25/08/08У индустријском и научном снимању, снимање брзо покретних објеката у условима слабог осветљења представља стални изазов. Ту на сцену ступају камере са интеграцијом временског кашњења (TDI). TDI технологија комбинује синхронизацију покрета и вишеструке експозиције како би пружила изузетну осетљивост и јасноћу слике, посебно у окружењима велике брзине.
Шта је TDI камера?
TDI камера је специјализована камера са линијским скенирањем која снима слике покретних објеката. За разлику од стандардних камера са површинским скенирањем које експонирају цео кадар одједном, TDI камере пребацују наелектрисање из једног реда пиксела у следећи синхронизовано са кретањем објекта. Сваки ред пиксела акумулира светлост док се субјект креће, ефикасно повећавајући време експозиције и побољшавајући јачину сигнала без увођења замућења покрета.
Ова интеграција набоја драматично повећава однос сигнал-шум (SNR), што TDI камере чини идеалним за примене велике брзине или слабог осветљења.
Како функционише TDI камера?
Рад TDI камере је илустрован на слици 1.
Слика 1: Рад сензора интеграције временског кашњења (TDI)
НАПОМЕНА: TDI камере померају стечена наелектрисања кроз више „степени“ синхронизовано са покретним објектом снимања. Свака степен пружа додатну прилику да буде изложен светлости. Илустровано је помоћу светлог „Т“ које се креће преко камере, са сегментом TDI сензора од 5 колона са 5 степени. Tucsen Dhyana 9KTDI са хибридним кретањем наелектрисања у CCD стилу, али паралелним очитавањем у CMOS стилу.
TDI камере су ефикасно камере са линијским скенирањем, са једном важном разликом: уместо једног реда пиксела који прикупљају податке док се камере скенирају преко објекта снимања, TDI камере имају више редова, познатих као „фазе“, обично до 256.
Међутим, ови редови не формирају дводимензионалну слику као камера за скенирање површине. Уместо тога, како се скенирани објекат слике креће преко сензора камере, детектовани фотоелектрони унутар сваког пиксела се померају у следећи ред синхронизовано са кретањем објекта слике, а да се још увек не очитају. Сваки додатни ред затим пружа додатну прилику да се објекат слике изложи светлости. Тек када исечак слике дође до последњег реда пиксела сензора, тај ред се затим прослеђује архитектури очитавања на мерење.
Стога, упркос вишеструким мерењима која се врше у различитим фазама камере, појављује се само један случај шума очитавања камере. TDI камера са 256 фаза држи узорак у виду 256 пута дуже, и стога има 256 пута дуже време експозиције од еквивалентне камере са линијским скенирањем. Еквивалентно време експозиције са камером са површинским скенирањем резултирало би екстремним замућењем покрета, чинећи слику бескорисном.
Када се ТДИ може користити?
TDI камере су одлично решење за сваку примену снимања где се објекат снимања креће у односу на камеру, под условом да је кретање равномерно по целом видном пољу камере.
Примене TDI снимања стога укључују, с једне стране, све оне линијског скенирања где се формирају дводимензионалне слике, уз веће брзине, знатно побољшану осетљивост при слабом осветљењу, бољи квалитет слике или сва три одједном. С друге стране, постоје многе технике снимања које користе камере за површинско скенирање где се могу користити TDI камере.
За високоосетљиви sCMOS TDI, снимање „плочица и шавова“ у биолошкој флуоресцентној микроскопији може се извести коришћењем непрекидног скенирања постоља уместо постављања плочица. Или сви TDI могу бити добро прилагођени за инспекцијске примене. Још једна важна примена за TDI је проточна цитометрија за снимање, где се флуоресцентне слике ћелија добијају док пролазе поред камере док теку кроз микрофлуидни канал.
Предности и мане sCMOS TDI-ја
Професионалци
● Може да снима дводимензионалне слике произвољне величине великом брзином приликом скенирања преко објекта снимања.
● Вишеструке TDI фазе, низак ниво шума и висок QE могу довести до драстично веће осетљивости него у односу на камере са линијским скенирањем.
● Могу се постићи веома велике брзине очитавања, на пример, до 510.000 Hz (линија у секунди), за слику ширине 9.072 пиксела.
●Осветљење треба да буде само једнодимензионално и не захтева корекције равног поља или друге корекције у другој (скенираној) димензији. Поред тога, дуже време експозиције у поређењу са линијским скенирањем може „ублажити“ треперење услед извора наизменичне светлости.
● Покретне слике могу се снимити без замућења покрета и са великом брзином и осетљивошћу.
●Скенирање великих површина може бити драстично брже од камера за скенирање површине.
● Са напредним софтвером или подешавањима окидача, режим „сличан скенирању подручја“ може да пружи преглед скенирања подручја за фокусирање и поравнање.
Мане
● И даље већи шум него код конвенционалних sCMOS камера, што значи да су примене у условима ултраслабог осветљења недоступне.
● Захтева специјализована подешавања са напредним окидањем за синхронизацију кретања објекта снимања са скенирањем камере, веома фину контролу брзине кретања или прецизно предвиђање брзине ради омогућавања синхронизације.
● Као нова технологија, тренутно постоји мало решења за имплементацију хардвера и софтвера.
sCMOS TDI са могућношћу рада са слабим осветљењем
Иако је TDI као техника снимања старија од дигиталног снимања и одавно је надмашила линијско скенирање по перформансама, тек у последњих неколико година TDI камере су стекле осетљивост потребну за примене у условима слабог осветљења које би обично захтевале осетљивост научног нивоа.sCMOS камере.
„sCMOS TDI“ комбинује кретање наелектрисања преко сензора у CCD стилу са очитавањем у sCMOS стилу, са доступним сензорима са позадинским осветљењем. Претходне TDI камере засноване на CCD-у или искључиво CMOS* имале су драстично спорије очитавање, мањи број пиксела, мање фаза и шум при очитавању између 30e- и >100e-. Насупрот томе, sCMOS TDI као што је TucsenDhyana 9KTDI sCMOS камерануди шум читања од 7,2e-, у комбинацији са већом квантном ефикасношћу кроз позадинско осветљење, омогућавајући употребу TDI у апликацијама са знатно нижим нивоом осветљења него што је раније било могуће.
У многим применама, дуже време експозиције које омогућава TDI процес може више него надокнадити повећање шума при читању у поређењу са висококвалитетним sCMOS камерама са скенирањем површине са шумом при читању близу 1e-.
Уобичајене примене TDI камера
TDI камере се налазе у многим индустријама где су прецизност и брзина подједнако важне:
● Инспекција полупроводничких плочица
● Тестирање равних дисплеја (FPD)
● Инспекција мреже (папир, филм, фолија, текстил)
● Рендгенско скенирање у медицинској дијагностици или прегледу пртљага
● Скенирање плочица и вишеслојних плоча у дигиталној патологији
● Хиперспектрално снимање у даљинској детекцији или пољопривреди
● Инспекција штампаних плоча и електронике у SMT линијама
Ове апликације имају користи од побољшаног контраста, брзине и јасноће које TDI снимање пружа у условима стварног света.
Пример: Скенирање плочица и плоча са више бунара
Као што је поменуто, једна од значајних перспектива за sCMOS TDI камере јесте спајање слика, укључујући скенирање плочица или плоча са више бунара. Скенирање великих флуоресцентних или светлопољних микроскопских узорака помоћу дводимензионалних површинских камера ослања се на спајање мреже слика формираних вишеструким померањем XY микроскопског постоља. Свака слика захтева да се постоље заустави, смири, а затим поново покрене, заједно са било каквим кашњењем ролер затварача. TDI, с друге стране, може да снима слике док се постоље креће. Слика се затим формира од малог броја дугачких „трака“, од којих свака покрива целу ширину узорка. Ово потенцијално може довести до драстично већих брзина аквизиције и протока података у свим апликацијама спајања, у зависности од услова снимања.
Брзина којом се постоље може кретати обрнуто је пропорционална укупном времену експозиције TDI камере, тако да кратка времена експозиције (1-20ms) нуде највеће побољшање брзине снимања у поређењу са камерама за скенирање површине, што затим може довести до смањења укупног времена аквизиције за ред величине или веће смањење. За дуже време експозиције (нпр. > 100ms), скенирање површине обично може задржати временску предност.
Пример веома велике (2 гигапиксела) флуоресцентне микроскопске слике формиране за само десет секунди приказан је на слици 2. За еквивалентну слику формирану камером за скенирање површине може се очекивати да ће бити потребно и до неколико минута.
Слика 2: Слика од 2 гигапиксела формирана за 10 секунди путем TDI скенирања и спајања
НАПОМЕНА: Слика увећана 10 пута, добијена коришћењем Tucsen Dhyana 9kTDI маркера са тачкама посматраним флуоресцентном микроскопијом. Снимљена за 10 секунди уз време експозиције од 3,6 ms. Димензије слике: 30 mm x 17 mm, 58.000 x 34.160 пиксела.
Синхронизација TDI-ја
Синхронизација TDI камере са објектом снимања (са одступањем од неколико процената) је неопходна – неусклађеност брзине ће довести до ефекта „замућења покрета“. Ова синхронизација се може обавити на два начина:
ПредиктивноБрзина камере је подешена тако да одговара брзини кретања на основу познавања брзине кретања узорка, оптике (увећања) и величине пиксела камере. Или методом покушаја и грешака.
ПокренутоМнога постоља микроскопа, портали и друга опрема за померање објеката снимања могу да укључују енкодере који шаљу импулс окидача камери за дату удаљеност кретања. Ово омогућава да постоље/портал и камера остану синхронизовани без обзира на брзину кретања.
TDI камере у односу на камере са линијским скенирањем и камерама са површинским скенирањем
Ево како се TDI пореди са другим популарним технологијама снимања:
| Карактеристика | TDI камера | Камера за линијско скенирање | Камера за скенирање подручја |
| Осетљивост | Веома високо | Средњи | Ниско до средње |
| Квалитет слике (покрет) | Одлично | Добро | Замућено при великим брзинама |
| Захтеви за осветљење | Ниско | Средњи | Високо |
| Компатибилност покрета | Одлично (ако је синхронизовано) | Добро | Сиромашно |
| Најбоље за | Велика брзина, слабо осветљење | Брзо покретни објекти | Статичне или споре сцене |
TDI је јасан избор када се сцена брзо креће и нивои осветљења су ограничени. Линијско скенирање је корак ниже у осетљивости, док је површинско скенирање боље за једноставне или стационарне поставке.
Избор праве TDI камере
Приликом избора TDI камере, узмите у обзир следеће:
● Број TDI фаза: Више фаза повећава однос сигнал/шум, али и трошкове и сложеност.
● Тип сензора: sCMOS је пожељнији због своје брзине и ниског нивоа шума; CCD може и даље бити погодан за неке старије системе.
● Интерфејс: Обезбедите компатибилност са вашим системом — Camera Link, CoaXPress и 10GigE су уобичајене опције, 100G CoF и 40G CoF су се појавили као нови трендови.
● Спектрални одзив: Изаберите између монохроматског, спектралног или блиског инфрацрвеног (NIR) спектра на основу потреба примене.
● Опције синхронизације: Потражите функције попут улаза за енкодер или подршке за екстерно окидање за боље поравнање кретања.
Ако ваша примена укључује осетљиве биолошке узорке, инспекцију великом брзином или окружења са слабом светлошћу, sCMOS TDI је вероватно прави избор.
Закључак
TDI камере представљају снажну еволуцију у технологији снимања, посебно када су изграђене на sCMOS сензорима. Комбиновањем синхронизације покрета са вишелинијском интеграцијом, оне нуде неупоредиву осетљивост и јасноћу за динамичне сцене са слабим осветљењем.
Без обзира да ли прегледате плочице, скенирате слајдове или вршите инспекције великом брзином, разумевање начина рада TDI-ја може вам помоћи да изаберете најбоље решење међу...научне камереза ваше изазове са сликањем.
Честа питања
Да ли TDI камере могу да раде у режиму скенирања подручја?
TDI камере могу да креирају (веома танке) дводимензионалне слике у режиму „скенирања подручја“, што се постиже триком времена сензора. Ово може бити корисно за задатке попут фокусирања и поравнања.
Да би се започело „скенирање површине“, сензор се прво „брише“ померањем TDI-ја за најмање онолико корака колико камера има фаза, што је брже могуће, а затим се зауставља. Ово се постиже или софтверском контролом или хардверским окидањем, и идеално се изводи у мраку. На пример, камера са 256 фаза требало би да прочита најмање 256 линија, а затим да се заустави. Ових 256 линија података се одбацује.
Док се камера не активира или се линије не очитавају, сензор се понаша баш као сензор за скенирање подручја који открива слику.
Жељено време експозиције треба да прође док је камера у стању мировања, пре него што се поново помери унапред за најмање одређени број корака, очитавајући сваки ред управо снимљене слике. Још једном, идеално би било да се ова фаза „очитавања“ одвија у мраку.
Ова техника се може поновити да би се обезбедио „преглед уживо“ или низ слика скенирања подручја са минималним изобличењем и замућењем услед TDI операције.
Тусен Фотоникс Ко., Лтд. Сва права задржана. Приликом цитирања, молимо вас да наведете извор:www.tucsen.com
