25. 8. 2008V industrijskem in znanstvenem slikanju predstavlja zajemanje hitro premikajočih se objektov v slabih svetlobnih pogojih stalen izziv. Tukaj pridejo na vrsto kamere z integracijo časovne zakasnitve (TDI). Tehnologija TDI združuje sinhronizacijo gibanja in večkratno osvetlitev, kar zagotavlja izjemno občutljivost in jasnost slike, zlasti v okoljih z veliko hitrostjo.
Kaj je TDI kamera?
TDI kamera je specializirana kamera s črtnim skeniranjem, ki zajema slike premikajočih se objektov. Za razliko od standardnih kamer s površinskim skeniranjem, ki hkrati osvetlijo celoten okvir, TDI kamere sinhronizirano z gibanjem objekta prenašajo naboj iz ene vrste slikovnih pik v drugo. Vsaka vrsta slikovnih pik nabira svetlobo, ko se motiv premika, kar učinkovito poveča čas osvetlitve in izboljša moč signala, ne da bi pri tem prišlo do zamegljenosti zaradi gibanja.
Ta integracija naboja dramatično poveča razmerje signal-šum (SNR), zaradi česar so TDI kamere idealne za uporabo pri visokih hitrostih ali slabi svetlobi.
Kako deluje TDI kamera?
Delovanje TDI kamere je prikazano na sliki 1.
Slika 1: Delovanje senzorjev integracije časovne zakasnitve (TDI)
OPOMBA: TDI kamere premikajo pridobljene naboje čez več »stopenj« sinhronizirano z gibljivim slikovnim subjektom. Vsaka stopnja ponuja dodatno možnost izpostavljenosti svetlobi. Prikazano s svetlim »T«, ki se premika čez kamero, s 5-stolpčnim krat 5-stopenjskim segmentom TDI senzorja. Tucsen Dhyana 9KTDI s hibridnim premikanjem naboja v slogu CCD, vendar vzporednim odčitavanjem v slogu CMOS.
TDI kamere so v bistvu kamere s linijskim skeniranjem, z eno pomembno razliko: namesto ene vrste slikovnih pik, ki pridobivajo podatke, ko kamere skenirajo po slikovnem objektu, imajo TDI kamere več vrstic, znanih kot "stopnje", običajno do 256.
Vendar te vrstice ne tvorijo dvodimenzionalne slike kot kamera s površinskim skeniranjem. Namesto tega se med premikanjem skeniranega subjekta po senzorju kamere zaznani fotoelektroni znotraj vsakega slikovnega elementa premaknejo v naslednjo vrstico sinhronizirano z gibanjem subjekta, ne da bi se še prebrali. Vsaka dodatna vrstica nato ponuja dodatno priložnost za izpostavitev subjekta svetlobi. Šele ko rez slike doseže zadnjo vrstico slikovnih elementov senzorja, se ta vrstica posreduje arhitekturi za odčitavanje za meritev.
Zato se kljub večkratnim meritvam, ki so bile izvedene na različnih stopnjah kamere, pojavi le en primer šuma odčitavanja kamere. 256-stopenjska TDI kamera zadrži vzorec v vidnem polju 256-krat dlje in ima zato 256-krat daljši čas osvetlitve kot enakovredna kamera s linijskim skeniranjem. Enakovreden čas osvetlitve s kamero s površinskim skeniranjem bi povzročil ekstremno zamegljenost zaradi gibanja, zaradi česar bi bila slika neuporabna.
Kdaj se lahko uporablja TDI?
TDI kamere so odlična rešitev za vsako slikovno aplikacijo, kjer se fotografirani subjekt giblje glede na kamero, pod pogojem, da je gibanje enakomerno po celotnem vidnem polju kamere.
Uporaba TDI slikanja torej vključuje, po eni strani, vse tiste vrste linijskega skeniranja, kjer se oblikujejo dvodimenzionalne slike, hkrati pa prinaša večje hitrosti, precej izboljšano občutljivost pri šibki svetlobi, boljšo kakovost slike ali vse tri hkrati. Po drugi strani pa obstaja veliko tehnik slikanja, ki uporabljajo kamere s površinskim skeniranjem, kjer se lahko uporabljajo TDI kamere.
Pri visoko občutljivih sCMOS TDI se lahko slikanje s »ploščicami in šivi« v biološki fluorescenčni mikroskopiji izvaja z neprekinjenim skeniranjem mizice namesto s ploščicami. Ali pa so vsi TDI lahko zelo primerni za inšpekcijske aplikacije. Druga pomembna uporaba TDI je slikovna pretočna citometrija, kjer se fluorescenčne slike celic pridobivajo, ko te prehajajo mimo kamere med tokom skozi mikrofluidni kanal.
Prednosti in slabosti sCMOS TDI
Prednosti
● Pri skeniranju čez slikovni objekt lahko z veliko hitrostjo zajame dvodimenzionalne slike poljubne velikosti.
● Več stopenj TDI, nizek šum in visoka kvantna učinkovitost (QE) lahko privedejo do bistveno večje občutljivosti kot pri kamerah s črtnim skeniranjem.
● Doseči je mogoče zelo visoke hitrosti branja, na primer do 510.000 Hz (vrstic na sekundo), za sliko širine 9.072 slikovnih pik.
●Osvetlitev mora biti le enodimenzionalna in ne zahteva popravkov ravnega polja ali drugih popravkov v drugi (skenirani) dimenziji. Poleg tega lahko daljši časi osvetlitve v primerjavi s črtnim skeniranjem "zgladijo" utripanje zaradi izmeničnih svetlobnih virov.
● Gibljive slike je mogoče zajeti brez zamegljenosti zaradi gibanja ter z visoko hitrostjo in občutljivostjo.
●Skeniranje velikih območij je lahko bistveno hitrejše kot s kamerami za skeniranje površin.
● Z napredno programsko opremo ali nastavitvami proženja lahko način, podoben območnemu skeniranju, zagotovi pregled območnega skeniranja za fokusiranje in poravnavo.
Slabosti
● Še vedno višji šum kot pri običajnih sCMOS kamerah, kar pomeni, da so aplikacije pri izjemno šibki svetlobi nedosegljive.
● Zahteva specializirane nastavitve z naprednim proženjem za sinhronizacijo gibanja fotografiranega objekta s skeniranjem kamere, zelo natančen nadzor nad hitrostjo gibanja ali natančno napovedovanje hitrosti za omogočanje sinhronizacije.
● Ker gre za novo tehnologijo, trenutno obstaja le malo rešitev za implementacijo strojne in programske opreme.
sCMOS TDI, primeren za uporabo v slabi svetlobi
Čeprav je TDI kot tehnika slikanja starejša od digitalnega slikanja in je že zdavnaj presegla linijsko skeniranje po zmogljivosti, so TDI kamere šele v zadnjih nekaj letih pridobile občutljivost, potrebno za doseganje aplikacij pri šibki svetlobi, ki bi običajno zahtevale občutljivost znanstvene ravni.sCMOS kamere.
»sCMOS TDI« združuje gibanje nabojev po senzorju v slogu CCD z odčitavanjem v slogu sCMOS, na voljo pa so tudi senzorji z osvetlitvijo od zadaj. Prejšnje kamere TDI, ki so temeljile na CCD-jih ali izključno na CMOS-u*, so imele drastično počasnejše odčitavanje, manjše število slikovnih pik, manj stopenj in šum pri odčitavanju med 30e in >100e. Nasprotno pa so sCMOS TDI, kot je Tucsen...Dhyana 9KTDI sCMOS kameraponuja bralni šum 7,2e-, v kombinaciji z višjo kvantno učinkovitostjo zaradi osvetlitve ozadja, kar omogoča uporabo TDI v aplikacijah z bistveno nižjo stopnjo svetlobe, kot je bilo to mogoče prej.
V mnogih aplikacijah lahko daljši časi osvetlitve, ki jih omogoča postopek TDI, več kot nadomestijo povečanje bralnega šuma v primerjavi z visokokakovostnimi sCMOS kamerami s površinskim skeniranjem, katerih bralni šum je blizu 1e-.
Pogoste uporabe TDI kamer
TDI kamere se uporabljajo v številnih panogah, kjer sta natančnost in hitrost enako pomembni:
● Pregled polprevodniških rezin
● Testiranje ploskih zaslonov (FPD)
● Pregled spleta (papir, film, folija, tekstil)
● Rentgensko skeniranje pri medicinski diagnostiki ali pregledu prtljage
● Skeniranje preparatov in večjamičnih plošč v digitalni patologiji
● Hiperspektralno slikanje v daljinskem zaznavanju ali kmetijstvu
● Pregled tiskanih vezij in elektronike v SMT linijah
Te aplikacije imajo koristi od izboljšanega kontrasta, hitrosti in jasnosti, ki jih TDI slikanje zagotavlja v resničnih omejitvah.
Primer: Skeniranje preparatov in večjamičnih plošč
Kot smo že omenili, je ena od zelo obetavnih aplikacij za sCMOS TDI kamere sestavljanje slik, vključno s skeniranjem diapozitivov ali večjamičnih plošč. Skeniranje velikih fluorescenčnih ali svetlopolnih mikroskopskih vzorcev z dvodimenzionalnimi območnimi kamerami temelji na sestavljanju mreže slik, ki nastanejo z več premiki mizice XY mikroskopa. Vsaka slika zahteva, da se mizica ustavi, umiri in nato ponovno zažene, skupaj z morebitno zakasnitvijo vrtljivega zaklopa. TDI pa lahko zajema slike, medtem ko se mizica premika. Slika se nato oblikuje iz majhnega števila dolgih "trakov", od katerih vsak pokriva celotno širino vzorca. To lahko potencialno privede do drastično višjih hitrosti zajemanja in pretoka podatkov v vseh aplikacijah sestavljanja, odvisno od pogojev slikanja.
Hitrost, s katero se lahko premika mizica, je obratno sorazmerna s skupnim časom osvetlitve TDI kamere, zato kratki časi osvetlitve (1–20 ms) ponujajo največje izboljšanje hitrosti slikanja v primerjavi s kamerami s površinskim skeniranjem, kar lahko nato privede do zmanjšanja skupnega časa zajemanja za velikostni red ali več. Pri daljših časih osvetlitve (npr. > 100 ms) lahko površinsko skeniranje običajno ohrani časovno prednost.
Primer zelo velike (2 gigapiksla) fluorescenčne mikroskopske slike, ki je bila ustvarjena v samo desetih sekundah, je prikazan na sliki 2. Enakovredna slika, ustvarjena s kamero za površinsko skeniranje, lahko traja do nekaj minut.
Slika 2: Slika z 2 gigapikselnimi pikami, oblikovana v 10 sekundah s TDI skeniranjem in spajanjem
OPOMBA: Slika z 10-kratno povečavo, pridobljena z uporabo označevalnika pik Tucsen Dhyana 9kTDI, posneta s fluorescenčno mikroskopijo. Posneta v 10 sekundah s časom osvetlitve 3,6 ms. Dimenzije slike: 30 mm x 17 mm, 58.000 x 34.160 slikovnih pik.
Sinhronizacija TDI-ja
Sinhronizacija TDI kamere s fotografiranim objektom (na nekaj odstotkov natančno) je bistvenega pomena – neujemanje hitrosti bo povzročilo učinek »zamegljenosti zaradi gibanja«. To sinhronizacijo je mogoče izvesti na dva načina:
PrediktivnoHitrost kamere je nastavljena tako, da se ujema s hitrostjo gibanja na podlagi poznavanja hitrosti gibanja vzorca, optike (povečave) in velikosti slikovnih pik kamere. Ali pa s poskusi in napakami.
SproženoŠtevilne mizice mikroskopov, portali in druga oprema za premikanje slikovnih objektov lahko vključujejo kodirnike, ki kameri pošljejo sprožilni impulz za določeno razdaljo premika. To omogoča, da mizica/portal in kamera ostaneta sinhronizirani ne glede na hitrost premikanja.
TDI kamere v primerjavi s kamerami za linijsko skeniranje in kamerami za površinsko skeniranje
Takole se TDI primerja z drugimi priljubljenimi tehnologijami slikanja:
| Funkcija | TDI kamera | Kamera za linijsko skeniranje | Kamera za skeniranje območja |
| Občutljivost | Zelo visoka | Srednje | Nizka do srednja |
| Kakovost slike (gibanje) | Odlično | Dobro | Zamegljen pri visokih hitrostih |
| Zahteve glede osvetlitve | Nizko | Srednje | Visoka |
| Združljivost gibanja | Odlično (če je sinhronizirano) | Dobro | Slabo |
| Najboljše za | Visoka hitrost, šibka svetloba | Hitro premikajoči se predmeti | Statični ali počasni prizori |
TDI je jasna izbira, kadar se prizor hitro premika in je raven svetlobe omejena. Črtno skeniranje je korak nižje v občutljivosti, medtem ko je površinsko skeniranje boljše za preproste ali stacionarne postavitve.
Izbira prave TDI kamere
Pri izbiri TDI kamere upoštevajte naslednje:
● Število stopenj TDI: Več stopenj poveča razmerje signal-šum, hkrati pa tudi stroške in kompleksnost.
● Vrsta senzorja: sCMOS je prednostnejši zaradi svoje hitrosti in nizkega šuma; CCD je morda še vedno primeren za nekatere starejše sisteme.
● Vmesnik: Zagotovite združljivost z vašim sistemom – Camera Link, CoaXPress in 10GigE so pogoste možnosti, 100G CoF in 40G CoF pa sta se pojavila kot nova trenda.
● Spektralni odziv: Izberite med enobarvnim, barvnim ali bližnjim infrardečim (NIR) spektrom glede na potrebe aplikacije.
● Možnosti sinhronizacije: Za boljšo poravnavo gibanja poiščite funkcije, kot so vhodi za kodirnike ali podpora za zunanje sprožilce.
Če vaša aplikacija vključuje občutljive biološke vzorce, hitre preglede ali okolja s slabo svetlobo, je sCMOS TDI verjetno prava izbira.
Zaključek
TDI kamere predstavljajo močan napredek v tehnologiji slikanja, še posebej, če so zgrajene na sCMOS senzorjih. Z združevanjem sinhronizacije gibanja z večvrstično integracijo ponujajo neprekosljivo občutljivost in jasnost za dinamične prizore v slabih svetlobnih pogojih.
Ne glede na to, ali pregledujete rezine, skenirate diapozitive ali izvajate hitre preglede, vam lahko razumevanje delovanja TDI pomaga izbrati najboljšo rešitev med njimi.znanstvene kamereza vaše slikovne izzive.
Pogosta vprašanja
Ali lahko TDI kamere delujejo v načinu skeniranja območja?
TDI kamere lahko ustvarijo (zelo tanke) dvodimenzionalne slike v načinu, podobnem "površinskemu skeniranju", kar dosežemo s trikom časovnega usklajevanja senzorjev. To je lahko koristno pri nalogah, kot sta ostrenje in poravnava.
Za začetek »osvetlitve s skeniranjem območja« se senzor najprej »izbriše« tako, da se TDI premakne za vsaj toliko korakov, kolikor ima kamera stopenj, čim hitreje, nato pa se ustavi. To se doseže bodisi s programskim krmiljenjem bodisi s strojno opremo, idealno pa se izvede v temi. Na primer, kamera z 256 stopnjami bi morala prebrati vsaj 256 vrstic in se nato ustaviti. Teh 256 vrstic podatkov se zavrže.
Medtem ko se kamera ne sproži ali se vrstice ne berejo, se senzor obnaša podobno kot senzor za skeniranje območja, ki osvetljuje sliko.
Želeni čas osvetlitve naj bi nato pretekel v mirovanju fotoaparata, preden se fotoaparat ponovno premakne naprej vsaj za določeno število korakov in prebere vsako vrstico pravkar zajete slike. Idealno bi bilo, da se ta faza »branja« ponovno izvede v temi.
To tehniko je mogoče ponoviti, da se zagotovi »predogled v živo« ali zaporedje slik površinskega skeniranja z minimalnim popačenjem in zamegljenostjo zaradi delovanja TDI.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Vse pravice pridržane. Pri citiranju navedite vir:www.tucsen.com
