22/07/13Ang Time Delay Integration (TDI) ay isang imaging technique na nauna sa petsa ng digital imaging – ngunit nagbibigay pa rin ito ng napakalaking bentahe sa cutting edge ng imaging ngayon. Mayroong dalawang sitwasyon kung saan maaaring lumiwanag ang mga TDI camera - pareho kapag ang paksa ng imaging ay gumagalaw:
1 – Ang paksa ng imaging ay likas na gumagalaw nang may pare-parehong bilis, tulad ng sa web inspeksyon (tulad ng pag-scan ng mga gumagalaw na sheet ng papel, plastik o tela para sa mga depekto at pinsala), mga linya ng pagpupulong, o micro fluidics at daloy ng likido.
2 – Mga static na imaging subject na maaaring i-image ng isang camera na inilipat mula sa lugar patungo sa lugar, sa pamamagitan ng alinman sa paglipat ng subject o camera. Kasama sa mga halimbawa ang microscope slide scan, inspeksyon ng mga materyales, inspeksyon ng flat panel atbp.
Kung maaaring malapat ang alinman sa mga pangyayaring ito sa iyong imaging, tutulungan ka ng webpage na ito na isaalang-alang kung ang paglipat mula sa kumbensyonal na 2-dimensional na 'area scan' na mga camera patungo sa mga Line Scan TDI camera ay maaaring magbigay ng lakas sa iyong imaging.
Ang problema sa Area-Scan at Moving Target
● Motion Blur
Ang ilang mga paksa ng imaging ay gumagalaw sa pamamagitan ng pangangailangan, halimbawa sa daloy ng likido o web inspeksyon. Sa iba pang mga application, tulad ng pag-scan ng slide at pag-inspeksyon ng mga materyales, ang pagpapanatiling gumagalaw ang paksa ay maaaring maging mas mabilis at mas mahusay kaysa sa paghinto ng paggalaw para sa bawat nakuhang larawan. Gayunpaman, para sa mga area-scan na camera, kung ang imaging subject ay gumagalaw na may kaugnayan sa camera, maaari itong magdulot ng hamon.
Motion blur na nakakasira ng imahe ng gumagalaw na sasakyan
Sa mga sitwasyong may limitadong pag-iilaw o kung saan kinakailangan ang matataas na katangian ng larawan, maaaring gusto ang mahabang oras ng pagkakalantad sa camera. Gayunpaman, ang paggalaw ng paksa ay magpapakalat ng liwanag nito sa maraming pixel ng camera sa panahon ng pagkakalantad, na humahantong sa 'motion blur'. Maaari itong mabawasan sa pamamagitan ng pagpapanatiling napakaikli ng mga exposure –sa ilalim ng oras na aabutin para sa isang punto sa paksa na tumawid sa isang pixel ng camera. Ito angunkadalasan sa kapinsalaan ng madilim, maingay, kadalasang hindi nagagamit na mga larawan.
●Pagtahi
Bukod pa rito, ang karaniwang pag-imaging ng malaki o tuluy-tuloy na mga paksa ng imaging na may mga area scan camera ay nangangailangan ng pagkuha ng maraming larawan, na pagkatapos ay pinagsasama-sama. Ang stitching na ito ay nangangailangan ng magkakapatong na mga pixel sa pagitan ng mga kalapit na larawan, na nagpapababa ng kahusayan at nagdaragdag ng mga kinakailangan sa pag-iimbak at pagproseso ng data.
●Hindi pantay na pag-iilaw
Higit pa rito, ang pag-iilaw ay bihirang maging sapat upang maiwasan ang mga isyu at artifact sa mga hangganan sa pagitan ng mga stitched na imahe. Gayundin, upang magbigay ng pag-iilaw sa isang sapat na malaking lugar para sa area-scan na camera na may sapat na intensity ay madalas na nangangailangan ng paggamit ng mataas na kapangyarihan, mataas ang gastos na DC light source.
Hindi pantay na pag-iilaw sa pagtahi ng multi-image acquisition ng utak ng mouse. Larawan mula sa Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Ano ang TDI camera, at paano ito nakakatulong?
Sa kumbensyonal na 2-dimensional na area-scan na mga camera, mayroong tatlong yugto ng pagkuha ng larawan: pag-reset ng pixel, pagkakalantad, at pagbabasa. Sa panahon ng pagkakalantad, ang mga photon mula sa eksena ay nakita, na nagreresulta sa mga photoelectron, na nakaimbak sa mga pixel ng camera hanggang sa katapusan ng pagkakalantad. Ang mga halaga mula sa bawat pixel ay binabasa, at nabuo ang isang 2D na imahe. Ang mga pixel ay nire-reset at ang lahat ng mga singil ay na-clear upang simulan ang susunod na pagkakalantad.
Gayunpaman, gaya ng nabanggit, kung ang imaging subject ay gumagalaw nang may kaugnayan sa camera, ang liwanag mula sa subject ay maaaring kumalat sa maraming pixel sa panahon ng exposure na ito, na humahantong sa motion blur. Nalampasan ng mga TDI camera ang limitasyong ito gamit ang isang makabagong pamamaraan. Ito ay ipinakita sa [Animation 1].
●Paano Gumagana ang Mga TDI Camera
Gumagana ang mga TDI camera sa isang pangunahing naiibang paraan sa mga area scan camera. Habang gumagalaw ang paksa ng imaging sa buong camera sa panahon ng pagkakalantad, ang mga elektronikong singil na bumubuo sa nakuhang larawan ay inililipat din, na nananatiling naka-sync. Sa panahon ng pagkakalantad, nagagawa ng mga TDI camera na i-shuffle ang lahat ng nakuhang singil mula sa isang hilera ng mga pixel patungo sa susunod, kasama ang camera, na naka-synchronize sa paggalaw ng paksa ng imaging. Habang gumagalaw ang paksa sa buong camera, ang bawat row (kilala bilang 'TDI Stage'), ay nagbibigay ng bagong pagkakataon na ilantad ang camera sa paksa, at makaipon ng signal.
Kapag ang isang hilera ng mga nakuhang singil ay umabot na sa dulo ng camera, saka lang babasahin at iimbak ang mga halaga bilang isang 1-dimensional na hiwa ng larawan. Ang 2-D na imahe ay nabuo sa pamamagitan ng pagdikit-dikit sa bawat sunud-sunod na hiwa ng larawan habang binabasa ito ng camera. Ang bawat hilera ng mga pixel sa nagreresultang imahe ay sumusubaybay sa parehong 'hiwa' ng paksa ng imaging, ibig sabihin, sa kabila ng paggalaw, walang blur.
●256x Mas Mahabang Exposure
Sa mga TDI camera, ang epektibong oras ng pagkakalantad ng larawan ay ibinibigay sa buong oras na aabutin para sa isang punto sa paksa na tumawid sa bawat hilera ng mga pixel, na may hanggang 256 na yugto na magagamit sa ilang TDI camera. Nangangahulugan ito na ang magagamit na oras ng pagkakalantad ay epektibong 256 beses na mas malaki kaysa sa maaaring makuha ng isang area-scan na camera.
Maaari itong maghatid ng alinman sa dalawang pagpapabuti, o balanse ng pareho. Una, ang isang makabuluhang pagtaas sa bilis ng imaging ay maaaring makamit. Kung ikukumpara sa isang area scan camera, ang imaging subject ay maaaring gumagalaw nang hanggang 256x na mas mabilis habang kumukuha pa rin ng parehong dami ng signal, na nagbibigay ng line rate ng camera ay sapat na mabilis para makasabay.
Sa kabilang banda, kung kinakailangan ang mas mataas na sensitivity, ang mas mahabang oras ng pagkakalantad ay maaaring paganahin ang mas mataas na kalidad ng mga imahe, mas mababang intensity ng pag-iilaw, o pareho.
●Malaking data throughput nang walang stitching
Dahil ang TDI camera ay gumagawa ng 2-dimensional na imahe mula sa sunud-sunod na 1-dimensional na mga hiwa, ang resultang imahe ay maaaring kasing laki ng kinakailangan. Habang ang bilang ng mga pixel sa direksyong 'pahalang' ay ibinibigay ng lapad ng camera, halimbawa 9072 pixels, ang 'vertical' na laki ng imahe ay walang limitasyon, at tinutukoy lamang kung gaano katagal pinapatakbo ang camera. Sa mga line rate na hanggang 510kHz, makakapaghatid ito ng napakalaking data throughput.
Kasama nito, ang mga TDI camera ay maaaring mag-alok ng napakalawak na larangan ng pagtingin. Halimbawa, ang isang 9072 pixel camera na may 5µm pixels ay nagbibigay ng pahalang na field ng view na 45mm na may mataas na resolution. Upang makamit ang parehong lapad ng imaging na may 5µm pixel area scan camera ay mangangailangan ng hanggang tatlong 4K camera na magkatabi.
●Mga pagpapabuti sa mga line scan camera
Ang mga TDI camera ay hindi lamang nag-aalok ng mga pagpapabuti sa mga area scan camera. Ang mga line scan camera, na kumukuha lamang ng isang linya ng mga pixel, ay dumaranas din ng marami sa parehong mga isyu sa intensity ng pag-iilaw at mga maiikling exposure gaya ng mga area scan camera.
Bagama't tulad ng mga TDI camera, nag-aalok ang mga line scan camera ng higit na pantay na pag-iilaw na may mas simpleng pag-setup, at iniiwasan ang pangangailangan para sa pagtahi ng larawan, kadalasang nangangailangan sila ng napakatindi na pag-iilaw at/o mabagal na paggalaw ng paksa upang makakuha ng sapat na signal para sa isang de-kalidad na larawan. Ang mas mahahabang exposure at mas mabilis na subject speed na pinapagana ng mga TDI camera ay nangangahulugan ng mas mababang intensity, magagamit ang mas mababang gastos sa pag-iilaw habang pinapahusay ang kahusayan sa imaging. Halimbawa, ang isang linya ng produksyon ay maaaring lumipat mula sa mataas na gastos, mataas na paggamit ng kuryente na mga halogen na ilaw na nangangailangan ng DC power, patungo sa LED na ilaw.
Paano gumagana ang mga TDI camera?
Mayroong tatlong karaniwang pamantayan para sa kung paano makamit ang TDI imaging sa isang sensor ng camera.
● CCD TDI– Ang mga CCD camera ay ang pinakalumang istilo ng mga digital camera. Dahil sa kanilang elektronikong disenyo, ang pagkamit ng TDI na gawi sa isang CCD ay medyo napakasimple, na may maraming sensor ng camera na likas na kayang gumana sa ganitong paraan. Ang mga TDI CCD samakatuwid ay ginagamit nang mga dekada.
Gayunpaman, ang teknolohiya ng CCD ay may mga limitasyon. Ang pinakamaliit na laki ng pixel na karaniwang available para sa mga CCD TDI camera ay humigit-kumulang 12µm x 12µm – ito, kasama ng maliliit na bilang ng pixel, ay naglilimita sa mga kakayahan ng mga camera na lutasin ang mga magagandang detalye. Higit pa rito, ang bilis ng pagkuha ay mas mababa kaysa sa iba pang mga teknolohiya, habang ang ingay sa pagbasa– isang pangunahing salik na naglilimita sa low light imaging – ay mataas. Ang pagkonsumo ng kuryente ay mataas din, na isang pangunahing kadahilanan sa ilang mga aplikasyon. Ito ay humantong sa pagnanais na lumikha ng mga TDI camera batay sa arkitektura ng CMOS.
●Maagang CMOS TDI: Voltage-domain at digital summing
Nadaig ng mga CMOS camera ang marami sa mga limitasyon sa ingay at bilis ng mga CCD camera, habang gumagamit ng mas kaunting kapangyarihan, at nag-aalok ng mas maliliit na laki ng pixel. Gayunpaman, ang pag-uugali ng TDI ay mas mahirap makuha sa mga CMOS camera, dahil sa kanilang disenyo ng pixel. Habang ang mga CCD ay pisikal na nagpapalipat-lipat ng mga photoelectron mula sa pixel patungo sa pixel upang pamahalaan ang sensor, ang mga CMOS camera ay nagko-convert ng mga signal sa mga photoelectron sa mga boltahe sa bawat pixel bago basahin.
Ang pag-uugali ng TDI sa isang sensor ng CMOS ay ginalugad mula noong 2001, gayunpaman, ang hamon para sa kung paano pangasiwaan ang 'akumulasyon' ng signal habang lumilipat ang pagkakalantad mula sa isang hilera patungo sa susunod ay makabuluhan. Dalawang maagang pamamaraan para sa CMOS TDI na ginagamit pa rin sa mga komersyal na camera ngayon ay ang akumulasyon ng boltahe-domain at digital summing ng TDI CMOS. Sa mga camera ng akumulasyon ng boltahe-domain, habang ang bawat hilera ng signal ay nakukuha habang lumilipas ang paksa ng imaging, ang nakuhang boltahe ay idinaragdag nang elektroniko sa kabuuang pagkuha para sa bahaging iyon ng larawan. Ang pag-iipon ng mga boltahe sa ganitong paraan ay nagpapakilala ng karagdagang ingay para sa bawat karagdagang yugto ng TDI na idinagdag, na naglilimita sa mga benepisyo ng mga karagdagang yugto. Hinahamon din ng mga isyung may linearity ang paggamit ng mga camera na ito para sa mga tumpak na aplikasyon.
Ang pangalawang paraan ay digital summing TDI. Sa paraang ito, ang isang CMOS camera ay epektibong tumatakbo sa area scan mode na may napakaikling exposure na tumugma sa oras na kinuha para sa imaging subject upang lumipat sa isang solong hilera ng mga pixel. Ngunit, ang mga hilera mula sa bawat sunud-sunod na frame ay idinaragdag nang sama-sama nang digital sa paraang naghahatid ng TDI effect. Dahil dapat basahin ang buong camera para sa bawat hilera ng mga pixel sa nagreresultang larawan, ang digital na pagdaragdag na ito ay nagdaragdag din ng read noise para sa bawat row, at nililimitahan ang bilis ng pagkuha.
●Ang modernong pamantayan: charge-domain TDI CMOS, o CCD-on-CMOS TDI
Ang mga limitasyon ng CMOS TDI sa itaas ay nalampasan kamakailan sa pamamagitan ng pagpapakilala ng charge-domain accumulation na TDI CMOS, na kilala rin bilang CCD-on-CMOS TDI. Ang pagpapatakbo ng mga sensor na ito ay ipinapakita sa [Animation 1]. Gaya ng ipinahihiwatig ng pangalan, ang mga sensor na ito ay nag-aalok ng parang CCD na paggalaw ng mga singil mula sa isang pixel patungo sa susunod, na nag-iipon ng signal sa bawat yugto ng TDI sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga photoelectron sa antas ng mga indibidwal na singil. Ito ay epektibong walang ingay. Gayunpaman, ang mga limitasyon ng CCD TDI ay napagtagumpayan sa pamamagitan ng paggamit ng CMOS readout architecture, na nagbibigay-daan sa mataas na bilis, mababang ingay at mababang paggamit ng kuryente na karaniwan sa mga CMOS camera.
Mga Detalye ng TDI: ano ang mahalaga?
●Teknolohiya:Ang pinakamahalagang kadahilanan ay kung anong teknolohiya ng sensor ang ginagamit tulad ng tinalakay sa itaas. Ang charge-domain na CMOS TDI ay maghahatid ng pinakamahusay na performance.
●Mga Yugto ng TDI:Ito ang bilang ng mga hilera ng sensor kung saan maaaring maipon ang signal. Kung mas maraming yugto ng TDI ang isang camera, mas mahaba ang mabisang oras ng pagkakalantad nito. O kaya, mas mabilis ang paggalaw ng paksa ng imaging, kung may sapat na line rate ang camera.
●Rate ng Linya:Ilang row ang kayang basahin ng camera bawat segundo. Tinutukoy nito ang maximum na bilis ng paggalaw na maaaring makasabay ng camera.
●Quantum Efficiency: Ipinahihiwatig nito ang pagiging sensitibo ng camera sa liwanag sa iba't ibang wavelength, na ibinibigay ng posibilidad na matukoy ang isang photon ng insidente at makagawa ng photoelectron. Ang mas mataas na quantum efficiency ay maaaring mag-alok ng mas mababang lakas ng pag-iilaw, o mas mabilis na operasyon habang pinapanatili ang parehong mga antas ng signal.
Bukod pa rito, naiiba ang mga camera sa hanay ng wavelength kung saan makakamit ang magandang sensitivity, na may ilang camera na nag-aalok ng sensitivity hanggang sa ultra-violet (UV) na dulo ng spectrum, sa humigit-kumulang 200nm wavelength.
●Basahin ang Ingay:Ang ingay sa pagbasa ay ang iba pang makabuluhang salik sa pagiging sensitibo ng isang camera, na tinutukoy ang pinakamababang signal na maaaring makita sa itaas ng sahig ng ingay ng camera. Sa mataas na ingay sa pagbasa, hindi matukoy ang mga madilim na feature at lubhang nababawasan ang dynamic na hanay, ibig sabihin ay dapat gumamit ng mas maliwanag na pag-iilaw o mas mahabang oras ng pagkakalantad at mas mabagal na bilis ng paggalaw.
Mga Detalye ng TDI: ano ang mahalaga?
Sa kasalukuyan, ang mga TDI camera ay ginagamit para sa web inspection, electronics at manufacturing inspection, at iba pang machine-vision application. Kasabay nito ay ang mga mapaghamong low-light na application tulad ng fluorescence imaging at slide scanning.
Gayunpaman, sa pagpapakilala ng mga high-speed, low noise, high sensitivity na TDI CMOS camera, may malaking potensyal para sa pagtaas ng bilis at kahusayan sa mga bagong application na dati ay gumagamit lamang ng mga area-scan na camera. Tulad ng ipinakilala namin sa simula ng artikulo, ang mga TDI camera ay maaaring ang pinakamahusay na pagpipilian para sa pagkamit ng mataas na bilis at mataas na kalidad ng imahe para sa alinman sa mga paksa ng imaging na patuloy na gumagalaw, o kung saan maaaring ma-scan ang camera sa mga static na paksa ng imaging.
Halimbawa, sa isang microscopy application, maaari naming ihambing ang teoretikal na bilis ng pagkuha ng isang 9K pixel, 256 stage TDI camera na may 5 µm pixels sa isang 12MP camera area scan camera na may 5 µm pixels. Suriin natin ang pagkuha ng 10 x 10 mm na lugar na may 20x magnification sa pamamagitan ng paglipat ng entablado.
1. Ang paggamit ng 20x na layunin gamit ang area scan camera ay maghahatid ng 1.02 x 0.77 mm na field of view ng imaging.
2. Gamit ang TDI camera, ang 10x na layunin na may 2x na karagdagang pag-magnification ay maaaring gamitin upang mapagtagumpayan ang anumang limitasyon sa larangan ng view ng mikroskopyo, upang makapaghatid ng 2.3mm horizontal imaging field of view.
3. Sa pag-aakalang 2% na pixel ang magkakapatong sa pagitan ng mga larawan para sa mga layunin ng pagtahi, 0.5 segundo upang ilipat ang entablado sa isang nakatakdang lokasyon, at isang 10ms na oras ng pagkakalantad, maaari nating kalkulahin ang oras na aabutin ng area scan camera. Katulad nito, maaari nating kalkulahin ang oras na aabutin ng TDI camera kung ang entablado ay pinananatiling tuluy-tuloy upang mag-scan sa direksyon ng Y, na may parehong oras ng pagkakalantad sa bawat linya.
4. Sa kasong ito, ang area scan camera ay mangangailangan ng 140 mga imahe upang makuha, na may 63 segundo na ginugol sa paglipat ng entablado. Ang TDI camera ay makakakuha lamang ng 5 mahabang larawan, na may 2 segundo lamang na ginugol sa paglipat ng entablado sa susunod na column.
5. Ang kabuuang oras na ginugol sa pagkuha ng 10 x 10 mm na lugar ay magiging64.4 segundo para sa area scan camera,at basta9.9 segundo para sa TDI camera.
Kung gusto mong makita kung ang isang TDI camera ay maaaring tumugma sa iyong aplikasyon at matugunan ang iyong mga pangangailangan, makipag-ugnayan sa amin ngayon.
