25/08/08Inom industriell och vetenskaplig avbildning är det en ständig utmaning att fånga objekt som rör sig snabbt under svaga ljusförhållanden. Det är där Time Delay Integration (TDI)-kameror kommer in i bilden. TDI-tekniken kombinerar rörelsesynkronisering och multiexponeringar för att ge exceptionell känslighet och bildskärpa, särskilt i miljöer med hög hastighet.
Vad är en TDI-kamera?
En TDI-kamera är en specialiserad linjeskanningskamera som tar bilder av rörliga objekt. Till skillnad från vanliga områdesskanningskameror som exponerar en hel bildruta på en gång, flyttar TDI-kameror laddning från en rad pixlar till nästa synkroniserat med objektets rörelse. Varje pixelrad ackumulerar ljus när motivet rör sig, vilket effektivt ökar exponeringstiden och förbättrar signalstyrkan utan att introducera rörelseoskärpa.
Denna laddningsintegration ökar signal-brusförhållandet (SNR) dramatiskt, vilket gör TDI-kameror idealiska för höghastighets- eller svagt ljus.
Hur fungerar en TDI-kamera?
Funktionen hos en TDI-kamera illustreras i figur 1.
Figur 1: Funktion hos tidsfördröjningsintegrationssensorer (TDI)
NOTERA: TDI-kameror flyttar insamlade laddningar över flera "steg" synkroniserat med ett rörligt motiv. Varje steg ger en ytterligare chans att exponeras för ljus. Illustreras med ett ljusstarkt "T" som rör sig över en kamera, med ett 5-kolumns gånger 5-stegssegment av en TDI-sensor. Tucsen Dhyana 9KTDI med hybrid CCD-liknande laddningsrörelse men parallell avläsning i CMOS-liknande stil.
TDI-kameror är i praktiken linjeskanningskameror, med en viktig skillnad: istället för att en rad pixlar samlar in data medan kameror skannas över ett avbildat motiv, har TDI-kameror flera rader, så kallade "steg", vanligtvis upp till 256.
Dessa rader bildar dock inte en tvådimensionell bild som en area-scan-kamera. Istället, när ett skannat avbildande motiv rör sig över kamerasensorn, flyttas de detekterade fotoelektronerna inom varje pixel vidare till nästa rad synkroniserat med avbildande motivs rörelse, utan att ännu ha lästs ut. Varje ytterligare rad ger sedan en ytterligare möjlighet att exponera avbildande motiv för ljus. Först när en bildskiva når den sista raden med pixlar i sensorn skickas den raden till avläsningsarkitekturen för mätning.
Trots att flera mätningar sker över kamerastegen introduceras därför endast en instans av kamerans läsbrus. En 256-stegs TDI-kamera håller provet i sikte 256 gånger längre och har därför 256 gånger längre exponeringstid än motsvarande linjeskanningskamera. En motsvarande exponeringstid med en ytskanningskamera skulle ge extrem rörelseoskärpa, vilket skulle göra bilden oanvändbar.
När kan TDI användas?
TDI-kameror är en utmärkt lösning för alla bildtillämpningar där det avbildade motivet är i rörelse i förhållande till kameran, förutsatt att rörelsen är jämn över kamerans synfält.
Tillämpningarna av TDI-avbildning inkluderar därför å ena sidan alla de inom linjeskanning där tvådimensionella bilder bildas, samtidigt som det ger högre hastigheter, avsevärt förbättrad känslighet i svagt ljus, bättre bildkvalitet, eller alla tre samtidigt. Å andra sidan finns det många avbildningstekniker som använder areaskanningskameror där TDI-kameror kan användas.
För högkänslig sCMOS TDI kan "tile and sy"-avbildning i biologisk fluorescensmikroskopi utföras med hjälp av en oavbruten skanning av scenen istället för tiling. Eller så kan alla TDI vara väl lämpade för inspektionstillämpningar. En annan viktig tillämpning för TDI är avbildningsflödescytometri, där fluorescensbilder av celler tas när de passerar en kamera medan de flödar genom en mikrofluidisk kanal.
För- och nackdelar med sCMOS TDI
Fördelar
● Kan ta tvådimensionella bilder av godtycklig storlek med hög hastighet vid skanning över ett avbildat motiv.
● Flera TDI-steg, lågt brus och hög QE kan leda till drastiskt högre känslighet än linjeskanningskameror.
● Mycket höga avläsningshastigheter kan uppnås, till exempel upp till 510 000 Hz (linjer per sekund), för en bild med en bredd på 9 072 pixlar.
●Belysningen behöver bara vara endimensionell och kan inte kräva några korrigeringar för platt fält eller andra ljusförhållanden i den andra (skannade) dimensionen. Dessutom kan längre exponeringstider jämfört med linjeskanning "jämna ut" flimmer på grund av växelströmsljuskällor.
● Rörliga bilder kan tas utan rörelseoskärpa och med hög hastighet och känslighet.
●Att skanna stora områden kan gå betydligt snabbare än med områdesskanningskameror.
● Med avancerad programvara eller triggerinställningar kan ett "områdesskanningsliknande" läge ge en översikt över områdesskanningen för fokus och justering.
Nackdelar
● Fortfarande högre brus än konventionella sCMOS-kameror, vilket innebär att tillämpningar i extremt svagt ljus är utom räckhåll.
● Kräver specialiserade inställningar med avancerad triggning för att synkronisera rörelsen hos det avbildade motivet med kamerans skanning, mycket fin kontroll över rörelsehastigheten eller noggrann förutsägelse av hastighet för att möjliggöra synkronisering.
● Eftersom det är en ny teknik finns det för närvarande få lösningar för implementering av hårdvara och mjukvara.
sCMOS TDI som klarar svagt ljus
Medan TDI som bildteknik föregår digital bildbehandling och för länge sedan överträffade linjeskanning i prestanda, är det först under de senaste åren som TDI-kameror har uppnått den känslighet som krävs för att nå de tillämpningar i svagt ljus som normalt skulle kräva känsligheten hos vetenskapligt avancerade kameror.sCMOS-kameror.
'sCMOS TDI' kombinerar CCD-liknande rörelse av laddningar över sensorn med sCMOS-liknande avläsning, med bakbelysta sensorer tillgängliga. Tidigare CCD-baserade eller rent CMOS-baserade* TDI-kameror hade drastiskt långsammare avläsning, mindre pixelantal, färre steg och läsbrus mellan 30e- och >100e-. Däremot hade sCMOS TDI som TucsenDhyana 9KTDI sCMOS-kameraerbjuder läsbrus på 7,2e-, kombinerat med högre kvantverkningsgrad genom bakbelysning, vilket möjliggör användning av TDI i applikationer med betydligt lägre ljusnivåer än tidigare.
I många tillämpningar kan de längre exponeringstiderna som möjliggörs av TDI-processen mer än väl kompensera för ökningen av läsbrus jämfört med högkvalitativa sCMOS-areaskanningskameror med läsbrus nära 1e-.
Vanliga tillämpningar av TDI-kameror
TDI-kameror finns i många branscher där precision och hastighet är lika avgörande:
● Inspektion av halvledarskivor
● Testning av plattskärmar (FPD)
● Baninspektion (papper, film, folie, textilier)
● Röntgenundersökning vid medicinsk diagnostik eller bagagekontroll
● Skanning av objektglas och flerbrunnsplattor inom digital patologi
● Hyperspektral avbildning inom fjärranalys eller jordbruk
● Inspektion av kretskort och elektronik i SMT-linjer
Dessa applikationer drar nytta av den förbättrade kontrasten, hastigheten och skärpan som TDI-avbildning ger under verkliga begränsningar.
Exempel: Skanning av objektglas och flerbrunnsplattor
Som nämnts är en tillämpning med betydande potential för sCMOS TDI-kameror sammanfogningsapplikationer, inklusive skanning av objektglas eller plattor med flera brunnar. Skannning av stora fluorescerande eller ljusfältsmikroskopiprover med tvådimensionella areakameror bygger på att sammanfoga ett rutnät av bilder som bildas av flera rörelser av ett XY-mikroskopbord. Varje bild kräver att bordet stoppar, stabiliseras och sedan startas om, tillsammans med eventuella fördröjningar av den rullande slutaren. TDI, å andra sidan, kan ta bilder medan bordet är i rörelse. Bilden bildas sedan av ett litet antal långa "remsor", som var och en täcker hela provets bredd. Detta kan potentiellt leda till drastiskt högre förvärvshastigheter och datagenomströmning i alla sammanfogningsapplikationer, beroende på bildförhållandena.
Hastigheten med vilken scenen kan röra sig är omvänt proportionell mot TDI-kamerans totala exponeringstid, så korta exponeringstider (1–20 ms) erbjuder den största förbättringen av bildhastigheten jämfört med area-skanningskameror, vilket sedan kan leda till en storleksordning eller större minskning av den totala förvärvstiden. För längre exponeringstider (t.ex. > 100 ms) kan area-skanning vanligtvis bibehålla en tidsfördel.
Ett exempel på en mycket stor (2 gigapixel) fluorescensmikroskopibild som skapas på bara tio sekunder visas i figur 2. En motsvarande bild som skapas med en areaskanningskamera kan förväntas ta upp till flera minuter.
Figur 2: 2 gigapixelbild skapad på 10 sekunder genom TDI-skanning och sammanfogning
NOTERA: Bild med 10x förstoring tagen med Tucsen Dhyana 9kTDI av överstrykningspennans prickar betraktade med fluorescensmikroskopi. Tagen på 10 sekunder med 3,6 ms exponeringstid. Bildmått: 30 mm x 17 mm, 58 000 x 34 160 pixlar.
Synkronisera TDI
Synkroniseringen av en TDI-kamera med motivet (inom några få procent) är avgörande – hastighetsavvikelse leder till en "rörelseoskärpa"-effekt. Denna synkronisering kan göras på två sätt:
PrediktivKamerahastigheten är inställd för att matcha rörelsehastigheten baserat på kunskap om provets rörelsehastighet, optik (förstoring) och kamerans pixelstorlek. Eller trial and error.
UtlöstMånga mikroskopbord, gantrybord och annan utrustning för att flytta avbildade objekt kan ha kodare som skickar en triggerpuls till kameran under en given rörelsesträcka. Detta gör att bord/gantrybord och kamera kan förbli synkroniserade oavsett rörelsehastighet.
TDI-kameror kontra linjeskannings- och områdesskanningskameror
Så här står sig TDI i jämförelse med andra populära bildtekniker:
| Särdrag | TDI-kamera | Linjeskanningskamera | Områdesskanningskamera |
| Känslighet | Mycket hög | Medium | Låg till medel |
| Bildkvalitet (rörelse) | Excellent | Bra | Suddig vid höga hastigheter |
| Belysningskrav | Låg | Medium | Hög |
| Rörelsekompatibilitet | Utmärkt (om synkroniserat) | Bra | Dålig |
| Bäst för | Hög hastighet, svagt ljus | Snabbrörliga objekt | Statiska eller långsamma scener |
TDI är det självklara valet när scenen rör sig snabbt och ljusnivåerna är begränsade. Linjeskanning är ett steg lägre i känslighet, medan områdesskanning är bättre för enkla eller stationära inställningar.
Att välja rätt TDI-kamera
När du väljer en TDI-kamera, tänk på följande:
● Antal TDI-steg: Fler steg ökar signal-brusförhållandet (SNR), men även kostnaden och komplexiteten.
● Sensortyp: sCMOS föredras för sin hastighet och låga brusnivå; CCD kan fortfarande vara lämplig för vissa äldre system.
● Gränssnitt: Säkerställ kompatibilitet med ditt system – Camera Link, CoaXPress och 10GigE är vanliga alternativ, 100G CoF och 40G CoF har blivit nya trender.
● Spektral respons: Välj mellan monokrom, färg eller nära infrarött (NIR) baserat på tillämpningens behov.
● Synkroniseringsalternativ: Leta efter funktioner som kodaringångar eller stöd för externa triggers för bättre rörelsejustering.
Om din tillämpning omfattar känsliga biologiska prover, höghastighetsinspektion eller miljöer med svagt ljus, är sCMOS TDI troligen rätt lösning.
Slutsats
TDI-kameror representerar en kraftfull utveckling inom bildteknik, särskilt när de är byggda med sCMOS-sensorer. Genom att kombinera rörelsesynkronisering med flerlinjesintegration erbjuder de oöverträffad känslighet och skärpa för dynamiska scener i svagt ljus.
Oavsett om du inspekterar wafers, skannar objektglas eller utför höghastighetsinspektioner, kan förståelse för hur TDI fungerar hjälpa dig att välja den bästa lösningen bland...vetenskapliga kamerorför dina bildutmaningar.
Vanliga frågor
Kan TDI-kameror fungera i områdesskanningsläge?
TDI-kameror kan skapa (väldigt tunna) tvådimensionella bilder i ett "area-scan-liknande" läge, vilket uppnås genom ett trick med sensortiming. Detta kan vara användbart för uppgifter som fokus och justering.
För att starta en "områdesskanningsexponering" "rensas" sensorn först genom att TDI flyttas fram minst så många steg som kameran har, så snabbt som möjligt, och sedan stoppas. Detta uppnås antingen genom programvarukontroll eller hårdvarutlösning, och utförs helst i mörker. Till exempel bör en kamera med 256 steg läsa minst 256 linjer och sedan stoppa. Dessa 256 datalinjer ignoreras.
Medan kameran inte utlöses eller linjer läses av, beter sig sensorn precis som en områdesskanningssensor som exponerar en bild.
Den önskade exponeringstiden bör sedan förflyta med kameran i viloläge, innan kameran återigen matas fram åtminstone med sitt antal steg och läser upp varje rad i den just tagna bilden. Återigen, helst bör denna "läsningsfas" ske i mörker.
Denna teknik kan upprepas för att ge en "live-förhandsvisning" eller en sekvens av områdesskanningsbilder med minimal distorsion och oskärpa från TDI-operationen.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Med ensamrätt. Vänligen ange källan vid citering:www.tucsen.com
