające obraz poruszającego się pojazdu
W sytuacjach o ograniczonym oświetleniu lub gdy wymagana jest wysoka jakość obrazu, może być pożądany długi czas naświetlania. Jednak ruch obiektu rozproszy światło na wiele pikseli aparatu podczas naświetlania, co prowadzi do „rozmycia w ruchu”. Można to zminimalizować, stosując bardzo krótkie czasy naświetlania – krótsze niż czas potrzebny punktowi na obiekcie na przebycie jednego piksela aparatu. To jest…unzwykle kosztem ciemnych, zaszumionych i często bezużytecznych obrazów.
●Szycie
Ponadto, obrazowanie dużych lub ciągłych obiektów za pomocą kamer skanujących obszarowo wymaga zazwyczaj akwizycji wielu obrazów, które są następnie łączone. To łączenie wymaga nakładania się pikseli na sąsiednich obrazach, co zmniejsza wydajność i zwiększa wymagania dotyczące przechowywania i przetwarzania danych.
●Nierównomierne oświetlenie
Co więcej, oświetlenie rzadko będzie wystarczająco równomierne, aby uniknąć problemów i artefaktów na granicach między scalonymi obrazami. Ponadto, aby zapewnić oświetlenie wystarczająco dużego obszaru dla kamery skanującej obszar z odpowiednią intensywnością, często konieczne jest użycie mocnych i drogich źródeł światła stałoprądowego.
Nierównomierne oświetlenie podczas łączenia wielu obrazów mózgu myszy. Obraz z Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Czym jest kamera TDI i jak pomaga?
W konwencjonalnych dwuwymiarowych kamerach skanujących obszar, proces pozyskiwania obrazu przebiega w trzech fazach: resetowanie pikseli, naświetlanie i odczyt. Podczas naświetlania, fotony ze sceny są wykrywane, co powoduje emisję fotoelektronów, które są przechowywane w pikselach kamery do końca naświetlania. Następnie wartości z każdego piksela są odczytywane, tworząc obraz dwuwymiarowy. Następnie piksele są resetowane, a wszystkie ładunki usuwane, aby rozpocząć kolejną ekspozycję.
Jak jednak wspomniano, jeśli obiekt obrazowania porusza się względem kamery, światło z obiektu może rozprzestrzenić się na wiele pikseli podczas ekspozycji, co prowadzi do rozmycia obrazu w ruchu. Kamery TDI przezwyciężają to ograniczenie, stosując innowacyjną technikę. Zostało to zaprezentowane w [Animacji 1].
●Jak działają kamery TDI
Kamery TDI działają zasadniczo inaczej niż kamery skanujące obszarowo. Gdy obiekt obrazowania przesuwa się w poprzek kamery podczas ekspozycji, ładunki elektroniczne tworzące zarejestrowany obraz również ulegają przemieszczeniu, pozostając zsynchronizowane. Podczas ekspozycji kamery TDI mogą przesuwać wszystkie zarejestrowane ładunki z jednego rzędu pikseli do następnego wzdłuż kamery, zsynchronizowane z ruchem obiektu obrazowania. Gdy obiekt porusza się w poprzek kamery, każdy rząd (znany jako „Scena TDI”) zapewnia nową możliwość naświetlenia obiektu przez kamerę i akumulacji sygnału.
Dopiero gdy rząd zebranych ładunków dotrze do końca kamery, wartości są odczytywane i zapisywane jako jednowymiarowy wycinek obrazu. Dwuwymiarowy obraz powstaje poprzez sklejanie ze sobą kolejnych wycinków obrazu w miarę ich odczytywania przez kamerę. Każdy rząd pikseli w powstałym obrazie śledzi i obrazuje ten sam „wycinek” obiektu, co oznacza, że pomimo ruchu, nie ma rozmycia.
●256x dłuższa ekspozycja
W kamerach TDI efektywny czas ekspozycji obrazu jest określany jako całkowity czas potrzebny punktowi na obiekcie na przebycie każdego rzędu pikseli. W niektórych kamerach TDI dostępnych jest nawet 256 etapów. Oznacza to, że dostępny czas ekspozycji jest efektywnie 256 razy dłuższy niż w przypadku kamery skanującej obszar.
Może to przynieść dwie z dwóch korzyści, lub równowagę między nimi. Po pierwsze, można osiągnąć znaczny wzrost szybkości obrazowania. W porównaniu z kamerą skanującą obszarowo, obrazowany obiekt może poruszać się nawet 256 razy szybciej, rejestrując jednocześnie tę samą ilość sygnału, pod warunkiem, że prędkość transmisji kamery jest wystarczająco duża, aby nadążyć.
Z drugiej strony, jeśli wymagana jest większa czułość, dłuższy czas naświetlania może pozwolić na uzyskanie obrazów o znacznie lepszej jakości, niższe natężenie oświetlenia lub jedno i drugie.
●Duża przepustowość danych bez łączenia
Ponieważ kamera TDI generuje obraz dwuwymiarowy z kolejnych jednowymiarowych przekrojów, uzyskany obraz może być dowolnej wielkości. Podczas gdy liczba pikseli w kierunku „poziomym” jest określona przez szerokość kamery, na przykład 9072 piksele, „pionowy” rozmiar obrazu jest nieograniczony i zależy po prostu od czasu pracy kamery. Dzięki szybkości transmisji do 510 kHz może to zapewnić ogromną przepustowość danych.
W połączeniu z tym kamery TDI mogą oferować bardzo szerokie pola widzenia. Na przykład kamera o rozdzielczości 9072 pikseli i rozdzielczości 5 µm zapewnia poziome pole widzenia 45 mm przy wysokiej rozdzielczości. Aby uzyskać tę samą szerokość obrazu za pomocą kamery skanującej obszar pikseli o rozdzielczości 5 µm, konieczne byłoby zastosowanie nawet trzech kamer 4K obok siebie.
●Ulepszenia w stosunku do kamer ze skanowaniem liniowym
Kamery TDI oferują nie tylko udoskonalenia w porównaniu z kamerami ze skanowaniem obszarowym. Kamery ze skanowaniem liniowym, które rejestrują tylko jedną linię pikseli, borykają się również z wieloma podobnymi problemami z intensywnością oświetlenia i krótkim czasem naświetlania, co kamery ze skanowaniem obszarowym.
Chociaż podobnie jak kamery TDI, kamery linijkowe oferują bardziej równomierne oświetlenie przy prostszej konfiguracji i eliminują konieczność łączenia obrazów, często wymagają bardzo intensywnego oświetlenia i/lub powolnego ruchu obiektu, aby uchwycić wystarczającą ilość sygnału dla uzyskania obrazu wysokiej jakości. Dłuższe czasy naświetlania i szybsze prędkości obiektu, które umożliwiają kamery TDI, oznaczają możliwość stosowania oświetlenia o niższej intensywności i niższych kosztach, przy jednoczesnej poprawie wydajności obrazowania. Na przykład, linia produkcyjna może być w stanie przejść z drogich i energochłonnych lamp halogenowych zasilanych prądem stałym na oświetlenie LED.
Jak działają kamery TDI?
Istnieją trzy powszechnie stosowane standardy uzyskiwania obrazowania TDI na matrycy aparatu.
● CCD TDI– Kamery CCD to najstarszy typ aparatów cyfrowych. Ze względu na ich konstrukcję elektroniczną, uzyskanie charakterystyki TDI na matrycy CCD jest stosunkowo proste, a wiele matryc aparatów z natury jest w stanie działać w ten sposób. Dlatego matryce CCD TDI są używane od dziesięcioleci.
Technologia CCD ma jednak swoje ograniczenia. Najmniejszy rozmiar piksela powszechnie dostępny w kamerach CCD TDI wynosi około 12 µm x 12 µm – co, wraz z małą liczbą pikseli, ogranicza możliwości kamer w zakresie rejestrowania drobnych szczegółów. Co więcej, szybkość akwizycji jest niższa niż w przypadku innych technologii, a szum odczytu – główny czynnik ograniczający obrazowanie w słabym oświetleniu – jest wysoki. Wysoki jest również pobór mocy, co jest istotnym czynnikiem w niektórych zastosowaniach. To doprowadziło do chęci stworzenia kamer TDI opartych na architekturze CMOS.
●Wczesne technologie CMOS TDI: sumowanie w dziedzinie napięcia i cyfrowe
Kamery CMOS przezwyciężają wiele ograniczeń związanych z szumem i szybkością kamer CCD, zużywając jednocześnie mniej energii i oferując mniejsze rozmiary pikseli. Jednak osiągnięcie efektu TDI w kamerach CMOS było znacznie trudniejsze ze względu na ich konstrukcję pikseli. Podczas gdy matryce CCD fizycznie przemieszczają fotoelektrony między pikselami, aby zarządzać matrycą, kamery CMOS konwertują sygnały fotoelektronów na napięcia w każdym pikselu przed odczytem.
Zachowanie TDI na matrycy CMOS było badane od 2001 roku, jednak wyzwanie, jak poradzić sobie z „akumulacją” sygnału podczas przechodzenia ekspozycji z jednego rzędu do następnego, było znaczące. Dwie wczesne metody CMOS TDI, nadal stosowane w aparatach komercyjnych, to akumulacja w dziedzinie napięcia i cyfrowe sumowanie TDI CMOS. W kamerach z akumulacją w dziedzinie napięcia, gdy każdy rząd sygnału jest akwizyowany w miarę przesuwania się obiektu, a uzyskane napięcie jest dodawane elektronicznie do całkowitej akwizycji dla tej części obrazu. Akumulacja napięć w ten sposób wprowadza dodatkowy szum dla każdego dodatkowego etapu TDI, ograniczając korzyści z dodatkowych etapów. Problemy z liniowością również utrudniają wykorzystanie tych kamer w precyzyjnych zastosowaniach.
Drugą metodą jest cyfrowe sumowanie TDI. W tej metodzie kamera CMOS działa w trybie skanowania obszaru z bardzo krótką ekspozycją dopasowaną do czasu potrzebnego obiektowi do przemieszczenia się przez pojedynczy rząd pikseli. Wiersze z każdej kolejnej klatki są jednak sumowane cyfrowo w taki sposób, aby uzyskać efekt TDI. Ponieważ dla każdego rzędu pikseli w obrazie wynikowym konieczne jest odczytanie całej kamery, to cyfrowe sumowanie dodaje również szum odczytu dla każdego rzędu i ogranicza szybkość akwizycji.
●Nowoczesny standard: matryca TDI CMOS w dziedzinie ładunku lub matryca CCD-on-CMOS TDI
Ograniczenia technologii CMOS TDI zostały niedawno przezwyciężone dzięki wprowadzeniu technologii akumulacji domeny ładunku (CCD-on-CMOS TDI). Działanie tych czujników przedstawiono w [Animacji 1]. Jak sama nazwa wskazuje, czujniki te oferują ruch ładunków z jednego piksela do drugiego, podobny do CCD, akumulując sygnał na każdym etapie TDI poprzez dodawanie fotoelektronów na poziomie poszczególnych ładunków. Efekt ten jest praktycznie bezszumowy. Ograniczenia technologii CCD TDI zostały jednak przezwyciężone dzięki zastosowaniu architektury odczytu CMOS, która umożliwia uzyskanie wysokiej prędkości, niskiego poziomu szumów i niskiego zużycia energii, typowych dla kamer CMOS.
Specyfikacje TDI: co jest ważne?
●Technologia:Najważniejszym czynnikiem jest zastosowana technologia czujnika, jak omówiono powyżej. Najlepszą wydajność zapewni matryca CMOS TDI w domenie ładunku.
●Etapy TDI:Jest to liczba rzędów czujnika, na których może być akumulowany sygnał. Im więcej etapów TDI posiada kamera, tym dłuższy może być jej efektywny czas ekspozycji. Lub, tym szybciej może poruszać się obiekt, który jest obrazowany, pod warunkiem, że kamera ma wystarczającą szybkość transmisji liniowej.
●Prędkość linii:Liczba wierszy, które kamera może odczytać na sekundę. Określa ona maksymalną prędkość ruchu, z jaką kamera może nadążyć.
●Wydajność kwantowa:Oznacza to czułość kamery na światło o różnych długościach fal, mierzoną prawdopodobieństwem wykrycia padającego fotonu i wygenerowania fotoelektronu. Wyższa wydajność kwantowa może zapewnić niższe natężenie oświetlenia lub szybszą pracę przy zachowaniu tego samego poziomu sygnału.
Ponadto kamery różnią się pod względem zakresu długości fal, w którym można osiągnąć dobrą czułość. Niektóre kamery oferują czułość aż do ultrafioletu (UV) – długości fali około 200 nm.
●Odczyt szumu:Szum odczytu to kolejny istotny czynnik wpływający na czułość kamery, określający minimalny sygnał wykrywalny powyżej poziomu szumów kamery. Wysoki szum odczytu uniemożliwia wykrycie ciemnych elementów, a zakres dynamiczny ulega znacznemu zmniejszeniu, co oznacza konieczność stosowania jaśniejszego oświetlenia lub dłuższych czasów naświetlania i wolniejszych prędkości ruchu.
Specyfikacje TDI: co jest ważne?
Obecnie kamery TDI są wykorzystywane do inspekcji wstęg, inspekcji w elektronice i produkcji oraz innych zastosowań wizji maszynowej. Równocześnie, kamery te znajdują zastosowanie w wymagających zastosowaniach przy słabym oświetleniu, takich jak obrazowanie fluorescencyjne i skanowanie slajdów.
Jednak wraz z wprowadzeniem szybkich, niskoszumowych i czułych kamer TDI CMOS, pojawił się ogromny potencjał wzrostu szybkości i wydajności w nowych zastosowaniach, które wcześniej wykorzystywały wyłącznie kamery typu area-scan. Jak wspomnieliśmy na początku artykułu, kamery TDI mogą być najlepszym wyborem, jeśli chodzi o osiągnięcie wysokiej szybkości i wysokiej jakości obrazu, zarówno w przypadku obrazowania obiektów w ciągłym ruchu, jak i w przypadku, gdy kamera mogłaby skanować obiekty statyczne.
Na przykład, w zastosowaniu mikroskopowym, moglibyśmy porównać teoretyczną prędkość akwizycji obrazu kamery TDI o rozdzielczości 9 tys. pikseli i 256 stopniach, z pikselami o rozdzielczości 5 µm, z kamerą skanującą obszar o rozdzielczości 12 MP i pikselami o rozdzielczości 5 µm. Przeanalizujmy akwizycję obrazu obszaru o wymiarach 10 x 10 mm z 20-krotnym powiększeniem poprzez przesuwanie stolika.
1. Zastosowanie obiektywu 20x z kamerą skanującą obszar pozwoli uzyskać pole widzenia o wymiarach 1,02 x 0,77 mm.
2. Dzięki kamerze TDI można zastosować obiektyw 10x z dodatkowym powiększeniem 2x, aby pokonać wszelkie ograniczenia pola widzenia mikroskopu i uzyskać poziome pole widzenia o szerokości 2,3 mm.
3. Zakładając 2% nakładanie się pikseli między obrazami na potrzeby łączenia, 0,5 sekundy na przesunięcie sceny do ustalonej pozycji oraz czas naświetlania 10 ms, możemy obliczyć czas potrzebny kamerze skanującej obszar. Podobnie, możemy obliczyć czas potrzebny kamerze TDI, gdyby scena była w ciągłym ruchu, skanując w kierunku Y, przy tym samym czasie naświetlania dla każdej linii.
4. W tym przypadku kamera skanująca obszar wymagałaby pozyskania 140 obrazów, a przesunięcie sceny zajęłoby 63 sekundy. Kamera TDI pozyskałaby tylko 5 długich obrazów, a przesunięcie sceny do następnej kolumny zajęłoby tylko 2 sekundy.
5. Całkowity czas potrzebny na pozyskanie obszaru o wymiarach 10 x 10 mm wyniesie64,4 sekundy dla kamery skanującej obszar,i po prostu9,9 sekundy dla kamery TDI.
Jeśli chcesz sprawdzić, czy kamera TDI spełni Twoje wymagania i potrzeby, skontaktuj się z nami już dziś.
