25/08/08Sa pang-industriya at siyentipikong imaging, ang pagkuha ng mabilis na gumagalaw na mga bagay sa ilalim ng mababang liwanag na mga kondisyon ay nagpapakita ng isang palaging hamon. Doon pumapasok ang mga Time Delay Integration (TDI).
Ano ang TDI Camera?
Ang TDI camera ay isang espesyal na line scan camera na kumukuha ng mga larawan ng mga gumagalaw na bagay. Hindi tulad ng mga karaniwang area scan camera na naglalantad ng isang buong frame nang sabay-sabay, inililipat ng mga TDI camera ang singil mula sa isang hilera ng mga pixel patungo sa susunod kasabay ng pag-synchronize sa paggalaw ng bagay. Ang bawat pixel row ay nag-iipon ng liwanag habang gumagalaw ang paksa, na epektibong pinapataas ang oras ng pagkakalantad at pinapahusay ang lakas ng signal nang hindi nagpapakilala ng motion blur.
Ang pagsasama ng singil na ito ay kapansin-pansing nagpapalakas ng signal-to-noise ratio (SNR), na ginagawang perpekto ang mga TDI camera para sa mga high-speed o low-light na application.
Paano Gumagana ang TDI Camera?
Ang pagpapatakbo ng isang TDI camera ay inilalarawan sa Figure 1.
Figure 1: Operasyon ng Time Delay Integration (TDI) sensors
TANDAAN: Ang mga TDI camera ay naglilipat ng mga nakuhang singil sa maraming 'yugto' sa pag-synchronize sa isang gumagalaw na paksa ng imaging. Ang bawat yugto ay nagbibigay ng karagdagang pagkakataon na malantad sa liwanag. Inilalarawan sa pamamagitan ng maliwanag na 'T' na gumagalaw sa isang camera, na may 5-column by 5-stage na segment ng TDI sensor. Tucsen Dhyana 9KTDI na may hybrid na CCD-style charge movement ngunit CMOS-style parallel readout.
Ang mga TDI camera ay epektibong mga line scan camera, na may isang mahalagang pagkakaiba: sa halip na isang row ng pixel ang kumukuha ng data habang ang mga camera ay ini-scan sa isang imaging subject, ang mga TDI camera ay may maraming row, na kilala bilang 'stages', hanggang sa karaniwang 256.
Gayunpaman, ang mga row na ito ay hindi bumubuo ng isang 2-dimensional na imahe tulad ng isang area-scan na camera. Sa halip, habang ang isang na-scan na paksa ng imaging ay gumagalaw sa sensor ng camera, ang mga natukoy na photoelectron sa loob ng bawat pixel shuffle kasama ang susunod na row na naka-sync sa paggalaw ng paksa ng imaging, nang hindi pa binabasa. Ang bawat karagdagang row ay nagbibigay ng karagdagang pagkakataon upang ilantad ang paksa ng imaging sa liwanag. Kapag naabot lang ng isang slice ng imahe ang huling hilera ng mga pixel ng sensor ay ang row na iyon at pagkatapos ay ipapasa sa readout architecture para sa pagsukat.
Samakatuwid, sa kabila ng maraming mga pagsukat na nagaganap sa mga yugto ng camera, isang pagkakataon lamang ng ingay sa pagbabasa ng camera ang ipinakilala. Ang isang 256-stage na TDI camera ay nagpapanatili ng sample sa view ng 256 beses na mas mahaba, at samakatuwid ay may 256 na beses na mas mahabang oras ng exposure kaysa sa katumbas na line scan camera. Ang katumbas na oras ng pagkakalantad sa isang area scan camera ay magbubunga ng matinding motion blur, na magiging walang silbi ang imahe.
Kailan Magagamit ang TDI?
Ang mga TDI camera ay isang mahusay na solusyon para sa anumang imaging application kung saan ang imaging subject ay gumagalaw na may kaugnayan sa camera, na nagbibigay na ang paggalaw ay pare-pareho sa kabuuan ng view ng camera.
Ang mga application ng TDI imaging samakatuwid ay kinabibilangan, sa isang banda, ang lahat ng line scanning kung saan nabuo ang 2-dimensional na mga imahe, habang nagdadala ng mas mabilis, mas pinahusay na low-light sensitivity, mas mahusay na kalidad ng imahe, o lahat ng tatlo nang sabay-sabay. Sa kabilang banda, maraming mga diskarte sa imaging na gumagamit ng mga area-scan na camera kung saan maaaring gamitin ang mga TDI camera.
Para sa high-sensitivity sCMOS TDI, ang 'tile and stitch' imaging sa biological fluorescence microscopy ay maaaring isagawa gamit ang nonstop scan ng stage bilang kapalit ng tiling. O lahat ng TDI ay maaaring maging angkop sa mga aplikasyon ng inspeksyon. Ang isa pang mahalagang aplikasyon para sa TDI ay ang imaging flow cytometry, kung saan ang mga fluorescence na larawan ng mga cell ay nakukuha habang sila ay pumasa sa isang camera habang dumadaloy sa isang microfluidic channel.
Mga kalamangan at kahinaan ng sCMOS TDI
Mga pros
● Makakakuha ng 2-dimensional na mga larawan ng arbitraryong laki sa mataas na bilis kapag nag-scan sa isang paksa ng imaging.
● Maraming TDI stages, mahinang ingay, at mataas na QE ay maaaring humantong sa mas mataas na sensitivity kaysa sa mga line scan camera.
● Maaaring makamit ang napakataas na bilis ng pagbabasa, halimbawa, hanggang 510,000Hz (mga linya sa bawat segundo), para sa 9,072-pixel-wide na imahe.
●Kailangan lang na 1-dimensional ang pag-iilaw at hindi maaaring mangailangan ng flat-field o iba pang mga pagwawasto sa pangalawang (na-scan) na dimensyon. Bukod pa rito, ang mas mahabang oras ng pagkakalantad kumpara sa pag-scan ng linya ay maaaring 'makinis' dahil sa mga AC light source.
● Ang mga gumagalaw na larawan ay maaaring makuha nang walang motion blur at may mataas na bilis at sensitivity.
●Ang pag-scan ng malalaking lugar ay maaaring maging mas mabilis kaysa sa mga camera scan ng lugar.
● Sa advanced na software o mga pag-set up sa pagti-trigger, ang mode na 'tulad ng pag-scan ng lugar' ay maaaring magbigay ng pangkalahatang-ideya ng area-scan para sa pagtutok at pagkakahanay.
Cons
● Mas mataas pa rin ang ingay kaysa sa mga nakasanayang sCMOS camera, ibig sabihin, ang mga ultra-low-light na application ay hindi maabot.
● Nangangailangan ng mga espesyalistang setup na may advanced na pag-trigger upang i-synchronize ang paggalaw ng paksa ng imaging sa pag-scan ng camera, napakahusay na kontrol sa bilis ng paggalaw, o tumpak na hula ng bilis upang paganahin ang pag-synchronize.
● Bilang isang bagong teknolohiya, ilang mga solusyon ang kasalukuyang umiiral para sa pagpapatupad ng hardware at software.
Low-light-capable sCMOS TDI
Bagama't ang TDI bilang isang imaging technique ay nauuna ang digital imaging, at matagal nang nalampasan ang line scan sa performance, nitong mga nakaraang taon lang nakuha ng mga TDI camera ang sensitivity na kinakailangan upang maabot ang mga low-light na application na karaniwang nangangailangan ng sensitivity ng scientific-grade.mga sCMOS camera.
Pinagsasama ng 'sCMOS TDI' ang istilong CCD na paggalaw ng mga singil sa buong sensor na may istilong sCMOS na pagbabasa, na may mga available na back-iluminated na sensor. Ang mga dating CCD-based o puro CMOS-based* TDI camera ay nagkaroon ng mas mabagal na pagbabasa, mas maliit na pixel count, mas kaunting yugto, at read noise sa pagitan ng 30e- at >100e-. Sa kaibahan, ang sCMOS TDI tulad ng TucsenDhyana 9KTDI sCMOS cameranag-aalok ng read noise na 7.2e-, na sinamahan ng mas mataas na quantum efficiency sa pamamagitan ng back-illumination, na nagbibigay-daan sa paggamit ng TDI sa makabuluhang mas mababang antas ng liwanag na mga aplikasyon kaysa sa dati.
Sa maraming mga application, ang mas mahabang oras ng pagkakalantad na pinagana ng proseso ng TDI ay higit na makakatumbas sa pagtaas ng read noise kumpara sa mataas na kalidad na sCMOS area-scan camera na may read noise na malapit sa 1e-.
Mga Karaniwang Aplikasyon ng Mga TDI Camera
Ang mga TDI camera ay matatagpuan sa maraming industriya kung saan ang katumpakan at bilis ay pantay na kritikal:
● Semiconductor wafer inspeksyon
● Pagsubok sa flat panel display (FPD).
● Web inspection (papel, pelikula, foil, tela)
● X-ray scanning sa mga medikal na diagnostic o baggage screening
● Slide at multi-well plate scanning sa digital pathology
● Hyperspectral imaging sa remote sensing o agrikultura
● Inspeksyon ng PCB at electronics sa mga linya ng SMT
Nakikinabang ang mga application na ito mula sa pinahusay na kaibahan, bilis, at kalinawan na ibinibigay ng TDI imaging sa ilalim ng mga hadlang sa totoong mundo.
Halimbawa: Pag-scan ng Slide at Multi-Well Plate
Gaya ng nabanggit, isang application na may makabuluhang pangako para sa mga sCMOS TDI camera ay ang pag-stitching ng mga application, kabilang ang slide o multi-well plate scanning. Ang pag-scan ng malalaking fluorescent o brightfield microscopy na mga sample na may 2-dimensional na area camera ay umaasa sa pagtatahi ng grid ng mga larawang nabuo mula sa maraming paggalaw ng XY microscope stage. Ang bawat larawan ay nangangailangan ng yugto na huminto, tumira, at pagkatapos ay i-restart, kasama ang anumang pagkaantala ng rolling shutter. Ang TDI, sa kabilang banda, ay maaaring makakuha ng mga imahe habang ang entablado ay gumagalaw. Ang imahe ay pagkatapos ay nabuo mula sa isang maliit na bilang ng mahabang 'strips', bawat isa ay sumasaklaw sa buong lapad ng sample. Ito ay posibleng humantong sa mas mataas na bilis ng pagkuha at data throughput sa lahat ng application ng stitching, depende sa mga kundisyon ng imaging.
Ang bilis kung saan maaaring gumalaw ang stage ay inversely proportional sa kabuuang oras ng exposure ng TDI camera, kaya ang maiikling oras ng exposure (1-20ms) ay nag-aalok ng pinakamalaking improvement sa imaging speed kumpara sa mga area scan camera, na maaaring humantong sa isang order ng magnitude o mas malaking pagbawas sa kabuuang oras ng pagkuha. Para sa mas mahabang oras ng pagkakalantad (hal. > 100ms), ang pag-scan sa lugar ay kadalasang maaaring magkaroon ng kalamangan sa oras.
Ang isang halimbawa ng isang napakalaking (2 Gigapixel) fluorescence microscopy na imahe na nabuo sa loob lamang ng sampung segundo ay ipinapakita sa Figure 2. Ang isang katumbas na imahe na nabuo gamit ang isang area scan camera ay maaaring asahan na tumagal ng hanggang ilang minuto.
Figure 2: 2 Gigapixel na imahe na nabuo sa loob ng 10 segundo sa pamamagitan ng TDI scanning at stitching
TANDAAN: Nakuha ang 10x magnification na larawan gamit ang Tucsen Dhyana 9kTDI ng mga highlighter pen dots na tiningnan gamit ang fluorescence microscopy. Nakuha sa loob ng 10 segundo gamit ang 3.6 ms exposure time. Mga sukat ng larawan: 30mm x 17mm, 58,000 x 34,160 pixels.
Pag-synchronize ng TDI
Ang pag-synchronize ng isang TDI camera sa paksa ng imaging (sa loob ng ilang porsyento) ay mahalaga – ang velocity mismatch ay hahantong sa isang 'motion blur' effect. Ang pag-synchronize na ito ay maaaring gawin sa dalawang paraan:
Mahuhulaan: Ang bilis ng camera ay nakatakda upang tumugma sa bilis ng paggalaw batay sa kaalaman sa sample na bilis ng paggalaw, optika (magnification), at laki ng pixel ng camera. O pagsubok at pagkakamali.
Na-trigger: Maraming mga yugto ng mikroskopyo, gantries at iba pang kagamitan upang ilipat ang mga paksa ng imaging ay maaaring magsama ng mga encoder na nagpapadala ng trigger pulse sa camera para sa isang partikular na distansya ng paggalaw. Nagbibigay-daan ito sa stage/gantry at camera na manatiling naka-sync anuman ang bilis ng paggalaw.
Mga TDI Camera kumpara sa Line Scan at Area Scan Camera
Narito kung paano inihahambing ang TDI sa iba pang sikat na teknolohiya ng imaging:
| Tampok | TDI Camera | Line Scan Camera | Area Scan Camera |
| pagiging sensitibo | Napakataas | Katamtaman | Mababa hanggang Katamtaman |
| Kalidad ng Larawan (galaw) | Mahusay | Mabuti | Malabo sa mataas na bilis |
| Mga Kinakailangan sa Pag-iilaw | Mababa | Katamtaman | Mataas |
| Pagkakatugma sa Paggalaw | Mahusay (kung naka-synchronize) | Mabuti | mahirap |
| Pinakamahusay Para sa | Mataas na bilis, mahina ang ilaw | Mga bagay na mabilis na gumagalaw | Mga static o mabagal na eksena |
Ang TDI ang malinaw na pagpipilian kapag mabilis na gumagalaw ang eksena at limitado ang mga antas ng liwanag. Ang pag-scan ng linya ay isang hakbang pababa sa pagiging sensitibo, habang ang pag-scan sa lugar ay mas mahusay para sa mga simple o hindi nagbabagong pag-setup.
Pagpili ng Tamang TDI Camera
Kapag pumipili ng TDI camera, isaalang-alang ang sumusunod:
● Bilang ng mga yugto ng TDI: Mas maraming yugto ang nagpapataas ng SNR, ngunit gayundin ang gastos at pagiging kumplikado.
● Uri ng sensor: Mas gusto ang sCMOS para sa bilis at mababang ingay nito; Maaaring angkop pa rin ang CCD para sa ilang legacy system.
● Interface: Tiyaking compatibility sa iyong system—Ang Camera Link, CoaXPress, at 10GigE ay karaniwang mga opsyon, ang 100G CoF at 40G CoF ay lumitaw bilang mga bagong trend.
● Spectral na tugon: Pumili sa pagitan ng monochrome, kulay, o near-infrared (NIR) batay sa mga pangangailangan ng application.
● Mga opsyon sa pag-synchronize: Maghanap ng mga feature tulad ng mga input ng encoder o suporta sa panlabas na trigger para sa mas mahusay na pagkakahanay ng paggalaw.
Kung ang iyong aplikasyon ay nagsasangkot ng mga maselan na biological sample, high-speed inspection, o low-light environment, malamang na ang sCMOS TDI ang tamang akma.
Konklusyon
Ang mga TDI camera ay kumakatawan sa isang malakas na ebolusyon sa teknolohiya ng imaging, lalo na kapag binuo sa mga sensor ng sCMOS. Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng motion synchronization sa multi-line integration, nag-aalok sila ng walang kaparis na sensitivity at kalinawan para sa mga dynamic, low-light na mga eksena.
Sinusuri mo man ang mga wafer, nag-scan ng mga slide, o nagsasagawa ng mga high-speed na inspeksyon, ang pag-unawa kung paano gumagana ang TDI ay makakatulong sa iyong piliin ang pinakamahusay na solusyon samga siyentipikong kamerapara sa iyong mga hamon sa imaging.
FAQ
Maaari bang gumana ang mga TDI camera sa area scan mode?
Ang mga TDI camera ay maaaring lumikha ng (napakanipis) na 2-dimensional na mga imahe sa isang 'area-scan-like' mode, na nakuha sa pamamagitan ng isang trick ng sensor timing. Makakatulong ito para sa mga gawain tulad ng focus at alignment.
Upang simulan ang isang 'area-scan exposure', ang sensor ay unang 'na-clear' sa pamamagitan ng pag-advance sa TDI kahit gaano karaming mga hakbang ang camera ay may mga yugto, nang mas mabilis hangga't maaari, pagkatapos ay huminto. Ito ay maaaring makamit sa pamamagitan ng kontrol ng software, o pag-trigger ng hardware, at perpektong ginagawa sa kadiliman. Halimbawa, ang isang 256-stage na camera ay dapat magbasa ng hindi bababa sa 256 na linya, pagkatapos ay huminto. Ang 256 na linya ng data na ito ay itinapon.
Habang hindi tini-trigger ang camera o binabasa ang mga linya, kumikilos ang sensor na parang isang area-scan sensor na naglalantad ng larawan.
Ang ninanais na oras ng pagkakalantad ay dapat pagkatapos ay lumipas nang naka-idle ang camera, bago muling isulong ang camera ng hindi bababa sa bilang ng mga yugto nito, binabasa ang bawat linya ng larawang kakakuha lang. Muli, mas mabuti na ang 'read out' na bahaging ito ay dapat mangyari sa kadiliman.
Ang diskarteng ito ay maaaring ulitin upang magbigay ng isang 'live na preview' o pagkakasunud-sunod ng mga imahe sa lugar-scan na may kaunting pagbaluktot at pag-blur mula sa operasyon ng TDI.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Nakalaan ang lahat ng karapatan. Kapag nagbabanggit, mangyaring kilalanin ang pinagmulan:www.tucsen.com
