15.06.2022Захват нерезкого света представляет собой сложную задачу для получения четких высококонтрастных изображений во многих областях фотосъемки. Цифровая сканирующая световая плоскостная микроскопия (DSLM) предлагает мощный способ уменьшения захвата нерезкого света за счет синхронизации освещения с «роллинг-шаттером» современных CMOS-камер. Однако эта точная синхронизация требует полного контроля над работой роллинг-шаттера камеры — функция, предлагаемая камерами Tucsen с режимом управления роллинг-шаттером.
Что такое рольставни?
Затвор — это часть камеры, которая запускает и останавливает экспозицию. Ранее в научных камерах использовались механические затворы, открывавшиеся для экспозиции и закрывавшиеся для завершения экспозиции. Механические затворы работали медленно и имели проблемы с надежностью при длительном использовании. Сейчас в научных камерах используются электронные затворы, которые значительно быстрее, проще и универсальнее.
Камеры с скользящим затвором начинают захват изображения с верхней части сенсора и «прокручивают» его построчно до нижней части сенсора. Этот процесс захвата включает три этапа: сброс сигнала, экспозиция и считывание.
Экспозиция каждой строки начинается с обнуления сигнала, полученного каждым пикселем. После истечения заданного времени экспозиции для верхней строки, индикатор, отмечающий конец сбора данных, аналогичным образом сворачивается. В результате остается область активных пикселей, которая простирается сверху вниз по камере, а ее высота определяется длительностью экспозиции. При работе камеры на полной скорости задержка на строку обычно составляет от 5 до 25 микросекунд на строку пикселей, в зависимости от скорости камеры.
Для использования оптических технологий, требующих синхронизации сканирования освещения и эффекта «роллинг-шаттера» камеры, обычно эта задержка слишком мала, а это значит, что «роллинг-шаттер» срабатывает слишком быстро, чтобы другое оборудование могло за ним угнаться. Именно здесь на помощь приходит режим управления «роллинг-шаттером».
Рисунок 1: Схема работы рольставней
Как работает режим управления рулонными шторами
Благодаря встроенному интеллекту в камерах Tucsen, работу скользящего затвора можно точно настроить для синхронизации с внешним оборудованием. Добавив небольшую дополнительную задержку между сбросом и считыванием каждой строки, можно контролировать время, необходимое для сканирования активной области пикселя по сенсору, что позволяет обеспечить эту синхронизацию.
Кроме того, высоту щели сканируемой активной области можно точно настроить. Более длительное время экспозиции или меньшая задержка по времени линии приводят к большей высоте щели. В случае DSLM это можно использовать для согласования только освещенной области образца, обеспечивая баланс между экспозицией пикселей в течение максимально возможного времени для эффективного захвата сигнала и минимизацией рассеянного света.
Фигура2Слева: Схема работы скользящего затвора на полной скорости съемки. Справа: Схема, показывающая скорость скользящего затвора в режиме управления скользящим затвором, добавляющем дополнительную задержку между каждой строкой для синхронизации с другим оборудованием.
С учетом этой необязательной задержки теперь необходимо понимать три важных параметра, определяющих работу скользящего затвора: высоту области «активных» пикселей и скорость ее перемещения по сенсору.
Время линииЭто значение по умолчанию, необходимое датчику для считывания одной строки и перехода к следующей. Оно определяет собственную «скорость» датчика камеры и может быть задано в программном обеспечении камеры или приблизительно определено для заданной области интереса (ROI) и режима камеры следующим образом:
В данном случае «Максимальная частота кадров камеры» относится к частоте кадров, когда она не ограничена ни длительностью экспозиции, ни частотой срабатывания внешнего триггера.
Время контакта:Это определяет, как долго активен каждый ряд пикселей, тем самым определяя высоту активной области для заданного времени строки и времени задержки.
Задержка в линии связи:Вот какая дополнительная задержка добавляется в режиме управления рулонными шторами. Режим управления рулонными шторами позволяет добавлять задержку.в целых кратных времени линииНапример, если время обработки строки камерой составляет 10 микросекунд, дополнительная задержка на строку составляет 1, 2,…Можно добавить до 8928, указывающих на количество кратных 10 микросекундам значений.
Также важна высота используемой области интереса (ROI), поскольку она определяет количество линий, которые активная область должна пройти вниз, прежде чем произойдет сброс.
Режимы синхронизации управления рольставнями
Для управления рольставнями предусмотрены два режима работы, в зависимости от того, какой параметр важнее контролировать.
In Режим задержки времени линииВы можете установить время задержки, как указано выше. Затем программное обеспечение сможет показать, для заданного вами времени экспозиции, какой будет результирующая высота щели — высота активных пикселей в режиме скользящего затвора.
In Высота активного пикселя / щелиВ этом режиме вы можете установить количество строк датчика, которые должны быть активны при движении скользящего затвора. Указанное вами время экспозиции будет использовано для автоматического расчета необходимой задержки времени линии, чтобы обеспечить заданную высоту щели.
Настройка режима управления рольставнями в программном обеспечении
Элементы управления режимом работы (состоянием).
Рисунок 3: Пример интерфейса управления режимом работы рольставней из программного обеспечения Tucsen Mosaic. Все опции. Доступно через MicroManager и SDK.
Доступны три режима работы (статуса):Off, Задержка линии связи, Высота щели.
• При установке значенияВыключенныйПри этом датчик работает в обычном режиме, без добавления какой-либо дополнительной задержки.
• При установке значенияЗадержка линии связиВ этом режиме вы можете указать задержку линии в единицах времени линии, как описано выше.
Рисунок 4: Параметры программного обеспечения задержки линии. Пример.Интерфейс от программного обеспечения Tucsen Mosaic. Все опции доступны через Micro-Manager и SDK.
Количество строковых временных циклов, которые можно добавить к настраиваемой задержке, варьируется от камеры к камере. Новое строковое время камеры после добавления задержки будет следующим:
Интервал между строками = Время строки(датчик)+ (Время линии)(датчик)× Задержка линии связи)
Значение параметраСкорость вращенияравноИнтервал времени строки.
Таким образом, общее время считывания изображения составляет:
Rголовавремя выхода(изображение)= Время интервала между строками×Nряды.
Nряды— это общее количество строк пикселей изображения в интересующей области. Частота кадров при съемке в этом режиме зависит от количества строк, подлежащих съемке, и времени цикла строки:
Частота кадров = 1/(Время считывания)(изображение)+ Время экспозиции)
•При установке значенияВысота щели mв коде вы можете установитьразмер сканируемой активной области, обозначаемый как t.Количество строк пикселей между сигналом «сброса» и сигналом «считывания».Диапазон высоты щели составляет от 1 до 2048 пикселей. Для перевода этого значения в физический размер умножьте его на размер пикселя, указанный в технических характеристиках камеры.
Рисунок 5: Варианты управления режимом высоты щели. Пример.Интерфейс от программного обеспечения Tucsen Mosaic. Все опции доступны через Micro-Manager и SDK.
Программа автоматически рассчитает необходимую задержку линии и интервал времени линии, формула следующая:
Задержка линии = Время экспозиции(Строки)/ Высота щели(Строки)
В режиме высокоскоростной съемки (режим усиления камеры) диапазон высоты щели можно установить только на четное число, поскольку в этом режиме считывание строк происходит попарно. Параметры в режиме высокоскоростной съемки рассчитываются следующим образом.
Задержка линии = Время экспозиции(Строки)/ ½ Высота щели(Строки)
Высота щели = (Время контакта(Строки)÷ (Задержка линии) × 2
Элементы управления направлением сканирования
Существует три варианта направления движения рольставней:
Dсобственный：Направление сканирования вниз является направлением сканирования по умолчанию для sCMOS-камер. Сканирование с использованием «роллинг-шаттера» начинается с первого ряда в верхней части сенсора и продолжается до последнего ряда в нижней части. Каждый последующий кадр начинается с первого ряда вверху.
Рисунок 6: Схема режима сканирования вниз.
Up：В режиме сканирования вверх, скользящий затвор начинает сканирование с нижнего ряда и сканирует до верхнего ряда первого ряда. Каждое последующее получение кадра начинается с нижнего ряда. Хотя порядок захвата данных на камере теперь обратный, полученное изображение, передаваемое в программное обеспечение, по-прежнему будет отображать исходную ориентацию, то есть изображение не будет перевернуто по вертикали относительно режима сканирования вниз.
Рисунок 7: Схема режима сканирования вверх
Цикл «вниз-вверх»При попеременном сканировании вверх и вниз, эффект «роллинг-шаттера» начинается с первого ряда сверху и продолжается до последнего ряда снизу. Для следующего кадра эффект «роллинг-шаттера» начинается с нижнего ряда и сканирует вверх до верхнего ряда, и так далее. Ориентация изображения, полученного в этом режиме, совпадает с ориентацией при сканировании вниз.
Рисунок 8: Схема режима циклического сканирования «вниз-вверх».
• РeaСброс направления dout
Эта функция доступна только в режиме циклического переключения «вниз-вверх».
Значение по умолчанию для этого параметра — «Да», что гарантирует, что первый кадр каждой новой последовательности получения изображений будет начинаться с самой верхней строки и сканироваться вниз.
Если для этого параметра установлено значение «Нет», первый кадр каждого нового сеанса съемки будет начинаться с позиции последнего кадра в предыдущей последовательности. Если последний кадр заканчивается в нижнем ряду, первый кадр последующих сеансов съемки будет начинаться в нижнем ряду и распространяться вверх.
