25/08/08ในการถ่ายภาพอุตสาหกรรมและวิทยาศาสตร์ การถ่ายภาพวัตถุที่เคลื่อนไหวเร็วภายใต้สภาพแสงน้อยถือเป็นความท้าทายอย่างต่อเนื่อง ด้วยเหตุนี้ กล้อง Time Delay Integration (TDI) จึงเข้ามามีบทบาท เทคโนโลยี TDI ผสานการซิงโครไนซ์การเคลื่อนไหวและการเปิดรับแสงหลายครั้งเข้าด้วยกัน เพื่อให้ได้ความไวแสงและความคมชัดของภาพที่ยอดเยี่ยม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่มีความเร็วสูง
กล้อง TDI คืออะไร?
กล้อง TDI เป็นกล้องสแกนเส้นชนิดพิเศษที่บันทึกภาพวัตถุที่กำลังเคลื่อนไหว ต่างจากกล้องสแกนพื้นที่ทั่วไปที่เปิดรับแสงทั้งเฟรมในครั้งเดียว กล้อง TDI จะถ่ายโอนประจุจากแถวพิกเซลหนึ่งไปยังอีกแถวหนึ่งตามการเคลื่อนไหวของวัตถุ แต่ละแถวพิกเซลจะสะสมแสงเมื่อวัตถุเคลื่อนที่ ช่วยเพิ่มระยะเวลาการรับแสงและเพิ่มความแรงของสัญญาณโดยไม่ทำให้เกิดภาพเบลอจากการเคลื่อนไหว
การผสานการชาร์จนี้ช่วยเพิ่มอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) อย่างมาก ทำให้กล้อง TDI เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานความเร็วสูงหรือแสงน้อย
กล้อง TDI ทำงานอย่างไร?
การทำงานของกล้อง TDI แสดงไว้ในรูปที่ 1
รูปที่ 1: การทำงานของเซ็นเซอร์ Time Delay Integration (TDI)
บันทึก: กล้อง TDI เคลื่อนที่ประจุไฟฟ้าที่ได้มาข้าม "ขั้นตอน" หลายขั้นตอนไปพร้อมกับวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ แต่ละขั้นตอนให้โอกาสเพิ่มเติมในการได้รับแสง ภาพแสดงผ่านสัญลักษณ์ "T" สว่างที่เคลื่อนที่ผ่านกล้อง พร้อมด้วยส่วน 5 คอลัมน์ x 5 ขั้นตอนของเซ็นเซอร์ TDI ภาพ Tucsen Dhyana 9KTDI ที่มีการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าแบบไฮบริดสไตล์ CCD แต่การอ่านค่าแบบขนานสไตล์ CMOS
กล้อง TDI มีประสิทธิภาพในการสแกนแบบเส้น โดยมีความแตกต่างที่สำคัญประการหนึ่ง นั่นคือ แทนที่จะใช้พิกเซลหนึ่งแถวในการรับข้อมูลขณะที่กล้องสแกนไปทั่ววัตถุที่ถ่ายภาพ กล้อง TDI กลับมีแถวหลายแถว ซึ่งเรียกว่า "สเตจ" โดยทั่วไปสูงสุด 256 แถว
อย่างไรก็ตาม แถวเหล่านี้ไม่ได้สร้างภาพสองมิติเหมือนกล้องสแกนพื้นที่ ในทางกลับกัน เมื่อวัตถุที่สแกนเคลื่อนที่ผ่านเซ็นเซอร์ของกล้อง โฟโตอิเล็กตรอนที่ตรวจจับได้ภายในแต่ละพิกเซลจะสลับไปยังแถวถัดไปพร้อมกับการเคลื่อนที่ของวัตถุที่สแกน โดยที่ยังไม่ได้ถูกอ่านค่า แถวที่เพิ่มขึ้นแต่ละแถวจะเปิดโอกาสให้วัตถุที่สแกนได้รับแสงมากขึ้น เมื่อชิ้นภาพเคลื่อนที่ไปถึงแถวพิกเซลสุดท้ายของเซ็นเซอร์แล้ว แถวนั้นจึงจะถูกส่งไปยังสถาปัตยกรรมการอ่านค่าเพื่อทำการวัด
ดังนั้น แม้จะมีการวัดหลายครั้งทั่วทั้งกล้อง แต่กลับมีสัญญาณรบกวนจากการอ่านค่าของกล้องเกิดขึ้นเพียงครั้งเดียว กล้อง TDI แบบ 256 สเตจ สามารถมองเห็นตัวอย่างได้นานกว่า 256 เท่า จึงมีระยะเวลาเปิดรับแสงนานกว่ากล้องสแกนแบบเส้นตรงที่เทียบเท่ากันถึง 256 เท่า ระยะเวลาเปิดรับแสงที่เทียบเท่ากันเมื่อใช้กล้องสแกนแบบพื้นที่จะทำให้เกิดภาพเบลอจากการเคลื่อนไหวอย่างรุนแรง ทำให้ภาพไม่สามารถใช้งานได้
TDI สามารถใช้ได้เมื่อใด?
กล้อง TDI เป็นโซลูชันที่ยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานด้านการถ่ายภาพทุกประเภทที่วัตถุในการถ่ายภาพมีการเคลื่อนไหวเมื่อเทียบกับกล้อง โดยต้องมีการเคลื่อนไหวที่สม่ำเสมอทั่วทั้งมุมมองของกล้อง
ดังนั้น การประยุกต์ใช้การถ่ายภาพแบบ TDI จึงครอบคลุมทั้งการสแกนเส้นตรง (line scan) ที่สร้างภาพสองมิติ ขณะเดียวกันก็ให้ความเร็วที่สูงขึ้น ความไวแสงต่ำที่ดีขึ้นมาก และคุณภาพของภาพที่ดีขึ้น หรือทั้งสามอย่างพร้อมกัน ในทางกลับกัน มีเทคนิคการถ่ายภาพมากมายที่ใช้กล้องสแกนพื้นที่ (area-scan) ซึ่งสามารถใช้กล้อง TDI ได้
สำหรับ sCMOS TDI ความไวสูง การถ่ายภาพแบบ 'tile and stitch' ในกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ทางชีวภาพสามารถทำได้โดยใช้การสแกนแบบต่อเนื่องของสเตจแทนการปูกระเบื้อง หรือ TDI ทั้งหมดอาจเหมาะสำหรับการใช้งานด้านการตรวจสอบ อีกหนึ่งการประยุกต์ใช้ TDI ที่สำคัญคือการถ่ายภาพโฟลว์ไซโตเมทรี ซึ่งถ่ายภาพฟลูออเรสเซนซ์ของเซลล์ขณะที่เซลล์ผ่านกล้องในขณะที่ไหลผ่านช่องไมโครฟลูอิดิก
ข้อดีและข้อเสียของ sCMOS TDI
ข้อดี
● สามารถจับภาพ 2 มิติที่มีขนาดใดก็ได้ด้วยความเร็วสูงเมื่อสแกนข้ามวัตถุที่ถ่ายภาพ
● ขั้นตอน TDI หลายขั้นตอน เสียงรบกวนต่ำ และ QE สูงสามารถนำไปสู่ความไวที่สูงกว่ากล้องสแกนเส้นอย่างมาก
● สามารถบรรลุความเร็วในการอ่านข้อมูลสูงมาก เช่น สูงสุด 510,000Hz (บรรทัดต่อวินาที) สำหรับภาพกว้าง 9,072 พิกเซล
การส่องสว่างจำเป็นต้องมีมิติเดียวเท่านั้น และไม่จำเป็นต้องมีการปรับแก้แบบ flat-field หรือการแก้ไขอื่นๆ ในมิติที่สอง (ที่สแกน) นอกจากนี้ เวลาในการเปิดรับแสงที่นานกว่าเมื่อเทียบกับการสแกนแบบเส้นตรงสามารถ "ปรับ" การกะพริบที่เกิดจากแหล่งกำเนิดแสง AC ให้เรียบเนียนขึ้นได้
● สามารถรับภาพเคลื่อนไหวได้โดยไม่เบลอ และมีความเร็วและความไวสูง
การสแกนพื้นที่ขนาดใหญ่จะเร็วกว่ากล้องสแกนพื้นที่อย่างมาก
● ด้วยซอฟต์แวร์ขั้นสูงหรือการตั้งค่าการทริกเกอร์ โหมด 'เหมือนการสแกนพื้นที่' สามารถให้ภาพรวมการสแกนพื้นที่สำหรับการโฟกัสและการจัดตำแหน่ง
ข้อเสีย
● ยังคงมีสัญญาณรบกวนที่สูงกว่ากล้อง sCMOS ทั่วไป ซึ่งหมายความว่าการใช้งานในที่แสงน้อยมากนั้นไม่สามารถทำได้
● ต้องใช้การตั้งค่าเฉพาะทางพร้อมการทริกเกอร์ขั้นสูงเพื่อซิงโครไนซ์การเคลื่อนไหวของวัตถุในการถ่ายภาพกับการสแกนของกล้อง การควบคุมความเร็วการเคลื่อนที่อย่างละเอียด หรือการคาดเดาความเร็วที่แม่นยำเพื่อให้สามารถซิงโครไนซ์ได้
● เนื่องจากเป็นเทคโนโลยีใหม่ จึงมีโซลูชันสำหรับการนำฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ไปใช้น้อยมากในปัจจุบัน
sCMOS TDI ที่สามารถใช้งานในสภาพแสงน้อยได้
แม้ว่า TDI ในฐานะเทคนิคการถ่ายภาพจะมีมาก่อนการถ่ายภาพแบบดิจิทัล และประสิทธิภาพการทำงานก็แซงหน้าการสแกนเส้นไปนานแล้ว แต่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา กล้อง TDI ก็มีความไวแสงสูงพอที่จะเข้าถึงการใช้งานในที่แสงน้อย ซึ่งปกติแล้วต้องใช้ความไวแสงระดับวิทยาศาสตร์กล้อง sCMOS.
'sCMOS TDI' ผสานการเคลื่อนที่ของประจุแบบ CCD ทั่วเซ็นเซอร์เข้ากับการอ่านค่าแบบ sCMOS พร้อมเซ็นเซอร์แบบรับแสงด้านหลังให้เลือกใช้ กล้อง TDI รุ่นก่อนหน้าที่ใช้ CCD หรือ CMOS ล้วน* มีการอ่านค่าที่ช้ากว่ามาก จำนวนพิกเซลน้อยกว่า สเตจน้อยกว่า และมีสัญญาณรบกวนในการอ่านระหว่าง 30e ถึง >100e- ในทางตรงกันข้าม กล้อง sCMOS TDI เช่น Tucsenกล้อง Dhyana 9KTDI sCMOSนำเสนอสัญญาณรบกวนในการอ่านที่ 7.2e- ร่วมกับประสิทธิภาพควอนตัมที่สูงขึ้นผ่านการส่องสว่างจากด้านหลัง ช่วยให้สามารถใช้ TDI ในแอปพลิเคชันที่มีระดับแสงต่ำกว่าได้อย่างมีนัยสำคัญมากกว่าที่เป็นไปได้ก่อนหน้านี้
ในแอปพลิเคชันจำนวนมาก เวลาเปิดรับแสงที่ยาวนานขึ้นซึ่งเปิดใช้งานโดยกระบวนการ TDI สามารถชดเชยการเพิ่มขึ้นของสัญญาณรบกวนในการอ่านได้มากกว่าเมื่อเทียบกับกล้องสแกนพื้นที่ sCMOS คุณภาพสูงที่มีสัญญาณรบกวนในการอ่านใกล้เคียงกับ 1e-
การใช้งานทั่วไปของกล้อง TDI
กล้อง TDI พบได้ในหลายอุตสาหกรรมที่ความแม่นยำและความเร็วมีความสำคัญเท่าเทียมกัน:
● การตรวจสอบเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์
● การทดสอบจอแสดงผลแบบจอแบน (FPD)
● การตรวจสอบเว็บ (กระดาษ ฟิล์ม ฟอยล์ สิ่งทอ)
● การสแกนเอกซเรย์ในการวินิจฉัยทางการแพทย์หรือการคัดกรองสัมภาระ
● การสแกนสไลด์และเพลทหลายหลุมในพยาธิวิทยาดิจิทัล
● การถ่ายภาพแบบไฮเปอร์สเปกตรัมในการสำรวจระยะไกลหรือการเกษตร
● การตรวจสอบ PCB และอิเล็กทรอนิกส์ในสาย SMT
แอปพลิเคชันเหล่านี้ได้รับประโยชน์จากความคมชัด ความเร็ว และความชัดเจนที่ได้รับการปรับปรุงซึ่งการถ่ายภาพ TDI มอบให้ภายใต้ข้อจำกัดในโลกแห่งความเป็นจริง
ตัวอย่าง: การสแกนสไลด์และเพลทหลายหลุม
ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว แอปพลิเคชันหนึ่งที่มีแนวโน้มสำคัญสำหรับกล้อง sCMOS TDI คือแอปพลิเคชันการต่อภาพ ซึ่งรวมถึงการสแกนแบบสไลด์หรือแบบเพลทหลายหลุม การสแกนตัวอย่างกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์หรือไบรท์ฟิลด์ขนาดใหญ่ด้วยกล้องพื้นที่สองมิติอาศัยการต่อภาพเป็นตารางที่เกิดจากการเคลื่อนที่หลายครั้งของแท่นกล้องจุลทรรศน์ XY แต่ละภาพจำเป็นต้องให้แท่นหยุด พักตัว แล้วเริ่มใหม่ พร้อมกับความล่าช้าของชัตเตอร์แบบโรลลิ่ง ในทางกลับกัน TDI สามารถบันทึกภาพได้ในขณะที่แท่นกำลังเคลื่อนที่ จากนั้นภาพจะถูกสร้างขึ้นจาก "แถบ" ยาวจำนวนเล็กน้อย ซึ่งแต่ละแถบครอบคลุมความกว้างทั้งหมดของตัวอย่าง ซึ่งอาจนำไปสู่ความเร็วในการรับข้อมูลและปริมาณข้อมูลที่สูงขึ้นอย่างมากในการใช้งานการต่อภาพทุกประเภท ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการถ่ายภาพ
ความเร็วที่แท่นเคลื่อนที่ได้แปรผกผันกับเวลาเปิดรับแสงทั้งหมดของกล้อง TDI ดังนั้นเวลาเปิดรับแสงที่สั้น (1-20 มิลลิวินาที) จะให้ความเร็วในการถ่ายภาพที่ดีขึ้นมากที่สุดเมื่อเทียบกับกล้องสแกนพื้นที่ ซึ่งสามารถลดเวลารับแสงทั้งหมดลงได้หลายเท่าหรือมากกว่า สำหรับเวลาเปิดรับแสงที่นานกว่า (เช่น > 100 มิลลิวินาที) การสแกนพื้นที่มักจะสามารถรักษาความได้เปรียบด้านเวลาไว้ได้
ตัวอย่างภาพกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ขนาดใหญ่ (2 กิกะพิกเซล) ที่สร้างขึ้นในเวลาเพียง 10 วินาทีแสดงอยู่ในรูปที่ 2 ภาพเทียบเท่าที่สร้างขึ้นด้วยกล้องสแกนพื้นที่คาดว่าจะใช้เวลานานถึงหลายนาที
รูปที่ 2: ภาพ 2 กิกะพิกเซลที่สร้างขึ้นใน 10 วินาทีผ่านการสแกนและการเย็บ TDI
บันทึก: ภาพขยาย 10 เท่าที่ได้จากการใช้กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์ Tucsen Dhyana 9kTDI ของจุดปากกาเน้นข้อความ ถ่ายในเวลา 10 วินาที ใช้เวลาเปิดรับแสง 3.6 มิลลิวินาที ขนาดภาพ: 30 มม. x 17 มม., 58,000 x 34,160 พิกเซล
การซิงโครไนซ์ TDI
การซิงโครไนซ์กล้อง TDI กับวัตถุที่ถ่ายภาพ (ให้อยู่ในระยะไม่กี่เปอร์เซ็นต์) เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง เพราะความเร็วที่ไม่ตรงกันจะทำให้เกิดเอฟเฟกต์ "ภาพเบลอจากการเคลื่อนไหว" การซิงโครไนซ์นี้สามารถทำได้สองวิธี:
การทำนาย: ความเร็วกล้องถูกตั้งค่าให้ตรงกับความเร็วในการเคลื่อนที่ โดยอิงจากความรู้เกี่ยวกับความเร็วในการเคลื่อนที่ของตัวอย่าง เลนส์ (กำลังขยาย) และขนาดพิกเซลของกล้อง หรือการลองผิดลองถูก
ถูกกระตุ้น:แท่นกล้องจุลทรรศน์ แท่นเคลื่อนที่ และอุปกรณ์อื่นๆ ที่ใช้ในการเคลื่อนย้ายวัตถุถ่ายภาพจำนวนมาก อาจมีตัวเข้ารหัสที่ส่งพัลส์ทริกเกอร์ไปยังกล้องตามระยะการเคลื่อนที่ที่กำหนด ซึ่งช่วยให้แท่น/แท่นเคลื่อนที่และกล้องยังคงซิงค์กันโดยไม่คำนึงถึงความเร็วในการเคลื่อนที่
กล้อง TDI เทียบกับกล้องสแกนเส้นและกล้องสแกนพื้นที่
นี่คือการเปรียบเทียบ TDI กับเทคโนโลยีถ่ายภาพยอดนิยมอื่นๆ:
| คุณสมบัติ | กล้อง TDI | กล้องสแกนเส้น | กล้องสแกนพื้นที่ |
| ความไว | สูงมาก | ปานกลาง | ต่ำถึงปานกลาง |
| คุณภาพของภาพ (การเคลื่อนไหว) | ยอดเยี่ยม | ดี | เบลอที่ความเร็วสูง |
| ข้อกำหนดด้านแสงสว่าง | ต่ำ | ปานกลาง | สูง |
| ความเข้ากันได้ของการเคลื่อนไหว | ดีเยี่ยม (ถ้าซิงโครไนซ์กัน) | ดี | ยากจน |
| ดีที่สุดสำหรับ | ความเร็วสูง แสงน้อย | วัตถุที่เคลื่อนที่เร็ว | ฉากคงที่หรือช้า |
TDI เป็นตัวเลือกที่ชัดเจนเมื่อฉากเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วและระดับแสงมีจำกัด การสแกนแบบเส้นมีความไวลดลงเล็กน้อย ในขณะที่การสแกนแบบพื้นที่จะดีกว่าสำหรับการตั้งค่าแบบง่ายหรือแบบคงที่
การเลือกกล้อง TDI ที่เหมาะสม
เมื่อเลือกกล้อง TDI ควรพิจารณาสิ่งต่อไปนี้:
● จำนวนขั้นตอน TDI: ยิ่งขั้นตอนมากขึ้น SNR ก็จะเพิ่มขึ้น แต่ค่าใช้จ่ายและความซับซ้อนก็เพิ่มขึ้นตามไปด้วย
● ประเภทเซนเซอร์: sCMOS เป็นที่นิยมเนื่องจากความเร็วและสัญญาณรบกวนต่ำ CCD อาจยังเหมาะสำหรับระบบเดิมบางระบบ
● อินเทอร์เฟซ: รับรองความเข้ากันได้กับระบบของคุณ—Camera Link, CoaXPress และ 10GigE เป็นตัวเลือกทั่วไป ส่วน 100G CoF และ 40G CoF ได้กลายมาเป็นเทรนด์ใหม่
● การตอบสนองสเปกตรัม: เลือกได้ระหว่างขาวดำ สี หรืออินฟราเรดใกล้ (NIR) ขึ้นอยู่กับความต้องการของแอปพลิเคชัน
● ตัวเลือกการซิงโครไนซ์: มองหาคุณสมบัติเช่นอินพุตตัวเข้ารหัสหรือการรองรับทริกเกอร์ภายนอกเพื่อการจัดตำแหน่งการเคลื่อนไหวที่ดีขึ้น
หากแอปพลิเคชันของคุณเกี่ยวข้องกับตัวอย่างทางชีวภาพที่ละเอียดอ่อน การตรวจสอบความเร็วสูง หรือสภาพแวดล้อมที่มีแสงน้อย sCMOS TDI น่าจะเหมาะสมที่สุด
บทสรุป
กล้อง TDI ถือเป็นวิวัฒนาการอันทรงพลังของเทคโนโลยีการถ่ายภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อสร้างขึ้นบนเซ็นเซอร์ sCMOS ด้วยการผสมผสานการซิงโครไนซ์การเคลื่อนไหวเข้ากับการผสานรวมแบบหลายเส้น จึงมอบความไวแสงและความคมชัดที่เหนือชั้นสำหรับฉากที่มีไดนามิกและแสงน้อย
ไม่ว่าคุณจะตรวจสอบเวเฟอร์ สแกนสไลด์ หรือดำเนินการตรวจสอบความเร็วสูง การเข้าใจวิธีการทำงานของ TDI จะช่วยให้คุณเลือกโซลูชันที่ดีที่สุดได้กล้องวิทยาศาสตร์สำหรับความท้าทายด้านการถ่ายภาพของคุณ
คำถามที่พบบ่อย
กล้อง TDI สามารถทำงานในโหมดสแกนพื้นที่ได้หรือไม่
กล้อง TDI สามารถสร้างภาพสองมิติ (ที่บางมาก) ในโหมด 'เหมือนการสแกนพื้นที่' ซึ่งทำได้โดยใช้เทคนิคของการจับจังหวะเซ็นเซอร์ ซึ่งอาจเป็นประโยชน์สำหรับงานต่างๆ เช่น การโฟกัสและการจัดแนว
ในการเริ่มต้น 'การเปิดรับแสงแบบสแกนพื้นที่' เซ็นเซอร์จะถูก 'เคลียร์' โดยการเลื่อน TDI ไปข้างหน้าอย่างน้อยเท่ากับจำนวนขั้นของกล้อง ให้เร็วที่สุดเท่าที่จะทำได้ แล้วจึงหยุด วิธีนี้สามารถทำได้โดยการควบคุมด้วยซอฟต์แวร์หรือการสั่งงานด้วยฮาร์ดแวร์ และควรดำเนินการในที่มืด ตัวอย่างเช่น กล้อง 256 ขั้นควรอ่านอย่างน้อย 256 บรรทัด แล้วจึงหยุด ข้อมูล 256 บรรทัดนี้จะถูกลบทิ้ง
ในขณะที่กล้องไม่ได้ถูกกระตุ้นหรืออ่านเส้น เซ็นเซอร์จะทำงานเหมือนกับเซ็นเซอร์สแกนพื้นที่ที่เปิดรับแสงภาพ
จากนั้นควรเลื่อนเวลาเปิดรับแสงที่ต้องการไปในขณะที่กล้องไม่ได้ใช้งาน ก่อนที่จะเลื่อนกล้องไปอย่างน้อยจำนวนขั้น เพื่ออ่านค่าแต่ละบรรทัดของภาพที่เพิ่งถ่ายได้ อีกครั้งหนึ่ง ขั้นตอนการ "อ่านค่า" นี้ควรเกิดขึ้นในที่มืด
สามารถทำซ้ำเทคนิคนี้ได้เพื่อให้ได้ "ภาพตัวอย่างสด" หรือลำดับภาพสแกนพื้นที่ที่มีการบิดเบือนและเบลอน้อยที่สุดจากการทำงานของ TDI
บริษัท ทูเซน โฟโตนิกส์ จำกัด สงวนลิขสิทธิ์ เมื่ออ้างอิง โปรดระบุแหล่งที่มา:www.tucsen.com
