22. 7. 2013Integracija časovne zakasnitve (TDI) je tehnika slikanja, ki je starejša od digitalnega slikanja, vendar še vedno zagotavlja ogromne prednosti na samem vrhuncu slikanja. Obstajata dve okoliščini, v katerih lahko TDI kamere dosežejo vrhunec – v obeh primerih, ko se fotografirani objekt premika:
1 – Slikovni subjekt se po naravi giblje s konstantno hitrostjo, kot pri pregledu spleta (na primer skeniranje premikajočih se listov papirja, plastike ali tkanine za odkrivanje napak in poškodb), montažnih linijah ali mikrofluidiki in pretokih tekočin.
2 – Statično slikanje subjektov, ki jih je mogoče posneti s kamero, ki se premika z območja na območje, bodisi s premikanjem subjekta bodisi s premikanjem kamere. Primeri vključujejo skeniranje mikroskopskih stekelc, pregled materialov, pregled ravnih plošč itd.
Če bi katera od teh okoliščin lahko veljala za vaše slikanje, vam bo ta spletna stran pomagala pretehtati, ali bi prehod s konvencionalnih dvodimenzionalnih kamer za »površinsko skeniranje« na TDI kamere z linijskim skeniranjem lahko izboljšal vaše slikanje.
Težava s skeniranjem območja in premikajočimi se cilji
● Zamegljenost zaradi gibanja
Nekateri slikovni subjekti se nujno premikajo, na primer pri pregledu pretoka tekočin ali spleta. Pri drugih aplikacijah, kot sta skeniranje diapozitivov in pregled materialov, je lahko ohranjanje subjekta v gibanju precej hitrejše in učinkovitejše kot ustavljanje gibanja za vsako zajeto sliko. Vendar pa lahko pri kamerah s površinskim skeniranjem to predstavlja izziv, če se slikovni subjekt premika glede na kamero.
Zamegljenost zaradi gibanja, ki popači sliko premikajočega se vozila
V situacijah z omejeno osvetlitvijo ali kjer je potrebna visoka kakovost slike, je morda zaželen dolg čas osvetlitve kamere. Vendar pa gibanje motiva med osvetlitvijo razprši svetlobo na več slikovnih pik kamere, kar povzroči »zamegljenost zaradi gibanja«. To je mogoče zmanjšati z zelo kratko osvetlitvijo – pod časom, ki bi ga potrebovala točka na motivu, da prečka slikovno piko kamere. To je ...unobičajno na račun temnih, šumnih, pogosto neuporabnih slik.
●Šivanje
Poleg tega slikanje velikih ali neprekinjenih motivov s kamerami za površinsko skeniranje običajno zahteva zajem več slik, ki se nato združijo. To spajanje zahteva prekrivanje slikovnih pik med sosednjimi slikami, kar zmanjšuje učinkovitost in povečuje zahteve glede shranjevanja in obdelave podatkov.
●Neenakomerna osvetlitev
Poleg tega bo osvetlitev le redko dovolj enakomerna, da bi se izognili težavam in artefaktom na mejah med spojenimi slikami. Za zagotovitev osvetlitve dovolj velikega območja za kamero za površinsko skeniranje z zadostno intenzivnostjo je pogosto potrebna uporaba visokozmogljivih in dragih enosmernih svetlobnih virov.
Neenakomerna osvetlitev pri šivanju večslikovnega posnetka mišjih možganov. Slika iz Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Kaj je TDI kamera in kako pomaga?
Pri običajnih dvodimenzionalnih kamerah s površinskim skeniranjem obstajajo tri faze pridobivanja slike: ponastavitev slikovnih pik, osvetlitev in odčitavanje. Med osvetlitvijo se zaznajo fotoni iz prizora, kar povzroči nastanek fotoelektronov, ki se shranijo v slikovnih pikah kamere do konca osvetlitve. Nato se vrednosti iz vsake slikovne pike odčitajo in oblikuje se dvodimenzionalna slika. Slikovne pike se nato ponastavijo in vsi naboji se izbrišejo, da se začne naslednja osvetlitev.
Kot že omenjeno, pa se lahko svetloba motiva med osvetlitvijo, če se motiv premika glede na kamero, razširi na več slikovnih pik, kar povzroči zamegljenost zaradi gibanja. Kamere TDI to omejitev premagajo z inovativno tehniko. To je prikazano v [Animacija 1].
●Kako delujejo TDI kamere
TDI kamere delujejo bistveno drugače kot kamere s površinskim skeniranjem. Ko se fotografirani objekt med osvetlitvijo premika po kameri, se premikajo tudi elektronski naboji, ki sestavljajo zajeto sliko, in ostanejo sinhronizirani. Med osvetlitvijo lahko TDI kamere premešajo vse pridobljene naboje iz ene vrste slikovnih pik v drugo vzdolž kamere, sinhronizirano z gibanjem fotografiranega objekta. Ko se objekt premika po kameri, vsaka vrsta (znana kot »TDI stopnja«) ponuja novo priložnost za osvetlitev kamere subjektu in zbiranje signala.
Šele ko vrsta pridobljenih nabojev doseže konec kamere, se vrednosti preberejo in shranijo kot enodimenzionalni del slike. Dvodimenzionalna slika nastane tako, da se vsak naslednji del slike, ko ga kamera prebere, zlepi skupaj. Vsaka vrsta slikovnih pik v nastali sliki sledi in prikazuje isti »del« fotografiranega subjekta, kar pomeni, da kljub gibanju ni zamegljenosti.
●256-krat daljša osvetlitev
Pri TDI kamerah je efektivni čas osvetlitve slike podan s celotnim časom, ki ga točka na motivu potrebuje za prehod skozi vsako vrstico slikovnih pik, pri čemer je pri nekaterih TDI kamerah na voljo do 256 stopenj. To pomeni, da je razpoložljivi čas osvetlitve dejansko 256-krat daljši, kot bi ga lahko dosegla kamera s površinskim skeniranjem.
To lahko prinese eno od dveh izboljšav ali ravnovesje med obema. Prvič, doseže se lahko znatno povečanje hitrosti slikanja. V primerjavi s kamero za površinsko skeniranje se lahko fotografirani subjekt premika do 256-krat hitreje, hkrati pa zajame enako količino signala, če je hitrost vrstic kamere dovolj hitra, da sledi koraku.
Po drugi strani pa lahko daljši čas osvetlitve omogoči veliko višjo kakovost slik, nižjo intenzivnost osvetlitve ali oboje.
●Velika prepustnost podatkov brez šivanja
Ker TDI kamera iz zaporednih enodimenzionalnih rezin ustvari dvodimenzionalno sliko, je lahko nastala slika poljubno velika. Medtem ko je število slikovnih pik v 'horizontalni' smeri določeno s širino kamere, na primer 9072 slikovnih pik, je 'navpična' velikost slike neomejena in jo preprosto določa čas delovanja kamere. Z linijskimi hitrostmi do 510 kHz lahko to zagotovi ogromen pretok podatkov.
V kombinaciji s tem lahko TDI kamere ponudijo zelo široka vidna polja. Na primer, kamera z 9072 slikovnimi pikami in 5 µm slikovnimi pikami zagotavlja horizontalno vidno polje 45 mm z visoko ločljivostjo. Za doseganje enake širine slikanja s kamero s površino slikovnih pik 5 µm bi bile potrebne do tri 4K kamere druga ob drugi.
●Izboljšave v primerjavi s kamerami s črtnim skeniranjem
Kamere TDI ne ponujajo le izboljšav v primerjavi s kamerami s površinskim skeniranjem. Kamere z linijskim skeniranjem, ki zajamejo le eno vrstico slikovnih pik, imajo tudi številne enake težave z intenzivnostjo osvetlitve in kratkimi osvetlitvami kot kamere s površinskim skeniranjem.
Čeprav kamere s črtnim skeniranjem, podobno kot kamere TDI, ponujajo enakomernejšo osvetlitev z enostavnejšo nastavitvijo in se izognejo potrebi po spajanju slik, lahko pogosto zahtevajo zelo intenzivno osvetlitev in/ali počasno premikanje motiva, da zajamejo dovolj signala za visokokakovostno sliko. Daljše osvetlitve in večje hitrosti motiva, ki jih omogočajo kamere TDI, pomenijo, da se lahko uporablja manjša intenzivnost in cenejša osvetlitev, hkrati pa se izboljša učinkovitost slikanja. Proizvodna linija se lahko na primer premakne z dragih halogenskih luči z visoko porabo energije, ki zahtevajo enosmerni tok, na LED osvetlitev.
Kako delujejo TDI kamere?
Obstajajo trije običajni standardi za doseganje TDI slikanja na senzorju kamere.
● CCD TDI– CCD kamere so najstarejši tip digitalnih fotoaparatov. Zaradi svoje elektronske zasnove je doseganje TDI delovanja na CCD-ju razmeroma zelo preprosto, saj veliko senzorjev kamer že samo po sebi deluje na ta način. TDI CCD-ji se zato uporabljajo že desetletja.
Vendar ima tehnologija CCD svoje omejitve. Najmanjša velikost slikovnih pik, ki je običajno na voljo za kamere CCD TDI, je približno 12 µm x 12 µm – to skupaj z majhnim številom slikovnih pik omejuje zmožnosti kamer za ločljivost finih podrobnosti. Poleg tega je hitrost zajemanja nižja kot pri drugih tehnologijah, medtem ko je šum pri branju – glavni omejujoči dejavnik pri slikanju v slabi svetlobi – visok. Visoka je tudi poraba energije, kar je pomemben dejavnik v nekaterih aplikacijah. To je privedlo do želje po ustvarjanju kamer TDI, ki temeljijo na arhitekturi CMOS.
●Zgodnji CMOS TDI: seštevanje v napetostni domeni in digitalno seštevanje
CMOS kamere premagajo številne omejitve glede šuma in hitrosti, ki jih imajo CCD kamere, hkrati pa porabijo manj energije in ponujajo manjše velikosti slikovnih pik. Vendar pa je bilo zaradi zasnove slikovnih pik pri CMOS kamerah veliko težje doseči delovanje TDI. Medtem ko CCD-ji fizično premikajo fotoelektrone od slikovne pike do slikovne pike za upravljanje senzorja, CMOS kamere pred branjem pretvarjajo signale v fotoelektronih v napetosti v vsaki slikovni piki.
Obnašanje TDI na CMOS senzorju se raziskuje že od leta 2001, vendar je bil izziv, kako ravnati z "kopičenjem" signala, ko se osvetlitev premika iz ene vrstice v drugo, precejšen. Dve zgodnji metodi za CMOS TDI, ki se še danes uporabljata v komercialnih kamerah, sta akumulacija v napetostni domeni in digitalno seštevanje TDI CMOS. Pri kamerah z akumulacijo v napetostni domeni se pri zajemanju vsake vrstice signala, ko se slikani subjekt premika mimo nje, pridobljena napetost elektronsko doda celotnemu zajemanju za ta del slike. Kopičenje napetosti na ta način uvaja dodaten šum za vsako dodatno dodano stopnjo TDI, kar omejuje prednosti dodatnih stopenj. Težave z linearnostjo prav tako otežujejo uporabo teh kamer za natančne aplikacije.
Druga metoda je digitalno seštevanje TDI. Pri tej metodi CMOS kamera dejansko deluje v načinu skeniranja območja z zelo kratko osvetlitvijo, ki se ujema s časom, ki ga fotografirani subjekt potrebuje za premikanje čez eno vrsto slikovnih pik. Vendar se vrstice iz vsakega zaporednega kadra digitalno seštevajo tako, da se doseže učinek TDI. Ker je treba za vsako vrstico slikovnih pik v nastali sliki prebrati celotno kamero, to digitalno seštevanje doda tudi šum branja za vsako vrstico in omeji hitrost zajemanja.
●Sodobni standard: TDI CMOS z nabojno domeno ali CCD-na-CMOS TDI
Zgoraj navedene omejitve CMOS TDI so bile nedavno premagane z uvedbo TDI CMOS z akumulacijo naboja v domeni, znanega tudi kot CCD-on-CMOS TDI. Delovanje teh senzorjev je prikazano v [Animacija 1]. Kot že ime pove, ti senzorji ponujajo premikanje nabojev iz enega slikovnega pika v drugega, podobno CCD, pri čemer se signal na vsaki stopnji TDI kopiči z dodajanjem fotoelektronov na ravni posameznih nabojev. To je dejansko brez šuma. Vendar pa so omejitve CCD TDI premagane z uporabo arhitekture odčitavanja CMOS, kar omogoča visoke hitrosti, nizek šum in nizko porabo energije, ki so značilne za CMOS kamere.
Specifikacije TDI: kaj je pomembno?
●Tehnologija:Najpomembnejši dejavnik je, katera tehnologija senzorja se uporablja, kot je bilo že omenjeno. Najboljšo zmogljivost bo zagotovil CMOS TDI z nabojno domeno.
●Faze TDI:To je število vrstic senzorja, v katerih se lahko akumulira signal. Več stopenj TDI kot ima kamera, daljši je lahko njen efektivni čas osvetlitve. Oziroma hitreje se lahko premika fotografirani objekt, če ima kamera zadostno hitrost vrstic.
●Cena linije:Koliko vrstic lahko kamera prebere na sekundo. To določa največjo hitrost gibanja, ki jo kamera lahko spremlja.
●Kvantna učinkovitost: To označuje občutljivost kamere na svetlobo pri različnih valovnih dolžinah, ki jo določa verjetnost, da bo vpadni foton zaznan in bo ustvaril fotoelektron. Višja kvantna učinkovitost lahko ponudi nižjo moč osvetlitve ali hitrejše delovanje ob ohranjanju enakih ravni signala.
Poleg tega se kamere razlikujejo po valovnih dolžinah, pri katerih je mogoče doseči dobro občutljivost, pri čemer nekatere kamere ponujajo občutljivost vse do ultravijoličnega (UV) konca spektra, pri valovni dolžini okoli 200 nm.
●Branje hrupa:Šum branja je drugi pomemben dejavnik občutljivosti kamere, ki določa minimalni signal, ki ga je mogoče zaznati nad pragom šuma kamere. Pri visokem šumu branja temnih delov ni mogoče zaznati in dinamični razpon je močno zmanjšan, kar pomeni, da je treba uporabiti svetlejšo osvetlitev ali daljše čase osvetlitve in počasnejše hitrosti gibanja.
Specifikacije TDI: kaj je pomembno?
Trenutno se TDI kamere uporabljajo za pregled spleta, elektronike in proizvodnje ter druge aplikacije strojnega vida. Poleg tega obstajajo tudi zahtevne aplikacije pri šibki svetlobi, kot sta fluorescenčno slikanje in skeniranje diapozitivov.
Vendar pa z uvedbo visokohitrostnih, nizkošumnih in visoko občutljivih TDI CMOS kamer obstaja velik potencial za povečanje hitrosti in učinkovitosti v novih aplikacijah, ki so prej uporabljale le kamere s površinskim skeniranjem. Kot smo predstavili na začetku članka, so TDI kamere morda najboljša izbira za doseganje visokih hitrosti in visoke kakovosti slike bodisi za slikanje subjektov v nenehnem gibanju bodisi kjer bi kamera lahko skenirala statične slikovne subjekte.
Na primer, v mikroskopski aplikaciji bi lahko primerjali teoretično hitrost zajemanja s kamero TDI z 9K slikovnimi pikami, 256 mizicami in velikostjo pikslov 5 µm z 12MP kamero za skeniranje območja s 5 µm slikovnimi pikami. Oglejmo si zajemanje območja velikosti 10 x 10 mm z 20-kratno povečavo s premikanjem mizice.
1. Z uporabo objektiva z 20-kratno povečavo in kamero za površinsko skeniranje bi dobili slikovno polje velikosti 1,02 x 0,77 mm.
2. S kamero TDI je mogoče uporabiti 10-kratni objektiv z 2-kratno dodatno povečavo za premagovanje morebitnih omejitev vidnega polja mikroskopa in zagotoviti 2,3 mm horizontalno slikovno vidno polje.
3. Če za namene sestavljanja predpostavimo 2-odstotno prekrivanje slikovnih pik med slikami, 0,5 sekunde za premik mizice na določeno lokacijo in 10 ms čas osvetlitve, lahko izračunamo čas, ki bi ga kamera potrebovala za skeniranje območja. Podobno lahko izračunamo čas, ki bi ga kamera TDI potrebovala za skeniranje v smeri Y, če bi se mizica nenehno premikala, z enakim časom osvetlitve na vrstico.
4. V tem primeru bi kamera za površinsko skeniranje potrebovala 140 slik, pri čemer bi za premikanje odra porabila 63 sekund. Kamera TDI bi zajela le 5 dolgih slik, pri čemer bi za premikanje odra v naslednji stolpec porabila le 2 sekundi.
5. Skupni čas, porabljen za pridobitev površine 10 x 10 mm, bi bil64,4 sekunde za kamero za skeniranje območja,in samo9,9 sekunde za kamero TDI.
Če želite preveriti, ali bi TDI kamera ustrezala vaši aplikaciji in izpolnila vaše potrebe, nas kontaktirajte še danes.
