22/07/13Integrarea întârzierii temporale (TDI) este o tehnică de imagistică anterioară imagisticii digitale, dar care oferă în continuare avantaje extraordinare în avangarda imagisticii de astăzi. Există două circumstanțe în care camerele TDI pot excela - ambele când subiectul fotografiat este în mișcare:
1 – Subiectul imagistic este în mod inerent în mișcare cu o viteză constantă, ca în cazul inspecției web (cum ar fi scanarea foilor de hârtie, plastic sau material textil în mișcare pentru defecte și deteriorări), liniilor de asamblare sau microfluidicii și fluxurilor de fluide.
2 – Subiecți statici care ar putea fi fotografiați cu o cameră deplasată dintr-o zonă în alta, fie prin mișcarea subiectului, fie a camerei. Exemplele includ scanarea lamelor de microscop, inspecția materialelor, inspecția ecranelor plate etc.
Dacă oricare dintre aceste circumstanțe se aplică imagisticii dumneavoastră, această pagină web vă va ajuta să luați în considerare dacă trecerea de la camerele convenționale bidimensionale cu „scanare de suprafață” la camerele TDI cu scanare liniară ar putea îmbunătăți imagistica dumneavoastră.
Problema cu scanarea zonei și țintele mobile
● Neclaritate de mișcare
Unele subiecți fotografiați sunt în mișcare din necesitate, de exemplu în cazul fluxului de fluide sau al inspecției benzilor web. În alte aplicații, cum ar fi scanarea diapozitivelor și inspecția materialelor, menținerea subiectului în mișcare poate fi considerabil mai rapidă și mai eficientă decât oprirea mișcării pentru fiecare imagine achiziționată. Cu toate acestea, pentru camerele cu scanare de suprafață, dacă subiectul fotografiat este în mișcare față de cameră, acest lucru poate reprezenta o provocare.
Neclaritate de mișcare care distorsionează imaginea unui vehicul în mișcare
În situații cu iluminare limitată sau unde sunt necesare calități ridicate ale imaginii, ar putea fi de dorit un timp lung de expunere a camerei. Cu toate acestea, mișcarea subiectului își va răspândi lumina pe mai mulți pixeli ai camerei în timpul expunerii, ducând la „neclaritate de mișcare”. Acest lucru poate fi redus la minimum prin menținerea unor expuneri foarte scurte - sub timpul necesar unui punct de pe subiect pentru a traversa un pixel al camerei. Aceasta este...unde obicei în detrimentul unor imagini întunecate, zgomotoase, adesea inutilizabile.
●Cusături
În plus, imagistica de obicei a unor subiecți mari sau continui cu camere de scanare a zonei necesită achiziționarea mai multor imagini, care sunt apoi îmbinate. Această îmbinare necesită suprapunerea pixelilor între imaginile vecine, reducând eficiența și crescând cerințele de stocare și procesare a datelor.
●Iluminare neuniformă
Mai mult, iluminarea va fi rareori suficientă pentru a evita problemele și artefactele la marginile dintre imaginile îmbinate. De asemenea, pentru a asigura iluminarea unei suprafețe suficient de mari pentru camera de scanare a zonei, cu o intensitate suficientă, este adesea necesară utilizarea unor surse de lumină de curent continuu de mare putere și costuri ridicate.
Iluminare inegală în cusătura unei achiziții multiple de imagini a creierului unui șoarece. Imagine din Watson și colab. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Ce este o cameră TDI și cum ajută?
În camerele convenționale cu scanare bidimensională, există trei faze de achiziție a unei imagini: resetarea pixelilor, expunerea și citirea. În timpul expunerii, sunt detectați fotoni din scenă, rezultând fotoelectroni, care sunt stocați în pixelii camerei până la sfârșitul expunerii. Valorile fiecărui pixel sunt apoi citite și se formează o imagine 2D. Pixelii sunt apoi resetați și toate sarcinile sunt eliminate pentru a începe următoarea expunere.
Totuși, așa cum s-a menționat, dacă subiectul fotografiat se mișcă în raport cu camera, lumina de la subiect se poate răspândi pe mai mulți pixeli în timpul acestei expuneri, ducând la neclaritate prin mișcare. Camerele TDI depășesc această limitare folosind o tehnică inovatoare. Acest lucru este demonstrat în [Animația 1].
●Cum funcționează camerele TDI
Camerele TDI funcționează într-un mod fundamental diferit față de camerele cu scanare de suprafață. Pe măsură ce subiectul fotografiat se mișcă pe cameră în timpul expunerii, sarcinile electronice care alcătuiesc imaginea achiziționată se mișcă și ele, rămânând sincronizate. În timpul expunerii, camerele TDI sunt capabile să amestece toate sarcinile achiziționate de la un rând de pixeli la altul, de-a lungul camerei, sincronizate cu mișcarea subiectului fotografiat. Pe măsură ce subiectul se mișcă pe cameră, fiecare rând (cunoscut sub numele de „Etapă TDI”) oferă o nouă oportunitate de a expune camera la subiect și de a acumula semnal.
Odată ce un rând de sarcini dobândite ajunge la capătul camerei, abia atunci valorile sunt citite și stocate ca o felie unidimensională a imaginii. Imaginea bidimensională se formează prin lipirea fiecărei felii succesive a imaginii pe măsură ce camera le citește. Fiecare rând de pixeli din imaginea rezultată urmărește și fotografiază aceeași „felie” a subiectului fotografiat, ceea ce înseamnă că, în ciuda mișcării, nu există neclaritate.
●Expunere de 256x mai lungă
În cazul camerelor TDI, timpul efectiv de expunere al imaginii este dat de timpul total necesar unui punct de pe subiect pentru a traversa fiecare rând de pixeli, existând până la 256 de etape disponibile pe unele camere TDI. Aceasta înseamnă că timpul de expunere disponibil este efectiv de 256 de ori mai mare decât ar putea realiza o cameră cu scanare de zonă.
Acest lucru poate oferi oricare dintre cele două îmbunătățiri sau un echilibru al ambelor. În primul rând, se poate obține o creștere semnificativă a vitezei de imagistică. Comparativ cu o cameră de scanare a zonei, subiectul imagistic se poate mișca de până la 256 de ori mai repede, captând în același timp aceeași cantitate de semnal, cu condiția ca rata de linie a camerei să fie suficient de rapidă pentru a ține pasul.
Pe de altă parte, dacă este necesară o sensibilitate mai mare, timpul de expunere mai lung ar putea permite obținerea unor imagini de calitate mult mai bună, o intensitate a iluminării mai mică sau ambele.
●Debit mare de date fără îmbinare
Întrucât camera TDI produce o imagine bidimensională din felii unidimensionale succesive, imaginea rezultată poate fi de o anumită dimensiune. În timp ce numărul de pixeli în direcția „orizontală” este dat de lățimea camerei, de exemplu 9072 pixeli, dimensiunea „verticală” a imaginii este nelimitată și este determinată pur și simplu de durata de funcționare a camerei. Cu rate de linie de până la 510 kHz, aceasta poate oferi un debit masiv de date.
În combinație cu acestea, camerele TDI pot oferi câmpuri vizuale foarte largi. De exemplu, o cameră de 9072 pixeli cu pixeli de 5µm oferă un câmp vizual orizontal de 45 mm cu rezoluție ridicată. Pentru a obține aceeași lățime a imaginii cu o cameră de scanare cu o suprafață de pixel de 5µm, ar fi necesare până la trei camere 4K una lângă alta.
●Îmbunătățiri față de camerele cu scanare liniară
Camerele TDI nu oferă doar îmbunătățiri față de camerele cu scanare de arie. Camerele cu scanare liniară, care capturează doar o singură linie de pixeli, suferă, de asemenea, de multe dintre aceleași probleme legate de intensitatea iluminării și expunerile scurte ca și camerele cu scanare de arie.
Deși, la fel ca camerele TDI, camerele cu scanare liniară oferă o iluminare mai uniformă cu o configurație mai simplă și evită necesitatea îmbinării imaginilor, acestea pot necesita adesea o iluminare foarte intensă și/sau o mișcare lentă a subiectului pentru a capta suficient semnal pentru o imagine de înaltă calitate. Expunerile mai lungi și vitezele mai mari ale subiectului pe care le permit camerele TDI înseamnă că se poate utiliza o iluminare cu intensitate mai mică și costuri mai mici, îmbunătățind în același timp eficiența imagisticii. De exemplu, o linie de producție poate fi capabilă să treacă de la lămpi cu halogen, cu costuri mari și consum mare de energie, care necesită alimentare cu curent continuu, la iluminare cu LED-uri.
Cum funcționează camerele TDI?
Există trei standarde comune pentru modul de obținere a imaginilor TDI pe un senzor de cameră.
● CCD TDI– Camerele CCD sunt cel mai vechi tip de cameră digitală. Datorită designului lor electronic, obținerea comportamentului TDI pe un CCD este relativ foarte simplă, mulți senzori ai camerei putând funcționa în mod inerent în acest fel. Prin urmare, CCD-urile TDI sunt utilizate de zeci de ani.
Cu toate acestea, tehnologia CCD are limitele sale. Cea mai mică dimensiune a pixelului disponibilă în mod obișnuit pentru camerele CCD TDI este de aproximativ 12µm x 12µm – acest lucru, împreună cu numărul mic de pixeli, limitează capacitatea camerelor de a rezolva detalii fine. Mai mult, viteza de achiziție este mai mică decât în cazul altor tehnologii, în timp ce zgomotul de citire – un factor limitator major în imagistica în lumină slabă – este ridicat. Consumul de energie este, de asemenea, ridicat, ceea ce este un factor major în unele aplicații. Acest lucru a dus la dorința de a crea camere TDI bazate pe arhitectura CMOS.
●CMOS TDI timpuriu: Domeniul de tensiune și însumare digitală
Camerele CMOS depășesc multe dintre limitările de zgomot și viteză ale camerelor CCD, consumând în același timp mai puțină energie și oferind dimensiuni mai mici ale pixelilor. Cu toate acestea, comportamentul TDI a fost mult mai greu de obținut la camerele CMOS, din cauza designului pixelilor. În timp ce CCD-urile mișcă fizic fotoelectronii de la un pixel la altul pentru a gestiona senzorul, camerele CMOS convertesc semnalele din fotoelectroni în tensiuni în fiecare pixel înainte de citire.
Comportamentul TDI pe un senzor CMOS a fost explorat încă din 2001, însă provocarea privind modul de gestionare a „acumulării” de semnal pe măsură ce expunerea se deplasează de la un rând la altul a fost semnificativă. Două metode timpurii pentru CMOS TDI, încă utilizate în camerele comerciale de astăzi, sunt acumularea în domeniul tensiunii și însumarea digitală TDI CMOS. În camerele cu acumulare în domeniul tensiunii, pe măsură ce fiecare rând de semnal este achiziționat pe măsură ce subiectul imaginii se deplasează, tensiunea achiziționată este adăugată electronic la achiziția totală pentru acea parte a imaginii. Acumularea de tensiuni în acest fel introduce zgomot suplimentar pentru fiecare etapă TDI suplimentară care este adăugată, limitând beneficiile etapelor suplimentare. Problemele legate de liniaritate pun, de asemenea, la îndoială utilizarea acestor camere pentru aplicații precise.
A doua metodă este TDI cu însumare digitală. În această metodă, o cameră CMOS funcționează efectiv în modul de scanare a zonei, cu o expunere foarte scurtă, adaptată la timpul necesar subiectului fotografiat pentru a se deplasa pe un singur rând de pixeli. Însă, rândurile din fiecare cadru succesiv sunt însumate digital, astfel încât să se obțină un efect TDI. Deoarece întreaga cameră trebuie citită pentru fiecare rând de pixeli din imaginea rezultată, această însumare digitală adaugă și zgomotul de citire pentru fiecare rând și limitează viteza de achiziție.
●Standardul modern: CMOS TDI cu domeniu de sarcină sau CCD-on-CMOS TDI
Limitările senzorilor CMOS TDI de mai sus au fost depășite recent prin introducerea senzorilor CMOS TDI cu acumulare în domeniul sarcinii, cunoscuți și sub denumirea de CCD-on-CMOS TDI. Funcționarea acestor senzori este demonstrată în [Animația 1]. După cum sugerează și numele, acești senzori oferă o mișcare similară CCD a sarcinilor de la un pixel la altul, acumulând semnal la fiecare etapă TDI prin adăugarea de fotoelectroni la nivelul sarcinilor individuale. Acest lucru este practic fără zgomot. Cu toate acestea, limitările senzorilor CCD TDI sunt depășite prin utilizarea arhitecturii de citire CMOS, permițând viteze mari, zgomot redus și consum redus de energie, comune camerelor CMOS.
Specificațiile TDI: ce contează?
●Tehnologie:Cel mai important factor este tehnologia senzorilor utilizată, așa cum s-a discutat mai sus. CMOS TDI în domeniul sarcinii va oferi cea mai bună performanță.
●Etapele TDI:Acesta este numărul de rânduri ale senzorului pe care se poate acumula semnalul. Cu cât o cameră are mai multe etape TDI, cu atât timpul său efectiv de expunere poate fi mai lung. Sau, cu atât mai repede se poate mișca subiectul fotografiat, cu condiția ca camera să aibă o rată de linie suficientă.
●Rată linie:Câte rânduri poate citi camera pe secundă. Aceasta determină viteza maximă de mișcare pe care o poate menține camera.
●Eficiență cuanticăAceasta indică sensibilitatea camerei la lumină la diferite lungimi de undă, dată de probabilitatea ca un foton incident să fie detectat și să producă un fotoelectron. O eficiență cuantică mai mare poate oferi o intensitate de iluminare mai mică sau o funcționare mai rapidă, menținând în același timp aceleași niveluri de semnal.
În plus, camerele diferă în ceea ce privește intervalul de lungimi de undă la care se poate obține o sensibilitate bună, unele camere oferind sensibilitate până la capătul ultraviolet (UV) al spectrului, la o lungime de undă de aproximativ 200 nm.
●Citiți zgomotul:Zgomotul de citire este un alt factor semnificativ în sensibilitatea unei camere, determinând semnalul minim care poate fi detectat deasupra pragului de zgomot al camerei. Cu zgomot de citire ridicat, caracteristicile întunecate nu pot fi detectate, iar gama dinamică este redusă drastic, ceea ce înseamnă că trebuie utilizată o iluminare mai puternică sau timpi de expunere mai lungi și viteze de mișcare mai mici.
Specificațiile TDI: ce contează?
În prezent, camerele TDI sunt utilizate pentru inspecția benzilor web, inspecția electronicii și a producției, precum și pentru alte aplicații de viziune artificială. Pe lângă acestea, există aplicații dificile în condiții de lumină slabă, cum ar fi imagistica fluorescentă și scanarea diapozitivelor.
Totuși, odată cu introducerea camerelor CMOS TDI de mare viteză, zgomot redus și sensibilitate ridicată, există un potențial mare pentru creșterea vitezei și a eficienței în noile aplicații care anterior utilizau doar camere cu scanare de arie. Așa cum am introdus la începutul articolului, camerele TDI pot fi cea mai bună alegere pentru atingerea unor viteze mari și a unor calități ridicate ale imaginii, fie pentru subiecții aflați deja în mișcare constantă, fie pentru cei care pot scana camera pe subiecți statici.
De exemplu, într-o aplicație de microscopie, am putea compara viteza teoretică de achiziție a unei camere TDI de 9K pixeli, 256 de etape, cu pixeli de 5 µm, cu o cameră de scanare a suprafeței de 12MP, cu pixeli de 5 µm. Să examinăm achiziționarea unei suprafețe de 10 x 10 mm cu o mărire de 20x prin mișcarea platformei.
1. Utilizarea unui obiectiv de 20x cu camera de scanare a zonei ar oferi un câmp vizual de imagistică de 1,02 x 0,77 mm.
2. Cu camera TDI, un obiectiv de 10x cu o mărire suplimentară de 2x ar putea fi utilizat pentru a depăși orice limitare a câmpului vizual al microscopului, pentru a oferi un câmp vizual orizontal de imagistică de 2,3 mm.
3. Presupunând o suprapunere de 2% a pixelilor între imagini în scopul îmbinării, 0,5 secunde pentru a muta platforma într-o locație setată și un timp de expunere de 10 ms, putem calcula timpul necesar camerei de scanare a zonei. În mod similar, putem calcula timpul necesar camerei TDI dacă platforma ar fi ținută în mișcare constantă pentru a scana în direcția Y, cu același timp de expunere pe linie.
4. În acest caz, camera de scanare a zonei ar necesita achiziționarea a 140 de imagini, cu 63 de secunde petrecute pentru mutarea platformei. Camera TDI ar achiziționa doar 5 imagini lungi, cu doar 2 secunde petrecute pentru mutarea platformei în coloana următoare.
5. Timpul total petrecut pentru obținerea suprafeței de 10 x 10 mm ar fi64,4 secunde pentru camera de scanare a zonei,și doar9,9 secunde pentru camera TDI.
Dacă doriți să vedeți dacă o cameră TDI s-ar potrivi aplicației și ar putea îndeplini nevoile dumneavoastră, contactați-ne astăzi.
