25/08/08În imagistica industrială și științifică, capturarea obiectelor în mișcare rapidă în condiții de lumină slabă reprezintă o provocare constantă. Aici intervin camerele cu integrare a întârzierii temporale (TDI). Tehnologia TDI combină sincronizarea mișcării și expunerile multiple pentru a oferi o sensibilitate și o claritate excepționale a imaginii, în special în medii de mare viteză.
Ce este o cameră TDI?
O cameră TDI este o cameră specializată cu scanare liniară care captează imagini ale obiectelor în mișcare. Spre deosebire de camerele standard cu scanare de arie care expun un întreg cadru dintr-o dată, camerele TDI mută sarcina de la un rând de pixeli la altul în sincronizare cu mișcarea obiectului. Fiecare rând de pixeli acumulează lumină pe măsură ce subiectul se mișcă, crescând efectiv timpul de expunere și sporind puterea semnalului fără a introduce neclaritate de mișcare.
Această integrare a încărcării crește dramatic raportul semnal-zgomot (SNR), ceea ce face ca camerele TDI să fie ideale pentru aplicații de mare viteză sau în condiții de lumină slabă.
Cum funcționează o cameră TDI?
Funcționarea unei camere TDI este ilustrată în Figura 1.
Figura 1: Funcționarea senzorilor de integrare a întârzierii temporale (TDI)
NOTA: Camerele TDI mișcă sarcinile dobândite prin mai multe „etape” în sincronizare cu un subiect în mișcare. Fiecare etapă oferă o șansă suplimentară de a fi expus la lumină. Ilustrat printr-un „T” luminos care se mișcă printr-o cameră, cu un segment de 5 coloane pe 5 etape al unui senzor TDI. Tucsen Dhyana 9KTDI cu mișcare de sarcină hibridă în stil CCD, dar citire paralelă în stil CMOS.
Camerele TDI sunt practic camere cu scanare liniară, cu o distincție importantă: în loc de un rând de pixeli care achiziționează date pe măsură ce camerele sunt scanate pe un subiect în imagine, camerele TDI au mai multe rânduri, cunoscute sub numele de „etape”, până la de obicei 256.
Totuși, aceste rânduri nu formează o imagine bidimensională precum o cameră cu scanare de suprafață. În schimb, pe măsură ce un subiect scanat se mișcă peste senzorul camerei, fotoelectronii detectați din fiecare pixel se deplasează către următorul rând în sincronizare cu mișcarea subiectului imagistic, fără a fi încă citiți. Fiecare rând suplimentar oferă apoi o oportunitate suplimentară de a expune subiectul imagistic la lumină. Numai după ce o felie de imagine ajunge la ultimul rând de pixeli al senzorului, acel rând este transmis arhitecturii de citire pentru măsurare.
Prin urmare, în ciuda efectuării mai multor măsurători pe etape ale camerei, este introdusă o singură instanță a zgomotului de citire al camerei. O cameră TDI cu 256 de etape menține eșantionul în câmpul vizual de 256 de ori mai mult timp și, prin urmare, are un timp de expunere de 256 de ori mai lung decât o cameră echivalentă cu scanare liniară. Un timp de expunere echivalent cu o cameră cu scanare de suprafață ar produce o estompare extremă a mișcării, făcând imaginea inutilă.
Când se poate utiliza TDI?
Camerele TDI sunt o soluție excelentă pentru orice aplicație de imagistică în care subiectul fotografiat este în mișcare față de cameră, cu condiția ca mișcarea să fie uniformă pe întregul câmp vizual al camerei.
Prin urmare, aplicațiile imagisticii TDI includ, pe de o parte, toate cele de scanare liniară în care se formează imagini bidimensionale, aducând în același timp viteze mai mari, o sensibilitate mult îmbunătățită la lumină slabă, o calitate mai bună a imaginii sau toate trei simultan. Pe de altă parte, există numeroase tehnici de imagistică care utilizează camere cu scanare de arie unde se pot utiliza camere TDI.
Pentru sCMOS TDI de înaltă sensibilitate, imagistica „tile and stitch” în microscopia biologică cu fluorescență poate fi efectuată utilizând o scanare continuă a platformei în locul tiling-ului. Sau, toate TDI-urile pot fi potrivite pentru aplicațiile de inspecție. O altă aplicație importantă pentru TDI este citometria în flux imagistică, unde imaginile fluorescente ale celulelor sunt achiziționate pe măsură ce trec printr-o cameră în timp ce curg printr-un canal microfluidic.
Avantaje și dezavantaje ale sCMOS TDI
Avantaje
● Poate captura imagini bidimensionale de dimensiuni arbitrare la viteză mare atunci când scanează pe un subiect de imagine.
● Mai multe etape TDI, zgomot redus și QE ridicat pot duce la o sensibilitate drastic mai mare decât camerele cu scanare liniară.
● Se pot atinge viteze de citire foarte mari, de exemplu, de până la 510.000 Hz (linii pe secundă), pentru o imagine cu lățimea de 9.072 pixeli.
●Iluminarea trebuie să fie doar unidimensională și nu poate necesita corecții de câmp plat sau alte corecții în a doua dimensiune (scanată). În plus, timpii de expunere mai lungi, comparativ cu scanarea liniară, pot „netezi” pâlpâirea cauzată de sursele de lumină de curent alternativ.
● Imaginile în mișcare pot fi achiziționate fără neclaritate de mișcare și cu viteză și sensibilitate ridicate.
●Scanarea suprafețelor mari poate fi drastic mai rapidă decât cu camerele de scanare a zonei.
● Cu software avansat sau setări de declanșare, un mod „asemănător scanării zonei” poate oferi o imagine de ansamblu asupra scanării zonei pentru focalizare și aliniere.
Contra
● Zgomot încă mai mare decât camerele sCMOS convenționale, ceea ce înseamnă că aplicațiile în condiții de lumină ultra-slabă sunt inaccesibile.
● Necesită configurări specializate cu declanșare avansată pentru a sincroniza mișcarea subiectului fotografiat cu scanarea camerei, un control foarte fin al vitezei de mișcare sau o predicție precisă a vitezei pentru a permite sincronizarea.
● Fiind o tehnologie nouă, există în prezent puține soluții pentru implementarea hardware și software.
sCMOS TDI compatibil cu lumină slabă
Deși TDI ca tehnică de imagistică este anterioară imagisticii digitale și a depășit cu mult timp scanarea liniară în ceea ce privește performanța, abia în ultimii ani camerele TDI au dobândit sensibilitatea necesară pentru a ajunge la aplicațiile în lumină slabă care, în mod normal, ar necesita sensibilitatea unor tehnici de nivel științific.camere sCMOS.
„sCMOS TDI” combină mișcarea sarcinilor senzorului în stil CCD cu citirea în stil sCMOS, cu senzori iluminați din spate. Camerele TDI anterioare bazate pe CCD sau pur CMOS* aveau o citire drastic mai lentă, un număr mai mic de pixeli, mai puține etape și zgomot de citire între 30e- și >100e-. În schimb, camerele sCMOS TDI, cum ar fi Tucsen...Cameră Dhyana 9KTDI sCMOSoferă un zgomot de citire de 7,2e-, combinat cu o eficiență cuantică mai mare prin iluminare din spate, permițând utilizarea TDI în aplicații cu nivel de lumină semnificativ mai scăzut decât era posibil anterior.
În multe aplicații, timpii de expunere mai lungi obținuți de procesul TDI pot compensa cu prisosință creșterea zgomotului de citire în comparație cu camerele sCMOS de înaltă calitate cu scanare de arie, cu zgomot de citire apropiat de 1e-.
Aplicații comune ale camerelor TDI
Camerele TDI se găsesc în multe industrii unde precizia și viteza sunt la fel de importante:
● Inspecția plachetelor semiconductoare
● Testarea afișajelor cu ecran plat (FPD)
● Inspecție web (hârtie, folie, hârtie, textile)
● Scanare cu raze X în diagnosticare medicală sau controlul bagajelor
● Scanare lame și plăci multi-godeu în patologia digitală
● Imagistică hiperspectrală în teledetecție sau agricultură
● Inspecție PCB și electronică în linii SMT
Aceste aplicații beneficiază de contrastul, viteza și claritatea îmbunătățite pe care le oferă imagistica TDI în condiții reale.
Exemplu: Scanare lame și plăci cu godeuri multiple
Așa cum am menționat, o aplicație cu potențial semnificativ pentru camerele sCMOS TDI este cea de îmbinare, inclusiv scanarea cu diapozitive sau plăci cu mai multe godeuri. Scanarea probelor mari de microscopie fluorescentă sau în câmp luminos cu camere bidimensionale se bazează pe îmbinarea unei grile de imagini formate din mișcări multiple ale unei platforme de microscop XY. Fiecare imagine necesită oprirea, stabilizarea și apoi repornirea platformei, împreună cu orice întârziere a obturatorului rulant. TDI, pe de altă parte, poate achiziționa imagini în timp ce platforma este în mișcare. Imaginea este apoi formată dintr-un număr mic de „benzi” lungi, fiecare acoperind întreaga lățime a probei. Acest lucru poate duce la viteze de achiziție și la un randament de date drastic mai mari în toate aplicațiile de îmbinare, în funcție de condițiile de imagistică.
Viteza cu care se poate mișca platforma este invers proporțională cu timpul total de expunere al camerei TDI, astfel încât timpii de expunere scurți (1-20 ms) oferă cea mai mare îmbunătățire a vitezei de imagistică în comparație cu camerele cu scanare de suprafață, ceea ce poate duce apoi la o reducere de un ordin de mărime sau mai mare a timpului total de achiziție. Pentru timpi de expunere mai lungi (de exemplu, > 100 ms), scanarea de suprafață poate păstra de obicei un avantaj de timp.
Un exemplu de imagine de microscopie cu fluorescență foarte mare (2 Gigapixeli) formată în doar zece secunde este prezentat în Figura 2. O imagine echivalentă formată cu o cameră de scanare a zonei ar putea dura până la câteva minute.
Figura 2: Imagine de 2 gigapixeli formată în 10 secunde prin scanare și îmbinare TDI
NOTA: Imagine cu mărire de 10x, obținută folosind Tucsen Dhyana 9kTDI, a unor puncte de marker evidențiator vizualizate cu microscopie cu fluorescență. Achiziționată în 10 secunde folosind un timp de expunere de 3,6 ms. Dimensiunile imaginii: 30 mm x 17 mm, 58.000 x 34.160 pixeli.
Sincronizarea TDI
Sincronizarea unei camere TDI cu subiectul fotografiat (cu o precizie de câteva procente) este esențială – nepotrivirea de viteză va duce la un efect de „neclaritate a mișcării”. Această sincronizare se poate face în două moduri:
PredictivViteza camerei este setată pentru a se potrivi cu viteza de mișcare pe baza cunoașterii vitezei de mișcare a eșantionului, a opticii (mărire) și a dimensiunii pixelilor camerei. Sau prin încercări și erori.
DeclanșatMulte platforme, portaluri și alte echipamente pentru microscop, utilizate pentru mișcarea subiecților imagistici, pot include codificatoare care trimit un impuls de declanșare către cameră pentru o anumită distanță de mișcare. Acest lucru permite platformei/portului și camerei să rămână sincronizate, indiferent de viteza de mișcare.
Camere TDI vs. camere cu scanare liniară și camere cu scanare de zonă
Iată cum se compară TDI cu alte tehnologii populare de imagistică:
| Caracteristică | Cameră TDI | Cameră de scanare liniară | Cameră de scanare a zonei |
| Sensibilitate | Foarte ridicat | Mediu | Scăzut spre mediu |
| Calitatea imaginii (mișcare) | Excelent | Bun | Neclar la viteze mari |
| Cerințe de iluminare | Scăzut | Mediu | Ridicat |
| Compatibilitate cu mișcarea | Excelent (dacă este sincronizat) | Bun | Sărac |
| Cel mai bun pentru | Viteză mare, lumină slabă | Obiecte în mișcare rapidă | Scene statice sau lente |
TDI este alegerea clară atunci când scena se mișcă rapid și nivelurile de lumină sunt limitate. Scanarea liniară este o etapă inferioară a sensibilității, în timp ce scanarea de zonă este mai bună pentru configurații simple sau staționare.
Alegerea camerei TDI potrivite
Atunci când alegeți o cameră TDI, luați în considerare următoarele:
● Numărul de etape TDI: Mai multe etape cresc raportul semnal-zgomot (SNR), dar și costul și complexitatea.
● Tip senzor: sCMOS este preferat pentru viteza și zgomotul redus; CCD poate fi totuși potrivit pentru unele sisteme vechi.
● Interfață: Asigurați compatibilitatea cu sistemul dvs. — Camera Link, CoaXPress și 10GigE sunt opțiuni comune, 100G CoF și 40G CoF au apărut ca noi tendințe.
● Răspuns spectral: Alegeți între monocrom, color sau infraroșu apropiat (NIR) în funcție de nevoile aplicației.
● Opțiuni de sincronizare: Căutați funcții precum intrări pentru encoder sau suport pentru declanșatoare externe pentru o mai bună aliniere a mișcării.
Dacă aplicația dumneavoastră implică probe biologice delicate, inspecții de mare viteză sau medii cu lumină slabă, sCMOS TDI este probabil soluția potrivită.
Concluzie
Camerele TDI reprezintă o evoluție puternică în tehnologia imagistică, în special atunci când sunt construite pe senzori sCMOS. Prin combinarea sincronizării mișcării cu integrarea multi-linie, acestea oferă o sensibilitate și o claritate de neegalat pentru scenele dinamice, în condiții de lumină slabă.
Indiferent dacă inspectați napolitane, scanați lame sau efectuați inspecții de mare viteză, înțelegerea modului în care funcționează TDI vă poate ajuta să alegeți cea mai bună soluție dintre...camere științificepentru provocările tale de imagistică.
FAQ
Pot camerele TDI să funcționeze în modul de scanare a zonei?
Camerele TDI pot crea imagini bidimensionale (foarte subțiri) într-un mod de „scanare de suprafață”, realizat printr-un truc de sincronizare a senzorilor. Acest lucru poate fi util pentru sarcini precum focalizarea și alinierea.
Pentru a începe o „expunere de scanare a zonei”, senzorul este mai întâi „curățat” prin avansarea TDI cu cel puțin atâtea etape câte etape are camera, cât mai repede posibil, apoi oprirea. Acest lucru se realizează fie prin control software, fie prin declanșare hardware și, în mod ideal, se efectuează pe întuneric. De exemplu, o cameră cu 256 de etape ar trebui să citească cel puțin 256 de linii, apoi să se oprească. Aceste 256 de linii de date sunt eliminate.
În timp ce camera nu este declanșată și nu se citesc linii, senzorul se comportă exact ca un senzor de scanare a zonei, expunând o imagine.
Timpul de expunere dorit ar trebui să treacă apoi cu camera în repaus, înainte de a avansa din nou camera cu cel puțin numărul său de etape, citind fiecare linie a imaginii tocmai achiziționate. În mod ideal, această fază de „citire” ar trebui să aibă loc în întuneric.
Această tehnică poate fi repetată pentru a oferi o „previzualizare live” sau o secvență de imagini de scanare a zonei cu distorsiuni și estompare minime cauzate de operațiunea TDI.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Toate drepturile rezervate. Când citați, vă rugăm să menționați sursa:www.tucsen.com
