25. 8. 2008V priemyselnom a vedeckom zobrazovaní predstavuje zachytávanie rýchlo sa pohybujúcich objektov za slabého osvetlenia neustálu výzvu. A práve tu prichádzajú na rad kamery s integráciou časového oneskorenia (TDI). Technológia TDI kombinuje synchronizáciu pohybu a viacnásobné expozície, čím poskytuje výnimočnú citlivosť a jasnosť obrazu, najmä v prostredí s vysokou rýchlosťou.
Čo je TDI kamera?
TDI kamera je špecializovaná riadková kamera, ktorá zachytáva obrazy pohybujúcich sa objektov. Na rozdiel od štandardných plošných kamier, ktoré exponujú celý záber naraz, TDI kamery presúvajú náboj z jedného radu pixelov do druhého synchronizovane s pohybom objektu. Každý rad pixelov akumuluje svetlo, keď sa objekt pohybuje, čím efektívne predlžuje expozičný čas a zvyšuje silu signálu bez toho, aby dochádzalo k rozmazaniu pohybu.
Táto integrácia náboja dramaticky zvyšuje pomer signálu k šumu (SNR), vďaka čomu sú TDI kamery ideálne pre vysokorýchlostné aplikácie alebo aplikácie pri slabom osvetlení.
Ako funguje TDI kamera?
Činnosť TDI kamery je znázornená na obrázku 1.
Obrázok 1: Činnosť senzorov s integráciou časového oneskorenia (TDI)
POZNÁMKA: TDI kamery presúvajú získané náboje cez viacero „fáz“ synchronizovane s pohybujúcim sa snímaným objektom. Každá fáza poskytuje ďalšiu možnosť byť vystavený svetlu. Znázornené pomocou jasného „T“ pohybujúceho sa cez kameru s 5-stĺpcovým krát 5-fázovým segmentom TDI snímača. Tucsen Dhyana 9KTDI s hybridným pohybom náboja v štýle CCD, ale paralelným odčítaním v štýle CMOS.
TDI kamery sú v podstate kamery s riadkovým skenovaním, s jedným dôležitým rozdielom: namiesto jedného riadku pixelov, ktoré zhromažďujú údaje, keď sú kamery skenované cez snímaný objekt, majú TDI kamery viacero riadkov, známych ako „fázy“, typicky až do 256.
Tieto riadky však netvoria dvojrozmerný obraz ako kamera s plošným skenovaním. Namiesto toho, keď sa skenovaný objekt pohybuje cez snímač kamery, detekované fotoelektróny v každom pixeli sa presúvajú do ďalšieho riadku synchronizovane s pohybom objektu bez toho, aby boli ešte načítané. Každý ďalší riadok potom poskytuje ďalšiu príležitosť na vystavenie objektu svetlu. Až keď obrazový rez dosiahne posledný riadok pixelov snímača, tento riadok sa odovzdá architektúre čítania na meranie.
Preto napriek viacerým meraniam vykonávaným naprieč fázami kamery sa vyskytuje iba jeden prípad šumu z kamery. 256-fázová TDI kamera udržiava vzorku v zábere 256-krát dlhšie, a preto má 256-krát dlhší expozičný čas ako ekvivalentná riadková kamera. Ekvivalentný expozičný čas s plošnou kamerou by viedol k extrémnemu rozmazaniu pohybu, čím by sa obraz stal nepoužiteľným.
Kedy sa môže použiť TDI?
TDI kamery sú vynikajúcim riešením pre akúkoľvek zobrazovaciu aplikáciu, kde sa snímaný objekt pohybuje vzhľadom na kameru, za predpokladu, že pohyb je rovnomerný v celom zornom poli kamery.
Aplikácie TDI zobrazovania preto zahŕňajú na jednej strane všetky tie metódy riadkového skenovania, kde sa vytvárajú dvojrozmerné obrazy, pričom prinášajú vyššie rýchlosti, oveľa lepšiu citlivosť pri slabom osvetlení, lepšiu kvalitu obrazu alebo všetky tri naraz. Na druhej strane existuje mnoho zobrazovacích techník, ktoré využívajú plošné skenovacie kamery, kde je možné použiť TDI kamery.
V prípade vysoko citlivého sCMOS TDI je možné vykonávať zobrazovanie „dlaždicovo a stehovým spôsobom“ v biologickej fluorescenčnej mikroskopii pomocou nepretržitého skenovania stolíka namiesto dlaždicového snímania. Alebo sa všetky TDI môžu dobre hodiť na inšpekčné aplikácie. Ďalšou dôležitou aplikáciou TDI je zobrazovacia prietoková cytometria, kde sa fluorescenčné snímky buniek získavajú pri ich prechode kamerou počas prúdenia mikrofluidným kanálom.
Výhody a nevýhody sCMOS TDI
Výhody
● Dokáže zachytiť 2-rozmerné obrazy ľubovoľnej veľkosti vysokou rýchlosťou pri skenovaní cez snímaný objekt.
● Viaceré stupne TDI, nízky šum a vysoká kvantová účinnosť (QE) môžu viesť k výrazne vyššej citlivosti ako pri riadkových skenovacích kamerách.
● Možno dosiahnuť veľmi vysoké rýchlosti čítania, napríklad až 510 000 Hz (riadkov za sekundu), pre obrázok so šírkou 9 072 pixelov.
●Osvetlenie musí byť iba jednorozmerné a nemusí vyžadovať žiadne korekcie plochého poľa ani iné korekcie v druhom (skenovanom) rozmere. Okrem toho, dlhšie expozičné časy v porovnaní s riadkovým skenovaním môžu „vyhladiť“ blikanie spôsobené zdrojmi striedavého svetla.
● Pohyblivé obrazy je možné zachytiť bez rozmazania pohybom a s vysokou rýchlosťou a citlivosťou.
●Skenovanie veľkých plôch môže byť výrazne rýchlejšie ako pri skenovaní ploch pomocou kamier.
● S pokročilým softvérom alebo nastaveniami spúšťania môže režim „podobný skenovaniu oblasti“ poskytnúť prehľad skenovania oblasti pre zaostrenie a zarovnanie.
Nevýhody
● Stále vyšší šum ako u bežných sCMOS kamier, čo znamená, že aplikácie s veľmi slabým osvetlením sú nedosiahnuteľné.
● Vyžaduje špecializované nastavenia s pokročilým spúšťaním na synchronizáciu pohybu snímaného objektu so skenovaním kamery, veľmi jemné ovládanie rýchlosti pohybu alebo presnú predikciu rýchlosti na umožnenie synchronizácie.
● Keďže ide o novú technológiu, v súčasnosti existuje len málo riešení pre implementáciu hardvéru a softvéru.
sCMOS TDI schopný pracovať s nízkym osvetlením
Hoci TDI ako zobrazovacia technika predchádza digitálnemu zobrazovaniu a už dávno prekonala riadkové skenovanie vo výkone, až v posledných rokoch získali TDI kamery citlivosť potrebnú na dosiahnutie aplikácií pri slabom osvetlení, ktoré by bežne vyžadovali citlivosť vedeckej úrovne.sCMOS kamery.
„sCMOS TDI“ kombinuje pohyb nábojov cez snímač podobný CCD s odčítaním typu sCMOS, pričom sú k dispozícii aj snímače so zadným osvetlením. Predchádzajúce fotoaparáty TDI založené na CCD alebo čisto CMOS* mali drasticky pomalšie odčítanie, menší počet pixelov, menej stupňov a šum pri odčítaní medzi 30e a >100e. Naproti tomu sCMOS TDI, ako napríklad Tucsen...sCMOS kamera Dhyana 9KTDIponúka čítací šum 7,2e- v kombinácii s vyššou kvantovou účinnosťou vďaka zadnému osvetleniu, čo umožňuje použitie TDI v aplikáciách s výrazne nižšou úrovňou osvetlenia, ako bolo doteraz možné.
V mnohých aplikáciách môžu dlhšie expozičné časy umožnené procesom TDI viac než kompenzovať zvýšenie šumu pri čítaní v porovnaní s vysokokvalitnými sCMOS kamerami s plošným skenovaním so šumom pri čítaní blízkym 1e-.
Bežné aplikácie TDI kamier
TDI kamery sa nachádzajú v mnohých odvetviach, kde sú presnosť a rýchlosť rovnako dôležité:
● Kontrola polovodičových doštičiek
● Testovanie plochých displejov (FPD)
● Kontrola pásov (papier, film, fólia, textil)
● Röntgenové skenovanie v lekárskej diagnostike alebo pri kontrole batožiny
● Skenovanie podložných sklíčok a viacjamkových platní v digitálnej patológii
● Hyperspektrálne zobrazovanie v diaľkovom prieskume Zeme alebo v poľnohospodárstve
● Kontrola plošných spojov a elektroniky v SMT linkách
Tieto aplikácie profitujú zo zvýšeného kontrastu, rýchlosti a jasnosti, ktoré poskytuje TDI zobrazovanie v reálnych podmienkach.
Príklad: Skenovanie podložných sklíčok a viacjamkových platničiek
Ako už bolo spomenuté, jednou z aplikácií s výrazným potenciálom pre sCMOS TDI kamery sú aplikácie spájania, vrátane skenovania podložných sklíčok alebo viacjamkových platní. Skenovanie veľkých fluorescenčných alebo svetlopolných mikroskopických vzoriek pomocou 2-rozmerných plošných kamier sa spolieha na spájanie mriežky obrazov vytvorených z viacerých pohybov stolíka XY mikroskopu. Každý obraz vyžaduje, aby sa stolík zastavil, ustálil a potom sa reštartoval, spolu s akýmkoľvek oneskorením rolovacej uzávierky. TDI na druhej strane dokáže snímať obrazy, aj keď je stolík v pohybe. Obraz sa potom vytvorí z malého počtu dlhých „pásov“, z ktorých každý pokrýva celú šírku vzorky. To môže potenciálne viesť k výrazne vyšším rýchlostiam snímania a priepustnosti dát vo všetkých aplikáciách spájania v závislosti od zobrazovacích podmienok.
Rýchlosť, akou sa stolík môže pohybovať, je nepriamo úmerná celkovému expozičnému času TDI kamery, takže krátke expozičné časy (1 – 20 ms) ponúkajú najväčšie zlepšenie rýchlosti snímania v porovnaní s kamerami s plošným skenovaním, čo potom môže viesť k rádovému alebo väčšiemu skráteniu celkového času snímania. Pri dlhších expozičných časoch (napr. > 100 ms) si plošné skenovanie zvyčajne zachová časovú výhodu.
Príklad veľmi veľkého (2 gigapixelového) obrazu z fluorescenčnej mikroskopie vytvoreného len za desať sekúnd je znázornený na obrázku 2. Ekvivalentný obraz vytvorený kamerou na skenovanie plochy by mohol trvať až niekoľko minút.
Obrázok 2: 2-gigapixelový obraz vytvorený za 10 sekúnd pomocou TDI skenovania a spájania
POZNÁMKA: 10-násobné zväčšenie snímky získané pomocou zvýrazňovača Tucsen Dhyana 9kTDI s bodkami zobrazenými pod fluorescenčnou mikroskopiou. Získané za 10 sekúnd s expozičným časom 3,6 ms. Rozmery snímky: 30 mm x 17 mm, 58 000 x 34 160 pixelov.
Synchronizácia TDI
Synchronizácia TDI kamery so snímaným objektom (s presnosťou na niekoľko percent) je nevyhnutná – nesúlad rýchlosti povedie k efektu „rozmazania pohybom“. Túto synchronizáciu je možné vykonať dvoma spôsobmi:
PrediktívneRýchlosť kamery sa nastaví tak, aby zodpovedala rýchlosti pohybu na základe znalosti rýchlosti pohybu vzorky, optiky (zväčšenia) a veľkosti pixelov kamery. Alebo metódou pokus-omyl.
SpustenéMnohé mikroskopické stolíky, portály a iné zariadenia na pohyb zobrazovaných objektov môžu obsahovať enkodéry, ktoré vysielajú spúšťací impulz do kamery pre danú vzdialenosť pohybu. To umožňuje, aby stolík/portál a kamera zostali synchronizované bez ohľadu na rýchlosť pohybu.
TDI kamery vs. riadkové a plošné kamery
Tu je porovnanie technológie TDI s inými populárnymi zobrazovacími technológiami:
| Funkcia | TDI kamera | Kamera s riadkovým skenovaním | Kamera na skenovanie oblasti |
| Citlivosť | Veľmi vysoká | Stredné | Nízka až stredná |
| Kvalita obrazu (pohyb) | Vynikajúce | Dobré | Rozmazané pri vysokých rýchlostiach |
| Požiadavky na osvetlenie | Nízka | Stredné | Vysoká |
| Kompatibilita s pohybom | Výborné (ak je synchronizované) | Dobré | Chudobný |
| Najlepšie pre | Vysoká rýchlosť, slabé osvetlenie | Rýchlo sa pohybujúce objekty | Statické alebo pomalé scény |
TDI je jasnou voľbou, keď sa scéna rýchlo pohybuje a úroveň svetla je obmedzená. Čiarové skenovanie predstavuje zníženie citlivosti, zatiaľ čo plošné skenovanie je lepšie pre jednoduché alebo stacionárne nastavenia.
Výber správnej TDI kamery
Pri výbere TDI kamery zvážte nasledujúce:
● Počet stupňov TDI: Viac stupňov zvyšuje pomer signálu k šumu (SNR), ale aj náklady a zložitosť.
● Typ snímača: sCMOS je uprednostňovaný pre svoju rýchlosť a nízky šum; CCD môže byť stále vhodný pre niektoré staršie systémy.
● Rozhranie: Zaistite kompatibilitu s vaším systémom – Camera Link, CoaXPress a 10GigE sú bežné možnosti, 100G CoF a 40G CoF sa objavili ako nové trendy.
● Spektrálna odozva: Vyberte si medzi monochromatickým, farebným alebo blízkym infračerveným (NIR) režimom na základe potrieb aplikácie.
● Možnosti synchronizácie: Pre lepšie zarovnanie pohybu hľadajte funkcie, ako sú vstupy pre enkodér alebo podpora externého spúšťača.
Ak vaša aplikácia zahŕňa citlivé biologické vzorky, vysokorýchlostnú kontrolu alebo prostredie so slabým osvetlením, sCMOS TDI je pravdepodobne tou správnou voľbou.
Záver
TDI kamery predstavujú silný vývoj v oblasti zobrazovacích technológií, najmä ak sú postavené na sCMOS senzoroch. Kombináciou synchronizácie pohybu s viacriadkovou integráciou ponúkajú bezkonkurenčnú citlivosť a jasnosť pre dynamické scény so slabým osvetlením.
Či už kontrolujete doštičky, skenujete diapozitívy alebo vykonávate vysokorýchlostné kontroly, pochopenie fungovania TDI vám môže pomôcť vybrať si najlepšie riešenie spomedzi všetkých...vedecké kamerypre vaše obrazové výzvy.
Často kladené otázky
Môžu TDI kamery fungovať v režime skenovania oblasti?
TDI kamery dokážu vytvárať (veľmi tenké) dvojrozmerné obrazy v režime „podobnom plošnému skenovaniu“, čo sa dosahuje trikom s načasovaním snímača. To môže byť užitočné pri úlohách, ako je zaostrovanie a zarovnanie.
Na spustenie „expozície plošného skenovania“ sa senzor najprv „vyčistí“ posunutím TDI aspoň o toľko krokov, koľko má kamera stupňov, čo najrýchlejšie, a potom sa zastaví. Toto sa dosiahne buď softvérovým ovládaním, alebo hardvérovým spúšťaním a ideálne sa vykonáva v tme. Napríklad kamera s 256 stupňami by mala prečítať aspoň 256 riadkov a potom sa zastaviť. Týchto 256 riadkov údajov sa zahodí.
Kým sa kamera nespúšťa ani sa nečítajú riadky, senzor sa správa rovnako ako senzor skenujúci oblasť, ktorý exponuje obraz.
Požadovaný expozičný čas by mal potom uplynúť s nečinným fotoaparátom, predtým ako sa fotoaparát opäť posunie aspoň o požadovaný počet krokov a načíta každý riadok práve nasnímaného obrazu. Ideálne by sa táto fáza „načítania“ mala opäť uskutočniť v tme.
Túto techniku je možné opakovať, aby sa získal „živý náhľad“ alebo sekvencia snímok plochy s minimálnym skreslením a rozmazaním spôsobeným operáciou TDI.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Všetky práva vyhradené. Pri citovaní uveďte zdroj:www.tucsen.com
