22.07.2013.Интеграција временског кашњења (TDI) је техника снимања која претходи дигиталном снимању – али која и даље пружа огромне предности на самом врху технологије снимања данас. Постоје две околности у којима TDI камере могу да заблистају – обе када је објекат снимања у покрету:
1 – Објекат снимања се инхерентно креће константном брзином, као код инспекције мреже (као што је скенирање покретних листова папира, пластике или тканине у потрази за дефектима и оштећењима), монтажних трака или микрофлуидике и токова флуида.
2 – Статичко снимање објеката које би могла да сними камера која се помера из подручја у подручје, било померањем објекта или камере. Примери укључују скенирање предметних плочица микроскопа, преглед материјала, преглед равних плоча итд.
Ако би било која од ових околности могла да се односи на ваше снимање, ова веб страница ће вам помоћи да размотрите да ли би прелазак са конвенционалних дводимензионалних камера за „скенирање површине“ на TDI камере са линијским скенирањем могао да унапреди ваше снимање.
Проблем са скенирањем подручја и покретним циљевима
● Замућење покрета
Неки објекти снимања се крећу по нужности, на пример код протока флуида или инспекције мреже. У другим применама, као што су скенирање слајдова и инспекција материјала, одржавање објекта у покрету може бити знатно брже и ефикасније него заустављање кретања за сваку снимљену слику. Међутим, за камере са површинским скенирањем, ако се објекат снимања креће у односу на камеру, ово може представљати изазов.
Замућење покрета које искривљује слику возила у покрету
У ситуацијама са ограниченим осветљењем или тамо где је потребан висок квалитет слике, може бити пожељно дуго време експозиције камере. Међутим, кретање субјекта ће ширити светлост на више пиксела камере током експозиције, што доводи до „замућења покрета“. Ово се може минимизирати одржавањем експозиција веома кратким – испод времена које би било потребно да тачка на субјекту пређе пиксел камере. Ово је...unобично на рачун тамних, бучних, често неупотребљивих слика.
●Шивење
Поред тога, обично снимање великих или континуираних објеката камерама за скенирање површине захтева снимање више слика, које се затим спајају. Ово спајање захтева преклапање пиксела између суседних слика, смањујући ефикасност и повећавајући захтеве за складиштење и обраду података.
●Неравномерно осветљење
Штавише, осветљење ће ретко бити довољно равномерно да би се избегли проблеми и артефакти на границама између спојених слика. Такође, да би се обезбедило осветљење довољно велике површине за камеру за скенирање површине са довољним интензитетом, често је потребна употреба снажних и скупих једносмерних извора светлости.
Неравномерно осветљење при спајању вишеслојне аквизиције мозга миша. Слика из Вотсона и др. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Шта је TDI камера и како помаже?
Код конвенционалних дводимензионалних камера за скенирање површине, постоје три фазе добијања слике: ресетовање пиксела, експозиција и очитавање. Током експозиције, фотони са сцене се детектују, што резултира фотоелектронима, који се чувају у пикселима камере до краја експозиције. Вредности са сваког пиксела се затим очитавају и формира се дводимензионална слика. Пиксели се затим ресетују и сва наелектрисања се бришу да би се започела следећа експозиција.
Међутим, као што је поменуто, ако се снимани објекат креће у односу на камеру, светлост са објекта може се проширити на више пиксела током ове експозиције, што доводи до замућења покрета. TDI камере превазилазе ово ограничење користећи иновативну технику. Ово је демонстрирано у [Анимацији 1].
●Како раде TDI камере
TDI камере раде на фундаментално другачији начин од камера са површинским скенирањем. Како се објекат снимања креће преко камере током експозиције, електронска наелектрисања која чине стечену слику се такође померају, остајући синхронизована. Током експозиције, TDI камере су у стању да премештају сва стечена наелектрисања из једног реда пиксела у други, дуж камере, синхронизовано са кретањем објекта снимања. Како се објекат креће преко камере, сваки ред (познат као „TDI сцена“) пружа нову прилику за експонирање камере према објекту и акумулирање сигнала.
Тек када низ стечених наелектрисања стигне до краја камере, вредности се очитавају и чувају као једнодимензионални исечак слике. Дводимензионална слика се формира спајањем сваког наредног исечка слике док их камера очитава. Сваки ред пиксела на резултујућој слици прати и приказује исти „исечак“ субјекта снимања, што значи да упркос кретању, нема замућења.
●256 пута дужа експозиција
Код TDI камера, ефективно време експозиције слике дато је целим временом које је потребно да тачка на субјекту прође кроз сваки ред пиксела, са до 256 доступних фаза на неким TDI камерама. То значи да је расположиво време експозиције ефикасно 256 пута веће него што би то могла да постигне камера са површинским скенирањем.
Ово може донети једно од два побољшања или равнотежу између оба. Прво, може се постићи значајно повећање брзине снимања. У поређењу са камером за скенирање површине, објекат снимања може се кретати до 256 пута брже, а да притом снима исту количину сигнала, под условом да је брзина преноса података камере довољно велика да прати тај тренд.
С друге стране, ако је потребна већа осетљивост, дуже време експозиције може омогућити слике много већег квалитета, нижи интензитет осветљења или обоје.
●Велики проток података без спајања
Пошто TDI камера производи дводимензионалну слику из узастопних једнодимензионалних пресека, резултујућа слика може бити онолико велика колико је потребно. Док је број пиксела у „хоризонталном“ правцу дат ширином камере, на пример 9072 пиксела, „вертикална“ величина слике је неограничена и једноставно се одређује тиме колико дуго камера ради. Са брзинама линије до 510kHz, ово може да обезбеди огроман проток података.
У комбинацији са овим, TDI камере могу да понуде веома широка видна поља. На пример, камера од 9072 пиксела са пикселима од 5µm пружа хоризонтално видно поље од 45mm са високом резолуцијом. Да би се постигла иста ширина снимања са камером за скенирање са површином пиксела од 5µm, било би потребно до три 4K камере једна поред друге.
●Побољшања у односу на камере са линијским скенирањем
TDI камере не нуде само побољшања у односу на камере са површинским скенирањем. Камере са линијским скенирањем, које снимају само једну линију пиксела, такође пате од многих истих проблема са интензитетом осветљења и кратким експозицијама као и камере са површинским скенирањем.
Иако, попут TDI камера, камере са линијским скенирањем нуде равномерније осветљење са једноставнијим подешавањем и избегавају потребу за спајањем слика, често могу захтевати веома интензивно осветљење и/или споро кретање објекта да би снимиле довољно сигнала за слику високог квалитета. Дуже експозиције и веће брзине објекта које TDI камере омогућавају значе да се може користити осветљење нижег интензитета и нижих трошкова, уз побољшање ефикасности снимања. На пример, производна линија би могла да пређе са скупих халогених светала велике потрошње која захтевају једносмерну струју на LED осветљење.
Како раде TDI камере?
Постоје три уобичајена стандарда за постизање TDI снимања на сензору камере.
● CCD TDI– CCD камере су најстарији тип дигиталних фотоапарата. Због свог електронског дизајна, постизање TDI понашања на CCD-у је релативно веома једноставно, јер многи сензори камере по својој природи могу да раде на овај начин. TDI CCD-ови се стога користе деценијама.
Међутим, CCD технологија има своја ограничења. Најмања величина пиксела која је уобичајено доступна за CCD TDI камере је око 12µm x 12µm – ово, заједно са малим бројем пиксела, ограничава способности камера да реше фине детаље. Штавише, брзина аквизиције је нижа него код других технологија, док је шум при читању – главни ограничавајући фактор код снимања при слабом осветљењу – висок. Потрошња енергије је такође висока, што је главни фактор у неким применама. То је довело до жеље за креирањем TDI камера заснованих на CMOS архитектури.
●Рани CMOS TDI: Напонско-доменско и дигитално сабирање
CMOS камере превазилазе многа ограничења шума и брзине CCD камера, уз мање потрошње енергије и мање величине пиксела. Међутим, TDI понашање је било много теже постићи на CMOS камерама, због њиховог дизајна пиксела. Док CCD-ови физички померају фотоелектроне од пиксела до пиксела како би управљали сензором, CMOS камере претварају сигнале у фотоелектронима у напоне у сваком пикселу пре очитавања.
Понашање TDI на CMOS сензору истражује се од 2001. године, међутим, изазов у вези са начином руковања „акумулацијом“ сигнала како се експозиција помера из једног реда у други био је значајан. Две ране методе за CMOS TDI које се и данас користе у комерцијалним камерама су акумулација напонског домена и дигитално сабирање TDI CMOS-а. Код камера са акумулацијом напонског домена, како се сваки ред сигнала прикупља док се објекат снимања креће, прикупљени напон се електронски додаје укупном снимку за тај део слике. Акумулирање напона на овај начин уводи додатни шум за сваку додатну TDI фазу која се дода, ограничавајући предности додатних фаза. Проблеми са линеарношћу такође доводе у питање употребу ових камера за прецизне примене.
Друга метода је дигитално сабирање TDI. Код ове методе, CMOS камера ефикасно ради у режиму скенирања подручја са веома кратком експозицијом која је усклађена са временом потребним да се објекат снимања помери преко једног реда пиксела. Међутим, редови из сваког наредног кадра се дигитално сабирају на такав начин да се добија TDI ефекат. Пошто се цела камера мора очитати за сваки ред пиксела на резултујућој слици, ово дигитално сабирање такође додаје шум очитавања за сваки ред и ограничава брзину аквизиције.
●Модерни стандард: TDI CMOS са доменом наелектрисања или CCD-on-CMOS TDI
Горе наведена ограничења CMOS TDI сензора су недавно превазиђена увођењем TDI CMOS сензора са акумулацијом наелектрисања у домену, познатог и као CCD-on-CMOS TDI. Рад ових сензора је приказан у [Анимација 1]. Као што име имплицира, ови сензори нуде кретање наелектрисања од једног пиксела до другог, слично CCD-у, акумулирајући сигнал у свакој TDI фази додавањем фотоелектрона на нивоу појединачних наелектрисања. Ово је ефикасно без шума. Међутим, ограничења CCD TDI сензора су превазиђена употребом CMOS архитектуре очитавања, што омогућава велике брзине, низак шум и ниску потрошњу енергије уобичајене за CMOS камере.
TDI спецификације: шта је важно?
●Технологија:Најважнији фактор је која се сензорска технологија користи, као што је горе објашњено. CMOS TDI сензор са доменским наелектрисањем ће пружити најбоље перформансе.
●Фазе ТДИ-ја:Ово је број редова сензора преко којих се сигнал може акумулирати. Што више TDI фаза камера има, то дуже може бити њено ефективно време експозиције. Или, брже се објекат снимања може кретати, под условом да камера има довољну брзину линије.
●Цена линије:Колико редова камера може да прочита у секунди. Ово одређује максималну брзину кретања коју камера може да прати.
●Квантна ефикасностОво указује на осетљивост камере на светлост различитих таласних дужина, дату вероватноћом да ће упадни фотон бити детектован и да ће произвести фотоелектрон. Већа квантна ефикасност може понудити мању јачину осветљења или бржи рад уз одржавање истих нивоа сигнала.
Поред тога, камере се разликују по опсегу таласних дужина на којима се може постићи добра осетљивост, при чему неке камере нуде осетљивост све до ултраљубичастог (УВ) краја спектра, на таласној дужини од око 200 nm.
●Шум читања:Шум при читању је други значајан фактор осетљивости камере, који одређује минимални сигнал који се може детектовати изнад прага шума камере. Са високим шумом при читању, тамне карактеристике се не могу детектовати и динамички опсег је значајно смањен, што значи да се мора користити јаче осветљење или дуже време експозиције и спорије брзине кретања.
TDI спецификације: шта је важно?
Тренутно се TDI камере користе за инспекцију мреже, инспекцију електронике и производње, као и за друге примене машинског вида. Уз то, постоје и захтевне примене у условима слабог осветљења, као што су флуоресцентно снимање и скенирање слајдова.
Међутим, са увођењем TDI CMOS камера велике брзине, са ниским нивоом шума и високом осетљивошћу, постоји велики потенцијал за повећање брзине и ефикасности у новим апликацијама које су раније користиле само камере са површинским скенирањем. Као што смо навели на почетку чланка, TDI камере могу бити најбољи избор за постизање великих брзина и високог квалитета слике, било за снимање објеката који су већ у сталном покрету, или тамо где би камера могла да скенира преко статичних објеката снимања.
На пример, у микроскопској примени, могли бисмо да упоредимо теоријску брзину снимања TDI камере од 9K пиксела, 256 предметних постоља и пиксела од 5 µm са камером за скенирање површине од 12MP и пиксела од 5 µm. Хајде да испитамо снимање површине од 10 x 10 mm са увећањем од 20 пута померањем предметног постоља.
1. Коришћењем објектива са увећањем од 20x са камером за скенирање подручја добило би се видно поље слике од 1,02 x 0,77 мм.
2. Са TDI камером, објектив од 10x са додатним увећањем од 2x могао би се користити за превазилажење било каквог ограничења у видном пољу микроскопа, како би се добило хоризонтално видно поље од 2,3 мм.
3. Под претпоставком преклапања пиксела од 2% између слика ради спајања, 0,5 секунди за померање постоља на задату локацију и времена експозиције од 10 мс, можемо израчунати време које би камери за скенирање површине било потребно. Слично, можемо израчунати време које би TDI камери било потребно ако би се постоље стално померало за скенирање у Y правцу, са истим временом експозиције по линији.
4. У овом случају, камера за скенирање површине би захтевала 140 слика да би се снимило, са 63 секунде проведене на померању постоља. TDI камера би снимила само 5 дугих слика, са само 2 секунде проведене на померању постоља до следеће колоне.
5. Укупно време утрошено на снимање површине 10 x 10 mm било би64,4 секунде за камеру за скенирање подручја,и само9,9 секунди за TDI камеру.
Ако желите да видите да ли TDI камера може да одговара вашој примени и задовољи ваше потребе, контактирајте нас данас.
