22/07/13A Integração com Atraso de Tempo (TDI) é uma técnica de imagem anterior à imagem digital, mas que ainda oferece enormes vantagens na vanguarda da imagem atual. Há duas circunstâncias em que as câmeras TDI podem se destacar – ambas quando o objeto da imagem está em movimento:
1 – O objeto da imagem está inerentemente em movimento com velocidade constante, como na inspeção de teias (como a varredura de folhas de papel, plástico ou tecido em movimento para detectar defeitos e danos), linhas de montagem ou microfluídica e fluxos de fluidos.
2 – Objetos de imagem estáticos que podem ser capturados por uma câmera movida de uma área para outra, seja movendo o objeto ou a câmera. Exemplos incluem escaneamento de lâminas de microscópio, inspeção de materiais, inspeção de painel plano, etc.
Se qualquer uma dessas circunstâncias se aplicar à sua imagem, esta página da web ajudará você a considerar se a troca de câmeras convencionais de "varredura de área" bidimensionais por câmeras TDI de varredura de linha pode melhorar sua imagem.
O problema com Area-Scan e alvos móveis
● Desfoque de movimento
Alguns objetos de imagem estão em movimento por necessidade, por exemplo, em fluxo de fluidos ou inspeção de bandas. Em outras aplicações, como digitalização de lâminas e inspeção de materiais, manter o objeto em movimento pode ser consideravelmente mais rápido e eficiente do que interromper o movimento para cada imagem adquirida. No entanto, para câmeras de varredura de área, se o objeto de imagem estiver em movimento em relação à câmera, isso pode representar um desafio.
Desfoque de movimento distorcendo a imagem de um veículo em movimento
Em situações com iluminação limitada ou onde são necessárias altas qualidades de imagem, um longo tempo de exposição da câmera pode ser desejável. No entanto, o movimento do objeto espalha sua luz por vários pixels da câmera durante a exposição, causando "desfoque de movimento". Isso pode ser minimizado mantendo as exposições muito curtas – abaixo do tempo que um ponto no objeto levaria para atravessar um pixel da câmera. Este é oungeralmente à custa de imagens escuras, barulhentas e muitas vezes inutilizáveis.
●Costura
Além disso, a obtenção de imagens de objetos grandes ou contínuos com câmeras de varredura de área normalmente exige a aquisição de múltiplas imagens, que são então unidas. Essa união requer a sobreposição de pixels entre imagens vizinhas, reduzindo a eficiência e aumentando os requisitos de armazenamento e processamento de dados.
●Iluminação irregular
Além disso, a iluminação raramente será uniforme o suficiente para evitar problemas e artefatos nas bordas entre as imagens costuradas. Além disso, fornecer iluminação em uma área grande o suficiente para a câmera de varredura de área com intensidade suficiente geralmente requer o uso de fontes de luz CC de alta potência e alto custo.
Iluminação irregular na costura de uma aquisição de múltiplas imagens do cérebro de um camundongo. Imagem de Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
O que é uma câmera TDI e como ela ajuda?
Em câmeras convencionais de varredura de área bidimensional, há três fases na aquisição de uma imagem: redefinição de pixels, exposição e leitura. Durante a exposição, fótons da cena são detectados, resultando em fotoelétrons, que são armazenados nos pixels da câmera até o final da exposição. Os valores de cada pixel são então lidos e uma imagem 2D é formada. Os pixels são então redefinidos e todas as cargas são liberadas para iniciar a próxima exposição.
No entanto, como mencionado, se o objeto da imagem estiver se movendo em relação à câmera, a luz emitida pelo objeto pode se espalhar por vários pixels durante essa exposição, causando desfoque de movimento. As câmeras TDI superam essa limitação usando uma técnica inovadora. Isso é demonstrado em [Animação 1].
●Como funcionam as câmeras TDI
As câmeras TDI operam de maneira fundamentalmente diferente das câmeras de varredura de área. À medida que o objeto da imagem se move pela câmera durante a exposição, as cargas eletrônicas que compõem a imagem adquirida também se movem, mantendo-se sincronizadas. Durante a exposição, as câmeras TDI conseguem embaralhar todas as cargas adquiridas de uma fileira de pixels para a próxima, ao longo da câmera, sincronizadas com o movimento do objeto da imagem. À medida que o objeto se move pela câmera, cada fileira (conhecida como "Estágio TDI") oferece uma nova oportunidade de expor a câmera ao objeto e acumular sinal.
Somente quando uma fileira de cargas adquiridas chega ao final da câmera, os valores são lidos e armazenados como uma fatia unidimensional da imagem. A imagem bidimensional é formada pela colagem de cada fatia sucessiva da imagem à medida que a câmera as lê. Cada fileira de pixels na imagem resultante rastreia e captura a mesma "fatia" do objeto da imagem, o que significa que, apesar do movimento, não há desfoque.
●Exposição 256x mais longa
Com câmeras TDI, o tempo efetivo de exposição da imagem é dado pelo tempo total que um ponto no objeto leva para percorrer cada fileira de pixels, com até 256 estágios disponíveis em algumas câmeras TDI. Isso significa que o tempo de exposição disponível é efetivamente 256 vezes maior do que uma câmera de varredura de área poderia alcançar.
Isso pode proporcionar uma de duas melhorias, ou um equilíbrio entre ambas. Primeiramente, é possível obter um aumento significativo na velocidade da imagem. Em comparação com uma câmera de varredura de área, o objeto da imagem pode se mover até 256 vezes mais rápido, capturando a mesma quantidade de sinal, desde que a taxa de linha da câmera seja rápida o suficiente para acompanhar.
Por outro lado, se for necessária maior sensibilidade, o maior tempo de exposição pode permitir imagens de qualidade muito maior, menor intensidade de iluminação ou ambos.
●Grande rendimento de dados sem costura
Como a câmera TDI produz uma imagem bidimensional a partir de cortes unidimensionais sucessivos, a imagem resultante pode ser tão grande quanto necessário. Enquanto o número de pixels na direção "horizontal" é determinado pela largura da câmera, por exemplo, 9072 pixels, o tamanho "vertical" da imagem é ilimitado e simplesmente determinado pelo tempo de operação da câmera. Com taxas de linha de até 510 kHz, isso pode fornecer uma taxa de transferência de dados massiva.
Somado a isso, as câmeras TDI podem oferecer campos de visão muito amplos. Por exemplo, uma câmera de 9072 pixels com pixels de 5 µm oferece um campo de visão horizontal de 45 mm com alta resolução. Para obter a mesma largura de imagem com uma câmera de varredura de área de 5 µm, seriam necessárias até três câmeras 4K lado a lado.
●Melhorias nas câmeras de varredura de linha
As câmeras TDI não oferecem apenas melhorias em relação às câmeras de varredura de área. As câmeras de varredura de linha, que capturam apenas uma única linha de pixels, também sofrem com muitos dos mesmos problemas de intensidade de iluminação e exposições curtas que as câmeras de varredura de área.
Embora, assim como as câmeras TDI, as câmeras de varredura linear ofereçam iluminação mais uniforme com uma configuração mais simples e evitem a necessidade de costura de imagens, elas podem frequentemente exigir iluminação muito intensa e/ou movimento lento do objeto para capturar sinal suficiente para uma imagem de alta qualidade. As exposições mais longas e as velocidades mais rápidas do objeto que as câmeras TDI permitem permitem o uso de iluminação de menor intensidade e menor custo, melhorando a eficiência da imagem. Por exemplo, uma linha de produção pode migrar de lâmpadas halógenas de alto custo e alto consumo de energia, que exigem alimentação CC, para iluminação LED.
Como funcionam as câmeras TDI?
Existem três padrões comuns sobre como obter imagens TDI em um sensor de câmera.
● CCD TDI– As câmeras CCD são o estilo mais antigo de câmeras digitais. Devido ao seu design eletrônico, obter o comportamento TDI em um CCD é comparativamente muito simples, com muitos sensores de câmera inerentemente capazes de operar dessa maneira. Os CCDs TDI, portanto, estão em uso há décadas.
No entanto, a tecnologia CCD tem suas limitações. O menor tamanho de pixel comumente disponível para câmeras CCD TDI é de cerca de 12 µm x 12 µm – isso, juntamente com a pequena contagem de pixels, limita a capacidade das câmeras de resolver detalhes finos. Além disso, a velocidade de aquisição é menor do que a de outras tecnologias, enquanto o ruído de leitura – um importante fator limitante em imagens com pouca luz – é alto. O consumo de energia também é alto, o que é um fator importante em algumas aplicações. Isso levou ao desejo de criar câmeras TDI baseadas na arquitetura CMOS.
●CMOS TDI inicial: domínio de tensão e soma digital
As câmeras CMOS superam muitas das limitações de ruído e velocidade das câmeras CCD, consumindo menos energia e oferecendo pixels menores. No entanto, o comportamento TDI era muito mais difícil de ser alcançado em câmeras CMOS, devido ao design dos pixels. Enquanto os CCDs movem fisicamente os fotoelétrons de pixel para pixel para gerenciar o sensor, as câmeras CMOS convertem os sinais dos fotoelétrons em tensões em cada pixel antes da leitura.
O comportamento do TDI em um sensor CMOS tem sido explorado desde 2001; no entanto, o desafio de como lidar com o "acúmulo" de sinal à medida que a exposição se move de uma fileira para a próxima era significativo. Dois métodos iniciais para TDI CMOS, ainda utilizados em câmeras comerciais atualmente, são o acúmulo no domínio da tensão e o TDI CMOS de soma digital. Em câmeras com acúmulo no domínio da tensão, à medida que cada fileira de sinal é adquirida conforme o objeto da imagem se move, a tensão adquirida é adicionada eletronicamente à aquisição total para aquela parte da imagem. O acúmulo de tensões dessa forma introduz ruído adicional para cada estágio TDI extra adicionado, limitando os benefícios dos estágios adicionais. Problemas com linearidade também desafiam o uso dessas câmeras para aplicações precisas.
O segundo método é a soma digital TDI. Neste método, uma câmera CMOS opera efetivamente no modo de varredura de área com uma exposição muito curta, correspondente ao tempo que o objeto da imagem leva para se mover por uma única fileira de pixels. No entanto, as fileiras de cada quadro sucessivo são somadas digitalmente de forma a produzir um efeito TDI. Como toda a câmera deve ser lida para cada fileira de pixels na imagem resultante, essa adição digital também adiciona o ruído de leitura para cada fileira e limita a velocidade de aquisição.
●O padrão moderno: TDI CMOS de domínio de carga ou CCD-on-CMOS TDI
As limitações do CMOS TDI acima foram superadas recentemente com a introdução do CMOS TDI de acumulação de domínio de carga, também conhecido como CCD-on-CMOS TDI. A operação desses sensores é demonstrada em [Animação 1]. Como o nome indica, esses sensores oferecem o movimento de cargas semelhante ao CCD de um pixel para o próximo, acumulando sinal em cada estágio do TDI por meio da adição de fotoelétrons no nível de cargas individuais. Isso é efetivamente livre de ruído. No entanto, as limitações do CCD TDI são superadas com o uso da arquitetura de leitura CMOS, permitindo as altas velocidades, baixo ruído e baixo consumo de energia comuns às câmeras CMOS.
Especificações TDI: o que importa?
●Tecnologia:O fator mais importante é a tecnologia de sensor utilizada, conforme discutido acima. O CMOS TDI de domínio de carga proporcionará o melhor desempenho.
●Estágios do TDI:Este é o número de fileiras do sensor sobre as quais o sinal pode ser acumulado. Quanto mais estágios TDI uma câmera tiver, maior será seu tempo de exposição efetivo. Ou, mais rápido o objeto da imagem poderá se mover, desde que a câmera tenha uma taxa de linha suficiente.
●Taxa de linha:Quantas linhas a câmera consegue ler por segundo. Isso determina a velocidade máxima de movimento que a câmera consegue acompanhar.
●Eficiência Quântica: Indica a sensibilidade da câmera à luz em diferentes comprimentos de onda, dada pela probabilidade de um fóton incidente ser detectado e produzir um fotoelétron. Uma maior eficiência quântica pode proporcionar menor intensidade de iluminação ou operação mais rápida, mantendo os mesmos níveis de sinal.
Além disso, as câmeras diferem na faixa de comprimento de onda na qual uma boa sensibilidade pode ser alcançada, com algumas câmeras oferecendo sensibilidade até a extremidade ultravioleta (UV) do espectro, em torno de 200 nm de comprimento de onda.
●Ruído de leitura:O ruído de leitura é outro fator significativo na sensibilidade de uma câmera, determinando o sinal mínimo que pode ser detectado acima do nível de ruído da câmera. Com alto ruído de leitura, elementos escuros não podem ser detectados e a faixa dinâmica é severamente reduzida, o que significa que é necessário usar iluminação mais forte ou tempos de exposição mais longos e velocidades de movimento mais lentas.
Especificações TDI: o que importa?
Atualmente, as câmeras TDI são utilizadas para inspeção de bandas, inspeção eletrônica e de manufatura, além de outras aplicações de visão computacional. Além disso, existem aplicações desafiadoras com pouca luz, como imagens de fluorescência e escaneamento de lâminas.
No entanto, com a introdução de câmeras CMOS TDI de alta velocidade, baixo ruído e alta sensibilidade, há um grande potencial para aumento de velocidade e eficiência em novas aplicações que antes utilizavam apenas câmeras de varredura de área. Como mencionamos no início do artigo, as câmeras TDI podem ser a melhor escolha para alcançar altas velocidades e alta qualidade de imagem, seja para capturar imagens de objetos em movimento constante ou para situações em que a câmera possa varrer objetos estáticos.
Por exemplo, em uma aplicação de microscopia, poderíamos comparar a velocidade teórica de aquisição de uma câmera TDI de 9K pixels, 256 estágios e pixels de 5 µm com uma câmera de varredura de área de 12 MP com pixels de 5 µm. Vamos analisar a aquisição de uma área de 10 x 10 mm com ampliação de 20x movendo o estágio.
1. Usar uma objetiva de 20x com a câmera de varredura de área proporcionaria um campo de visão de imagem de 1,02 x 0,77 mm.
2. Com a câmera TDI, uma objetiva de 10x com uma ampliação adicional de 2x pode ser usada para superar qualquer limitação no campo de visão do microscópio, para fornecer um campo de visão de imagem horizontal de 2,3 mm.
3. Considerando uma sobreposição de 2% de pixels entre as imagens para fins de costura, 0,5 segundo para mover a platina para um local definido e um tempo de exposição de 10 ms, podemos calcular o tempo que a câmera de varredura de área levaria. Da mesma forma, podemos calcular o tempo que a câmera TDI levaria se a platina fosse mantida em movimento constante para varrer na direção Y, com o mesmo tempo de exposição por linha.
4. Neste caso, a câmera de varredura de área precisaria de 140 imagens para ser adquirida, com 63 segundos gastos para mover a platina. A câmera TDI adquiriria apenas 5 imagens longas, com apenas 2 segundos gastos para mover a platina para a próxima coluna.
5. O tempo total gasto na aquisição da área de 10 x 10 mm seria64,4 segundos para a câmera de varredura de área,e apenas9,9 segundos para a câmera TDI.
Se você gostaria de ver se uma câmera TDI pode corresponder à sua aplicação e atender às suas necessidades, entre em contato conosco hoje mesmo.
