25/08/08W obrazowaniu przemysłowym i naukowym, rejestrowanie szybko poruszających się obiektów w warunkach słabego oświetlenia stanowi stałe wyzwanie. Właśnie tutaj wkraczają kamery z integracją czasową (TDI). Technologia TDI łączy synchronizację ruchu i wielokrotną ekspozycję, zapewniając wyjątkową czułość i klarowność obrazu, szczególnie w środowiskach o dużej prędkości.
Czym jest kamera TDI?
Kamera TDI to specjalistyczna kamera liniowa, która rejestruje obrazy ruchomych obiektów. W przeciwieństwie do standardowych kamer obszarowych, które naświetlają całą klatkę jednocześnie, kamery TDI przesuwają ładunek z jednego rzędu pikseli do następnego synchronicznie z ruchem obiektu. Każdy rząd pikseli akumuluje światło, gdy obiekt się porusza, co skutecznie wydłuża czas naświetlania i wzmacnia sygnał bez rozmycia w ruchu.
Taka integracja ładunku znacząco zwiększa stosunek sygnału do szumu (SNR), dzięki czemu kamery TDI idealnie nadają się do zastosowań wymagających dużej prędkości lub słabego oświetlenia.
Jak działa kamera TDI?
Działanie kamery TDI zilustrowano na rysunku 1.
Rysunek 1: Działanie czujników z opóźnieniem czasowym (TDI)
NOTATKA: Kamery TDI przesuwają pozyskane ładunki przez wiele „etapów” synchronicznie z poruszającym się obiektem. Każdy etap zapewnia dodatkową szansę na naświetlenie. Zilustrowano to jasnym „T” przesuwającym się przez kamerę, z segmentem czujnika TDI o 5 kolumnach i 5 etapach. Tucsen Dhyana 9KTDI z hybrydowym ruchem ładunku w stylu CCD, ale równoległym odczytem w stylu CMOS.
Kamery TDI to w zasadzie kamery ze skanowaniem liniowym, z jedną ważną różnicą: zamiast jednego rzędu pikseli zbierających dane podczas skanowania obiektu obrazowania, kamery TDI mają wiele rzędów, zwanych „etapami”, zwykle do 256.
Jednak te rzędy nie tworzą dwuwymiarowego obrazu, jak w przypadku kamery skanującej obszarowo. Zamiast tego, gdy skanowany obiekt przesuwa się wzdłuż matrycy aparatu, wykryte fotoelektrony w każdym pikselu przemieszczają się do następnego rzędu synchronicznie z ruchem obiektu, jeszcze przed odczytem. Każdy kolejny rząd zapewnia dodatkową możliwość naświetlenia obiektu. Dopiero gdy wycinek obrazu dotrze do ostatniego rzędu pikseli czujnika, rząd ten jest przekazywany do układu odczytu w celu pomiaru.
W związku z tym, pomimo wielokrotnych pomiarów przeprowadzanych na wszystkich stopniach kamery, wprowadzany jest tylko jeden przypadek szumu odczytu kamery. Kamera TDI z 256 stopniami utrzymuje próbkę w polu widzenia 256 razy dłużej, a zatem ma 256 razy dłuższy czas ekspozycji niż równoważna kamera liniowa. Równoległy czas ekspozycji w kamerze ze skanowaniem obszarowym spowodowałby skrajne rozmycie ruchu, czyniąc obraz bezużytecznym.
Kiedy można stosować TDI?
Kamery TDI są doskonałym rozwiązaniem w przypadku wszelkich zastosowań obrazowania, w których obiekt obrazowania porusza się względem kamery, pod warunkiem, że ruch ten jest jednostajny w całym polu widzenia kamery.
Zastosowania obrazowania TDI obejmują zatem z jednej strony wszystkie techniki skanowania liniowego, w których powstają obrazy dwuwymiarowe, zapewniając jednocześnie większą prędkość, znacznie lepszą czułość przy słabym oświetleniu, lepszą jakość obrazu lub wszystkie trzy jednocześnie. Z drugiej strony istnieje wiele technik obrazowania wykorzystujących kamery typu area-scan, w których można stosować kamery TDI.
W przypadku matryc sCMOS TDI o wysokiej czułości, obrazowanie metodą „kafelek i ścieg” w biologicznej mikroskopii fluorescencyjnej można wykonać, wykorzystując ciągłe skanowanie stolika zamiast techniki kafelkowania. Można również zastosować wszystkie techniki TDI w zastosowaniach inspekcyjnych. Innym ważnym zastosowaniem TDI jest cytometria przepływowa, w której obrazy fluorescencyjne komórek są uzyskiwane podczas przepływu przez kanał mikroprzepływowy, gdy przechodzą one przez kamerę.
Zalety i wady sCMOS TDI
Zalety
● Umożliwia przechwytywanie dwuwymiarowych obrazów o dowolnej wielkości z dużą prędkością podczas skanowania obiektu.
● Wiele etapów TDI, niski poziom szumów i wysoka sprawność kwantowa (QE) mogą prowadzić do znacznie wyższej czułości niż w przypadku kamer linijkowych.
● Możliwe jest osiągnięcie bardzo dużej prędkości odczytu, np. 510 000 Hz (linii na sekundę) dla obrazu o szerokości 9072 pikseli.
●Oświetlenie musi być jednowymiarowe i nie wymaga korekcji pola płaskiego ani innych korekt w drugim (skanowanym) wymiarze. Dodatkowo, dłuższe czasy naświetlania w porównaniu ze skanowaniem liniowym pozwalają „wygładzić” migotanie spowodowane przez źródła światła prądu przemiennego.
● Obrazy ruchome można rejestrować bez rozmycia, z dużą szybkością i czułością.
●Skanowanie dużych obszarów może być znacznie szybsze niż przy użyciu kamer skanujących obszarowo.
● Dzięki zaawansowanemu oprogramowaniu lub ustawieniom wyzwalania tryb „podobny do skanowania obszaru” może zapewnić podgląd skanowania obszaru w celu ustawienia ostrości i wyrównania.
Wady
● Nadal wyższy poziom szumów niż w przypadku konwencjonalnych kamer sCMOS, co oznacza, że aplikacje wymagające bardzo słabego oświetlenia są poza zasięgiem.
● Wymaga specjalistycznych ustawień z zaawansowanym wyzwalaniem w celu synchronizacji ruchu obiektu obrazu ze skanowaniem kamery, bardzo dokładnej kontroli nad prędkością ruchu lub dokładnego przewidywania prędkości w celu umożliwienia synchronizacji.
● Ponieważ jest to nowa technologia, obecnie istnieje niewiele rozwiązań umożliwiających jej wdrożenie sprzętowe i programowe.
sCMOS TDI przystosowany do pracy w słabym oświetleniu
Chociaż technika obrazowania TDI wyprzedziła obrazowanie cyfrowe i już dawno przewyższyła skanowanie liniowe pod względem wydajności, dopiero w ciągu ostatnich kilku lat kamery TDI uzyskały czułość wymaganą do zastosowań w warunkach słabego oświetlenia, które zwykle wymagają czułości klasy naukowejKamery sCMOS.
Technologia „sCMOS TDI” łączy ruch ładunków na matrycy w stylu CCD z odczytem w stylu sCMOS, z dostępnymi matrycami podświetlanymi od tyłu. Wcześniejsze kamery TDI oparte na CCD lub wyłącznie na CMOS* charakteryzowały się znacznie wolniejszym odczytem, mniejszą liczbą pikseli, mniejszą liczbą stolików i szumem odczytu od 30e do >100e. Dla porównania, sCMOS TDI, takie jak TucsenKamera Dhyana 9KTDI sCMOSzapewnia szum odczytu na poziomie 7,2e-, w połączeniu z wyższą wydajnością kwantową dzięki podświetleniu, co umożliwia stosowanie TDI w zastosowaniach o znacznie niższym poziomie oświetlenia, niż było to możliwe wcześniej.
W wielu zastosowaniach dłuższe czasy naświetlania, jakie zapewnia proces TDI, mogą z nawiązką zrekompensować wzrost szumu odczytu w porównaniu z wysokiej jakości kamerami sCMOS ze skanowaniem obszarowym, których szum odczytu jest bliski 1e-.
Typowe zastosowania kamer TDI
Kamery TDI można spotkać w wielu gałęziach przemysłu, w których precyzja i szybkość są równie istotne:
● Kontrola płytek półprzewodnikowych
● Testowanie wyświetlaczy płaskich (FPD)
● Inspekcja sieciowa (papier, folia, tekstylia)
● Skanowanie rentgenowskie w diagnostyce medycznej lub kontroli bagażu
● Skanowanie preparatów i płytek wielodołkowych w patologii cyfrowej
● Obrazowanie hiperspektralne w teledetekcji lub rolnictwie
● Kontrola PCB i elektroniki na liniach SMT
Zastosowania te korzystają ze zwiększonego kontrastu, szybkości i przejrzystości, jakie zapewnia obrazowanie TDI w warunkach rzeczywistych.
Przykład: skanowanie szkiełek i płytek wielodołkowych
Jak wspomniano, jednym z obiecujących zastosowań kamer sCMOS TDI jest łączenie obrazów, w tym skanowanie preparatów lub płytek wielodołkowych. Skanowanie dużych próbek mikroskopowych fluorescencyjnych lub w jasnym polu za pomocą kamer dwuwymiarowych opiera się na łączeniu siatki obrazów utworzonych w wyniku wielokrotnych ruchów stolika mikroskopowego XY. Każdy obraz wymaga zatrzymania, ustabilizowania, a następnie ponownego uruchomienia stolika, wraz z ewentualnym opóźnieniem migawki. Z kolei kamery TDI umożliwiają akwizycję obrazów podczas ruchu stolika. Obraz jest następnie tworzony z niewielkiej liczby długich „pasków”, z których każdy pokrywa całą szerokość próbki. Może to potencjalnie prowadzić do drastycznie wyższych prędkości akwizycji i przepustowości danych we wszystkich zastosowaniach łączenia obrazów, w zależności od warunków obrazowania.
Prędkość, z jaką może poruszać się stolik, jest odwrotnie proporcjonalna do całkowitego czasu ekspozycji kamery TDI, dlatego krótkie czasy ekspozycji (1–20 ms) zapewniają największą poprawę szybkości obrazowania w porównaniu z kamerami ze skanowaniem obszarowym, co może prowadzić do skrócenia całkowitego czasu akwizycji o rząd wielkości lub więcej. W przypadku dłuższych czasów ekspozycji (np. > 100 ms) skanowanie obszarowe zazwyczaj pozwala zachować przewagę czasową.
Przykład bardzo dużego (2 gigapiksele) obrazu uzyskanego za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego w zaledwie dziesięć sekund pokazano na rysunku 2. Można się spodziewać, że uzyskanie równoważnego obrazu za pomocą kamery skanującej obszar zajmie kilka minut.
Rysunek 2: Obraz o rozdzielczości 2 gigapikseli utworzony w ciągu 10 sekund za pomocą skanowania i łączenia TDI
NOTATKA: Obraz w 10-krotnym powiększeniu, uzyskany za pomocą mikroskopu Tucsen Dhyana 9kTDI, przedstawiający kropki markera, oglądane pod mikroskopem fluorescencyjnym. Uzyskany w 10 sekund, z czasem naświetlania 3,6 ms. Wymiary obrazu: 30 mm x 17 mm, 58 000 x 34 160 pikseli.
Synchronizacja TDI
Synchronizacja kamery TDI z obiektem (z dokładnością do kilku procent) jest niezbędna – niedopasowanie prędkości spowoduje efekt „rozmycia w ruchu”. Synchronizację można przeprowadzić na dwa sposoby:
Proroczy:Prędkość kamery jest ustawiana tak, aby odpowiadała prędkości ruchu na podstawie danych o prędkości ruchu próbki, optyce (powiększeniu) i rozmiarze pikseli kamery. Można też stosować metodę prób i błędów.
WyzwalanyWiele stolików mikroskopowych, gantry i innych urządzeń do przesuwania obiektów obrazowych może być wyposażonych w enkodery, które wysyłają impuls wyzwalający do kamery na zadaną odległość. Pozwala to na synchronizację stolika/gantry i kamery niezależnie od prędkości ruchu.
Kamery TDI kontra kamery liniowe i obszarowe
Oto porównanie technologii TDI z innymi popularnymi technologiami obrazowania:
| Funkcja | Kamera TDI | Kamera liniowa | Kamera skanująca obszar |
| Wrażliwość | Bardzo wysoki | Średni | Niski do średniego |
| Jakość obrazu (ruch) | Doskonały | Dobry | Rozmyte przy dużych prędkościach |
| Wymagania dotyczące oświetlenia | Niski | Średni | Wysoki |
| Kompatybilność z ruchem | Doskonale (jeśli zsynchronizowane) | Dobry | Słaby |
| Najlepszy dla | Duża prędkość, słabe oświetlenie | Szybko poruszające się obiekty | Sceny statyczne lub wolne |
TDI to oczywisty wybór, gdy scena dynamicznie się porusza, a poziom oświetlenia jest ograniczony. Skanowanie liniowe charakteryzuje się niższą czułością, natomiast skanowanie obszarowe sprawdza się lepiej w przypadku prostych lub stacjonarnych konfiguracji.
Wybór odpowiedniej kamery TDI
Wybierając kamerę TDI, należy wziąć pod uwagę następujące kwestie:
● Liczba stopni TDI: Więcej stopni zwiększa współczynnik SNR, ale także koszty i złożoność.
● Typ czujnika: sCMOS jest preferowany ze względu na szybkość i niski poziom szumów; CCD może być nadal odpowiedni dla niektórych starszych systemów.
● Interfejs: Zapewnij zgodność ze swoim systemem — powszechnie dostępne są interfejsy Camera Link, CoaXPress i 10GigE, a nowymi trendami stały się interfejsy 100G CoF i 40G CoF.
● Odpowiedź widmowa: Wybierz pomiędzy monochromatycznym, kolorowym lub bliską podczerwienią (NIR) zależnie od potrzeb zastosowania.
● Opcje synchronizacji: Zwróć uwagę na funkcje takie jak wejścia enkodera lub obsługa zewnętrznego wyzwalacza, aby uzyskać lepsze wyrównanie ruchu.
Jeśli Twoja aplikacja obejmuje delikatne próbki biologiczne, szybką inspekcję lub pracę w warunkach słabego oświetlenia, sCMOS TDI prawdopodobnie będzie odpowiednim wyborem.
Wniosek
Kamery TDI reprezentują znaczący postęp w technologii obrazowania, zwłaszcza zbudowane na matrycach sCMOS. Łącząc synchronizację ruchu z integracją wieloliniową, oferują niezrównaną czułość i klarowność obrazu w dynamicznych scenach o słabym oświetleniu.
Niezależnie od tego, czy inspekcjonujesz płytki, skanujesz slajdy czy wykonujesz inspekcje z dużą prędkością, zrozumienie działania TDI może pomóc Ci wybrać najlepsze rozwiązanie spośródkamery naukowedla Twoich wyzwań związanych z obrazowaniem.
Często zadawane pytania
Czy kamery TDI mogą działać w trybie skanowania obszarowego?
Kamery TDI mogą tworzyć (bardzo cienkie) obrazy dwuwymiarowe w trybie „skanowania obszaru”, uzyskiwanym poprzez sztuczkę synchronizacji sensora. Może to być pomocne w takich zadaniach jak ustawianie ostrości i wyrównywanie.
Aby rozpocząć „ekspozycję skanowania obszaru”, czujnik jest najpierw „czyszczony” poprzez przesunięcie TDI o co najmniej tyle kroków, ile stopni ma kamera, tak szybko, jak to możliwe, a następnie zatrzymanie. Odbywa się to za pomocą sterowania programowego lub wyzwalania sprzętowego i najlepiej jest to robić w ciemności. Na przykład kamera 256-stopniowa powinna odczytać co najmniej 256 linii, a następnie zatrzymać się. Te 256 linii danych jest odrzucane.
Gdy aparat nie jest wyzwalany ani linie nie są odczytywane, czujnik zachowuje się jak czujnik skanujący obszar, naświetlający obraz.
Następnie należy odczekać żądany czas naświetlania, gdy aparat jest w stanie spoczynku, po czym aparat powinien ponownie przesunąć się o co najmniej liczbę stopni, odczytując każdą linię właśnie zarejestrowanego obrazu. Ponownie, idealnie byłoby, gdyby ta faza „odczytu” miała miejsce w ciemności.
Tę technikę można powtarzać, aby uzyskać „podgląd na żywo” lub sekwencję obrazów skanowania obszaru z minimalnymi zniekształceniami i rozmyciami wynikającymi z działania TDI.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Wszelkie prawa zastrzeżone. Przy cytowaniu prosimy o podanie źródła:www.tucsen.com
