25/08/08В промышленной и научной съёмке съёмка быстро движущихся объектов в условиях слабого освещения представляет собой постоянную проблему. Именно здесь на помощь приходят камеры с интеграцией временной задержки (TDI). Технология TDI сочетает синхронизацию движения и многократную экспозицию, обеспечивая исключительную чувствительность и чёткость изображения, особенно в условиях высокой скорости.
Что такое камера TDI?
Камера TDI — это специализированная камера со строчной развёрткой, которая снимает движущиеся объекты. В отличие от стандартных камер с областью сканирования, которые экспонируют весь кадр сразу, камеры TDI переносят заряд с одного ряда пикселей на другой синхронно с движением объекта. Каждый ряд пикселей накапливает свет по мере движения объекта, что эффективно увеличивает время экспозиции и усиливает сигнал, не внося размытости при движении.
Такая интеграция заряда значительно повышает соотношение сигнал/шум (SNR), что делает камеры TDI идеальными для высокоскоростных съемок или работ в условиях слабого освещения.
Как работает камера TDI?
Работа камеры TDI проиллюстрирована на рисунке 1.
Рисунок 1: Работа датчиков временной задержки интегрирования (TDI)
ПРИМЕЧАНИЕ: Камеры TDI перемещают полученные заряды через несколько «ступеней» синхронно с движущимся объектом съёмки. Каждая ступень даёт дополнительную возможность экспонирования. Изображение представлено яркой буквой «Т», движущейся по камере, с сегментом сенсора TDI размером 5 столбцов и 5 ступеней. Tucsen Dhyana 9KTDI с гибридным перемещением заряда по ПЗС-матрице и параллельным считыванием по КМОП-матрице.
Камеры TDI фактически являются камерами со строчной разверткой, но с одним важным отличием: вместо одной строки пикселей, собирающих данные при сканировании камеры по объекту съемки, камеры TDI имеют несколько строк, известных как «ступени», обычно до 256.
Однако эти строки не формируют двумерное изображение, как в камере с зонным сканированием. Вместо этого, по мере перемещения объекта сканирования по сенсору камеры, обнаруженные фотоэлектроны в каждом пикселе перемещаются в следующую строку синхронно с движением объекта, не будучи считанными. Каждая дополнительная строка даёт дополнительную возможность экспонировать объект съемки светом. Только после того, как срез изображения достигает последнего ряда пикселей сенсора, он передаётся в архитектуру считывания для измерения.
Таким образом, несмотря на многократное измерение на всех уровнях камеры, шум считывания возникает только один раз. 256-уровневая камера TDI удерживает образец в поле зрения в 256 раз дольше, и, следовательно, имеет в 256 раз более длительную экспозицию, чем эквивалентная камера со строчной разверткой. Аналогичное время экспозиции камеры с областью сканирования привело бы к сильному размытию изображения, что сделало бы изображение бесполезным.
Когда можно использовать TDI?
Камеры TDI являются превосходным решением для любых задач обработки изображений, в которых объект съемки движется относительно камеры, при условии, что движение равномерно по всему полю зрения камеры.
Таким образом, применение TDI-визуализации включает, с одной стороны, все виды строчного сканирования, где формируются двумерные изображения, обеспечивая при этом более высокую скорость, значительно улучшенную чувствительность при слабом освещении, лучшее качество изображения или все три сразу. С другой стороны, существует множество методов визуализации, использующих камеры с матричной разверткой, где TDI-камеры могут применяться.
Для высокочувствительной sCMOS TDI визуализация методом «плитка и сшивка» в биологической флуоресцентной микроскопии может осуществляться с использованием непрерывного сканирования предметного столика вместо укладки. Также все TDI могут быть хорошо подходят для инспекционных задач. Ещё одним важным применением TDI является проточная цитометрия, где флуоресцентные изображения клеток получаются при их прохождении через камеру в микрофлюидном канале.
Плюсы и минусы sCMOS TDI
Плюсы
● Может захватывать двухмерные изображения произвольного размера на высокой скорости при сканировании объекта съемки.
● Несколько каскадов TDI, низкий уровень шума и высокая QE могут обеспечить значительно более высокую чувствительность по сравнению с камерами со строчной разверткой.
● Могут быть достигнуты очень высокие скорости считывания, например, до 510 000 Гц (строк в секунду) для изображения шириной 9072 пикселя.
●Освещение должно быть только одномерным и не требует коррекции плоского поля или других коррекций во втором (сканируемом) измерении. Кроме того, более длительное время экспозиции по сравнению со строчным сканированием может «сгладить» мерцание, вызванное источниками переменного света.
● Движущиеся изображения можно получать без размытия движения с высокой скоростью и чувствительностью.
●Сканирование больших территорий может выполняться значительно быстрее, чем с помощью камер зонального сканирования.
● При использовании усовершенствованного программного обеспечения или настроек запуска режим «сканирования области» может обеспечить обзор сканирования области для фокусировки и выравнивания.
Минусы
● Уровень шума по-прежнему выше, чем у обычных sCMOS-камер, что означает невозможность использования в условиях сверхнизкого освещения.
● Требуются специальные настройки с усовершенствованным запуском для синхронизации движения объекта съемки со сканированием камеры, очень точный контроль скорости движения или точное прогнозирование скорости для обеспечения синхронизации.
● Поскольку это новая технология, в настоящее время существует лишь ограниченное количество решений для ее аппаратной и программной реализации.
sCMOS TDI с поддержкой низкой освещенности
Хотя TDI как метод формирования изображений появился раньше цифровой обработки изображений и давно превзошел по производительности строчную развертку, только за последние несколько лет камеры TDI приобрели чувствительность, необходимую для работы в условиях слабого освещения, для чего обычно требуется чувствительность научного уровня.sCMOS-камеры.
Технология sCMOS TDI сочетает в себе движение зарядов по сенсору, аналогичное ПЗС, со считыванием в стиле sCMOS, доступны сенсоры с задней подсветкой. Предыдущие камеры TDI на основе ПЗС или чисто КМОП* имели значительно более медленное считывание, меньшее количество пикселей, меньшее количество каскадов и уровень шума при считывании от 30 до >100 эВ. В отличие от этого, камеры sCMOS TDI, такие как TucsenКамера Dhyana 9KTDI sCMOSобеспечивает шум чтения 7,2e- в сочетании с более высокой квантовой эффективностью за счет задней подсветки, что позволяет использовать TDI в приложениях со значительно более низким уровнем освещенности, чем это было возможно ранее.
Во многих приложениях более длительное время экспозиции, обеспечиваемое процессом TDI, может более чем компенсировать увеличение шума считывания по сравнению с высококачественными камерами с матрицей sCMOS, имеющими шум считывания, близкий к 1e-.
Распространенные области применения камер TDI
Камеры TDI используются во многих отраслях, где точность и скорость одинаково важны:
● Проверка полупроводниковых пластин
● Тестирование плоских дисплеев (FPD)
● Проверка рулонов (бумага, пленка, фольга, текстиль)
● Рентгеновское сканирование в медицинской диагностике или досмотре багажа
● Сканирование предметных стекол и многолуночных планшетов в цифровой патологии
● Гиперспектральная съемка в дистанционном зондировании или сельском хозяйстве
● Проверка печатных плат и электроники на линиях поверхностного монтажа
Эти приложения выигрывают от повышенной контрастности, скорости и четкости, которые обеспечивает визуализация TDI в условиях реальных ограничений.
Пример: сканирование предметных стекол и многолуночных планшетов
Как уже упоминалось, одним из перспективных приложений для sCMOS TDI-камер является сшивка изображений, включая сканирование слайдов или многолуночных планшетов. Сканирование больших образцов флуоресцентной или светлопольной микроскопии с помощью двумерных камер основано на сшивке сетки изображений, сформированных в результате многократных перемещений предметного столика микроскопа по осям XY. Для получения каждого изображения требуется остановка столика, его стабилизация и последующий перезапуск, а также задержка работы роллингового затвора. TDI-камеры, с другой стороны, могут получать изображения во время движения столика. Изображение формируется из небольшого количества длинных «полос», каждая из которых покрывает всю ширину образца. Это может потенциально привести к значительному повышению скорости сбора данных и пропускной способности во всех приложениях сшивки, в зависимости от условий получения изображений.
Скорость перемещения столика обратно пропорциональна общему времени экспозиции камеры TDI, поэтому короткие выдержки (1–20 мс) обеспечивают наибольшее увеличение скорости получения изображений по сравнению с камерами с зональным сканированием, что может привести к сокращению общего времени получения изображения на порядок или более. При более длительных выдержках (например, > 100 мс) зональное сканирование обычно сохраняет преимущество по времени.
Пример очень большого (2 гигапикселя) изображения, полученного с помощью флуоресцентной микроскопии и сформированного всего за десять секунд, показан на рисунке 2. Получение эквивалентного изображения с помощью камеры с зональным сканированием может занять до нескольких минут.
Рисунок 2: Изображение размером 2 гигапикселя, сформированное за 10 секунд с помощью сканирования и сшивания TDI
ПРИМЕЧАНИЕ: Изображение с 10-кратным увеличением, полученное с помощью Tucsen Dhyana 9kTDI, на котором видны точки маркера, наблюдаемые с помощью флуоресцентной микроскопии. Получено за 10 секунд с выдержкой 3,6 мс. Размеры изображения: 30 x 17 мм, 58 000 x 34 160 пикселей.
Синхронизация TDI
Синхронизация камеры TDI с объектом съёмки (с точностью до нескольких процентов) крайне важна, поскольку несовпадение скоростей приведёт к эффекту «размытия движения». Синхронизация может быть реализована двумя способами:
Предиктивный: Скорость камеры устанавливается в соответствии со скоростью движения на основе данных о скорости движения образца, оптических характеристиках (увеличении) и размере пикселя камеры. Или методом проб и ошибок.
Сработал: Многие предметные столики микроскопов, гантри и другое оборудование для перемещения объектов исследования могут включать в себя энкодеры, которые посылают импульс запуска на камеру при перемещении на заданное расстояние. Это позволяет столику/гантри и камере оставаться синхронизированными независимо от скорости движения.
Камеры TDI против камер с линейным и зонным сканированием
Вот как TDI сравнивается с другими популярными технологиями визуализации:
| Особенность | Камера TDI | Линейная камера | Камера сканирования области |
| Чувствительность | Очень высокий | Середина | От низкого до среднего |
| Качество изображения (движение) | Отличный | Хороший | Размыто на высоких скоростях |
| Требования к освещению | Низкий | Середина | Высокий |
| Совместимость движения | Отлично (если синхронизировано) | Хороший | Бедный |
| Лучше всего подходит для | Высокоскоростная съемка при слабом освещении | Быстро движущиеся объекты | Статичные или медленные сцены |
TDI — очевидный выбор, когда сцена быстро движется, а уровень освещённости ограничен. Линейная развёртка имеет более низкую чувствительность, тогда как зонная развёртка лучше подходит для простых или стационарных камер.
Выбор правильной камеры TDI
При выборе камеры TDI учитывайте следующее:
● Количество ступеней TDI: большее количество ступеней увеличивает SNR, но также стоимость и сложность.
● Тип сенсора: sCMOS предпочтителен из-за своей скорости и низкого уровня шума; CCD может по-прежнему подходить для некоторых устаревших систем.
● Интерфейс: обеспечьте совместимость с вашей системой — распространенными вариантами являются Camera Link, CoaXPress и 10GigE, а в качестве новых тенденций появились 100G CoF и 40G CoF.
● Спектральная характеристика: выберите монохромный, цветной или ближний инфракрасный (NIR) диапазон в зависимости от потребностей приложения.
● Параметры синхронизации: обратите внимание на такие функции, как входы энкодера или поддержка внешнего триггера для лучшего выравнивания движения.
Если ваша область применения предполагает работу с чувствительными биологическими образцами, высокоскоростную проверку или работу в условиях низкой освещенности, то sCMOS TDI, скорее всего, подойдет вам идеально.
Заключение
Камеры TDI представляют собой мощный шаг в развитии технологий обработки изображений, особенно на базе sCMOS-сенсоров. Сочетая синхронизацию движения с многолинейной интеграцией, они обеспечивают непревзойденную чувствительность и чёткость для динамичных сцен в условиях слабого освещения.
Независимо от того, проверяете ли вы пластины, сканируете слайды или проводите высокоскоростные проверки, понимание того, как работает TDI, может помочь вам выбрать лучшее решение срединаучные камерыдля решения ваших задач в области обработки изображений.
Часто задаваемые вопросы
Могут ли камеры TDI работать в режиме сканирования области?
Камеры TDI могут создавать (очень тонкие) двумерные изображения в режиме, подобном сканированию области, благодаря определённой синхронизации сенсора. Это может быть полезно для таких задач, как фокусировка и выравнивание.
Чтобы начать экспозицию с зонным сканированием, сенсор сначала «очищается» путём перемещения TDI как минимум на столько же шагов, сколько ступеней у камеры, с максимально возможной скоростью, а затем останавливается. Это достигается либо программным управлением, либо аппаратным запуском и в идеале выполняется в темноте. Например, камера с 256 ступенями должна считывать не менее 256 строк, а затем останавливается. Эти 256 строк данных сбрасываются.
Пока камера не срабатывает и строки не считываются, датчик ведет себя как датчик зонного сканирования, экспонирующий изображение.
Затем необходимо выдержать заданное время экспозиции в режиме ожидания камеры, после чего камера снова переместится на заданное количество шагов, считывая каждую строку только что полученного изображения. В идеале эта фаза считывания должна происходить в темноте.
Эту технологию можно повторять, чтобы обеспечить «живой просмотр» или последовательность изображений зонного сканирования с минимальными искажениями и размытостями от операции TDI.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Все права защищены. При цитировании, пожалуйста, указывайте источник:www.tucsen.com
