22/07/13Time Delay Integration (TDI) är en bildteknik som är äldre än digital bildbehandling – men som fortfarande ger enorma fördelar i dagens framkant. Det finns två omständigheter där TDI-kameror kan lysa – båda när motivet är i rörelse:
1 – Det avbildande objektet är i sig i rörelse med konstant hastighet, som vid baninspektion (såsom att skanna rörliga pappersark, plast eller tyg efter defekter och skador), monteringslinjer eller mikrofluidik och vätskeflöden.
2 – Statiska avbildningsobjekt som kan avbildas med en kamera som flyttas från område till område, antingen genom att flytta objektet eller kameran. Exempel inkluderar skanning av objektglas, materialinspektion, inspektion av platta paneler etc.
Om någon av dessa omständigheter kan gälla för din bildbehandling, hjälper den här webbsidan dig att överväga om ett byte från konventionella tvådimensionella "area scan"-kameror till Line Scan TDI-kameror kan ge din bildbehandling ett lyft.
Problemet med områdesskanning och rörliga mål
● Rörelseoskärpa
Vissa avbildande motiv är i rörelse av nödvändighet, till exempel vid inspektion av vätskeflöden eller banor. I andra tillämpningar, såsom diabilder och materialinspektion, kan det vara betydligt snabbare och effektivare att hålla motivet i rörelse än att stoppa rörelsen för varje bild som tas. För områdesskanningskameror kan detta dock innebära en utmaning om det avbildande motivet är i rörelse i förhållande till kameran.
Rörelseoskärpa som förvränger bilden av ett fordon i rörelse
I situationer med begränsad belysning eller där höga bildkvaliteter krävs kan en lång exponeringstid vara önskvärd. Emellertid kommer motivets rörelse att sprida sitt ljus över flera kamerapixlar under exponeringen, vilket leder till "rörelseoskärpa". Detta kan minimeras genom att hålla exponeringarna mycket korta – under den tid det skulle ta för en punkt på motivet att passera en kamerapixel. Detta ärunvanligtvis på bekostnad av mörka, brusiga och ofta oanvändbara bilder.
●Söm
Dessutom kräver avbildning av stora eller kontinuerliga motiv med areaskanningskameror vanligtvis att flera bilder tas, vilka sedan sammanfogas. Denna sammanfogning kräver överlappande pixlar mellan angränsande bilder, vilket minskar effektiviteten och ökar kraven på datalagring och bearbetning.
●Ojämn belysning
Dessutom är belysningen sällan tillräcklig för att undvika problem och artefakter vid gränserna mellan sammanfogade bilder. För att ge belysning över ett tillräckligt stort område för områdesskanningskameran med tillräcklig intensitet krävs det ofta användning av högpresterande och dyra likströmsljuskällor.
Ojämn belysning vid sömnad av ett flerbildsförvärv av en mushjärna. Bild från Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Vad är en TDI-kamera, och hur hjälper den?
I konventionella tvådimensionella areaskanningskameror finns det tre faser för att ta en bild: pixelåterställning, exponering och avläsning. Under exponeringen detekteras fotoner från scenen, vilket resulterar i fotoelektroner, som lagras i kamerans pixlar fram till slutet av exponeringen. Värdena från varje pixel läses sedan av och en 2D-bild bildas. Pixlarna återställs sedan och alla laddningar rensas för att påbörja nästa exponering.
Men som nämnts, om motivet rör sig i förhållande till kameran, kan ljuset från motivet spridas över flera pixlar under exponeringen, vilket leder till rörelseoskärpa. TDI-kameror övervinner denna begränsning med hjälp av en innovativ teknik. Detta demonstreras i [Animation 1].
●Hur TDI-kameror fungerar
TDI-kameror fungerar fundamentalt annorlunda än area-skanningskameror. När det avbildade motivet rör sig över kameran under exponeringen, flyttas även de elektroniska laddningar som utgör den tagna bilden, och förblir synkroniserade. Under exponeringen kan TDI-kameror flytta alla tagna laddningar från en rad pixlar till nästa, längs kameran, synkroniserat med det avbildade motivets rörelse. När motivet rör sig över kameran ger varje rad (känt som ett "TDI-steg") en ny möjlighet att exponera kameran för motivet och ackumulera signal.
När en rad av insamlade laddningar når kamerans ände läses värdena ut och lagras som en endimensionell skiva av bilden. Den tvådimensionella bilden bildas genom att varje efterföljande skiva av bilden limmas ihop medan kameran läser dem. Varje rad av pixlar i den resulterande bilden spårar och avbildar samma "skiva" av motivet, vilket innebär att det inte finns någon oskärpa trots rörelsen.
●256x längre exponering
Med TDI-kameror ges bildens effektiva exponeringstid av hela den tid det tar för en punkt på motivet att passera varje rad med pixlar, med upp till 256 steg tillgängliga på vissa TDI-kameror. Det betyder att den tillgängliga exponeringstiden i praktiken är 256 gånger större än vad en area-scan-kamera skulle kunna uppnå.
Detta kan ge endera av två förbättringar, eller en balans mellan båda. För det första kan en betydande ökning av bildhastigheten uppnås. Jämfört med en area-skanningskamera kan det avbildade motivet röra sig upp till 256 gånger snabbare samtidigt som det fångar samma mängd signal, förutsatt att kamerans linjehastighet är tillräckligt snabb för att hålla jämna steg.
Å andra sidan, om större känslighet krävs, kan den längre exponeringstiden möjliggöra bilder av mycket högre kvalitet, lägre ljusintensitet eller båda.
●Stor datagenomströmning utan sammanfogning
Eftersom TDI-kameran producerar en tvådimensionell bild från successiva endimensionella skivor kan den resulterande bilden bli så stor som behövs. Medan antalet pixlar i den "horisontella" riktningen ges av kamerans bredd, till exempel 9072 pixlar, är bildens "vertikala" storlek obegränsad och bestäms helt enkelt av hur länge kameran körs. Med linjehastigheter på upp till 510 kHz kan detta leverera massiv datagenomströmning.
Kombinerat med detta kan TDI-kameror erbjuda mycket breda synfält. Till exempel ger en 9072-pixelkamera med 5µm pixlar ett horisontellt synfält på 45 mm med hög upplösning. För att uppnå samma bildbredd med en skanningskamera med 5µm pixelarea skulle det krävas upp till tre 4K-kameror sida vid sida.
●Förbättringar jämfört med linjeskanningskameror
TDI-kameror erbjuder inte bara förbättringar jämfört med area-skanningskameror. Linje-skanningskameror, som bara fångar en enda rad pixlar, lider också av många av samma problem med ljusintensitet och korta exponeringar som area-skanningskameror.
Även om linjeskanningskameror, liksom TDI-kameror, erbjuder jämnare belysning med en enklare installation och undviker behovet av bildsammanfogning, kan de ofta kräva mycket intensiv belysning och/eller långsam motivrörelse för att fånga tillräckligt med signal för en högkvalitativ bild. De längre exponeringarna och snabbare motivhastigheterna som TDI-kameror möjliggör innebär att belysning med lägre intensitet och lägre kostnad kan användas samtidigt som bildeffektiviteten förbättras. Till exempel kan en produktionslinje gå från dyra halogenlampor med hög strömförbrukning som kräver likström till LED-belysning.
Hur fungerar TDI-kameror?
Det finns tre vanliga standarder för hur man uppnår TDI-avbildning på en kamerasensor.
● CCD TDI– CCD-kameror är den äldsta typen av digitalkameror. Tack vare sin elektroniska design är det jämförelsevis mycket enkelt att uppnå TDI-beteende på en CCD, eftersom många kamerasensorer i sig kan fungera på detta sätt. TDI-CCD:er har därför använts i årtionden.
CCD-tekniken har dock sina begränsningar. Den minsta pixelstorleken som vanligtvis finns tillgänglig för CCD TDI-kameror är runt 12 µm x 12 µm – detta, tillsammans med det lilla antalet pixlar, begränsar kamerornas förmåga att lösa upp fina detaljer. Dessutom är inspelningshastigheten lägre än för andra tekniker, medan läsbruset – en viktig begränsande faktor vid bilder i svagt ljus – är högt. Strömförbrukningen är också hög, vilket är en viktig faktor i vissa tillämpningar. Detta ledde till önskan att skapa TDI-kameror baserade på CMOS-arkitektur.
●Tidig CMOS TDI: Spänningsdomän och digital summering
CMOS-kameror övervinner många av CCD-kamerors brus- och hastighetsbegränsningar, samtidigt som de förbrukar mindre ström och erbjuder mindre pixelstorlekar. TDI-beteendet var dock mycket svårare att uppnå på CMOS-kameror på grund av deras pixeldesign. Medan CCD:er fysiskt flyttar fotoelektroner runt från pixel till pixel för att hantera sensorn, omvandlar CMOS-kameror signaler i fotoelektroner till spänningar i varje pixel innan avläsning.
TDI-beteendet på en CMOS-sensor har utforskats sedan 2001, men utmaningen med hur man ska hantera "ackumuleringen" av signal när exponeringen flyttas från en rad till nästa var betydande. Två tidiga metoder för CMOS TDI som fortfarande används i kommersiella kameror idag är spänningsdomänackumulering och digital summering av TDI CMOS. I spänningsdomänackumuleringskameror, när varje signalrad förvärvas när det avbildade motivet rör sig förbi, läggs den förvärvade spänningen elektroniskt till den totala förvärvningen för den delen av bilden. Att ackumulera spänningar på detta sätt introducerar ytterligare brus för varje extra TDI-steg som läggs till, vilket begränsar fördelarna med ytterligare steg. Problem med linjäritet utmanar också användningen av dessa kameror för precisa tillämpningar.
Den andra metoden är digital summering av TDI. I den här metoden körs en CMOS-kamera i praktiken i områdesskanningsläge med en mycket kort exponeringstid som matchar den tid det tar för motivet att röra sig över en enda rad med pixlar. Men raderna från varje efterföljande bildruta läggs ihop digitalt på ett sådant sätt att en TDI-effekt uppnås. Eftersom hela kameran måste läsas ut för varje rad med pixlar i den resulterande bilden, lägger denna digitala addition också till läsbruset för varje rad och begränsar inspelningshastigheten.
●Den moderna standarden: laddningsdomän-TDI CMOS, eller CCD-på-CMOS TDI
Begränsningarna hos CMOS TDI ovan har nyligen övervunnits genom introduktionen av laddningsdomänackumulerings-TDI CMOS, även känd som CCD-på-CMOS TDI. Funktionen hos dessa sensorer demonstreras i [Animation 1]. Som namnet antyder erbjuder dessa sensorer CCD-liknande förflyttning av laddningar från en pixel till nästa, och ackumulerar signaler i varje TDI-steg genom tillägg av fotoelektroner på nivån av individuella laddningar. Detta är i praktiken brusfritt. Begränsningarna hos CCD TDI övervinns dock genom användning av CMOS-avläsningsarkitektur, vilket möjliggör de höga hastigheter, låga brusnivåer och låga strömförbrukning som är vanliga för CMOS-kameror.
TDI-specifikationer: vad är viktigt?
●Teknologi:Den viktigaste faktorn är vilken sensorteknik som används, vilket diskuterats ovan. Charge-domain CMOS TDI ger bäst prestanda.
●TDI-steg:Detta är antalet rader i sensorn över vilka signalen kan ackumuleras. Ju fler TDI-steg en kamera har, desto längre kan dess effektiva exponeringstid vara. Eller desto snabbare kan det avbildade motivet röra sig, förutsatt att kameran har tillräcklig linjehastighet.
●Linjehastighet:Hur många rader kameran kan läsa per sekund. Detta avgör den maximala rörelsehastigheten som kameran kan hålla jämna steg med.
●KvanteffektivitetDetta indikerar kamerans ljuskänslighet vid olika våglängder, givet av sannolikheten för att en infallande foton detekteras och producerar en fotoelektron. Högre kvantverkningsgrad kan ge lägre belysningsstyrka eller snabbare drift samtidigt som samma signalnivåer bibehålls.
Dessutom skiljer sig kameror åt i fråga om vilket våglängdsområde där god känslighet kan uppnås, där vissa kameror erbjuder känslighet ända ner till den ultravioletta (UV) änden av spektrumet, vid cirka 200 nm våglängd.
●Läs brus:Läsbrus är den andra viktiga faktorn i en kameras känslighet, som avgör den minsta signal som kan detekteras över kamerans brusgolv. Med högt läsbrus kan mörka sfärer inte detekteras och det dynamiska omfånget minskas kraftigt, vilket innebär att ljusare belysning eller längre exponeringstider och långsammare rörelsehastigheter måste användas.
TDI-specifikationer: vad är viktigt?
För närvarande används TDI-kameror för baninspektion, elektronik- och tillverkningsinspektion samt andra maskinseendetillämpningar. Vid sidan av detta används krävande tillämpningar i svagt ljus, såsom fluorescensavbildning och diabildsskanning.
Men med introduktionen av höghastighets-, brussvaga och högkänsliga TDI CMOS-kameror finns det stor potential för ökad hastighet och effektivitet i nya tillämpningar som tidigare endast använde area-scan-kameror. Som vi presenterade i början av artikeln kan TDI-kameror vara det bästa valet för att uppnå höga hastigheter och höga bildkvaliteter, antingen för att avbilda motiv i konstant rörelse redan, eller där kameran kan skannas över statiska avbildande motiv.
Till exempel, i en mikroskopiapplikation, skulle vi kunna jämföra den teoretiska förvärvshastigheten för en 9K pixlar, 256-stegs TDI-kamera med 5 µm pixlar med en 12MP kameraarea-skanningskamera med 5 µm pixlar. Låt oss undersöka hur man förvärvar ett 10 x 10 mm-område med 20x förstoring genom att flytta bordet.
1. Att använda ett 20x objektiv med areaskanningskameran skulle ge ett synfält på 1,02 x 0,77 mm.
2. Med TDI-kameran kan ett 10x objektiv med 2x extra förstoring användas för att övervinna eventuella begränsningar i mikroskopets synfält och ge ett horisontellt synfält på 2,3 mm.
3. Om vi antar 2 % pixelöverlappning mellan bilder för sammanfogning, 0,5 sekunder för att flytta scenen till en bestämd plats och en exponeringstid på 10 ms, kan vi beräkna den tid det skulle ta för områdesskanningskameran. På liknande sätt kan vi beräkna den tid det skulle ta för TDI-kameran om scenen hölls i konstant rörelse för att skanna i Y-riktningen, med samma exponeringstid per linje.
4. I det här fallet skulle områdeskameran kräva 140 bilder för att tas, vilket skulle ta 63 sekunder att flytta scenen. TDI-kameran skulle bara ta 5 långa bilder, vilket skulle ta endast 2 sekunder att flytta scenen till nästa kolumn.
5. Den totala tiden som går åt för att förvärva området på 10 x 10 mm skulle vara64,4 sekunder för områdesskanningskameran,och bara9,9 sekunder för TDI-kameran.
Om du vill se om en TDI-kamera kan passa din tillämpning och uppfylla dina behov, kontakta oss idag.
