TDI Kameralar 101: Nedirler ve Nasıl Çalışırlar? |

Endüstriyel ve bilimsel görüntülemede, düşük ışık koşullarında hızlı hareket eden nesneleri yakalamak sürekli bir zorluk teşkil eder. İşte bu noktada Zaman Gecikmeli Entegrasyon (TDI) kameralar devreye girer. TDI teknolojisi, hareket senkronizasyonu ve çoklu pozlamaları bir araya getirerek, özellikle yüksek hızlı ortamlarda olağanüstü hassasiyet ve görüntü netliği sunar.

TDI Kamera Nedir?

TDI kamera, hareketli nesnelerin görüntülerini yakalayan özel bir çizgi tarama kamerasıdır. Tüm kareyi tek seferde pozlayan standart alan tarama kameralarının aksine, TDI kameralar, nesnenin hareketiyle senkronize olarak yükü bir piksel sırasından diğerine kaydırır. Her piksel sırası, nesne hareket ettikçe ışığı biriktirerek pozlama süresini etkili bir şekilde artırır ve hareket bulanıklığı oluşturmadan sinyal gücünü artırır.

Bu şarj entegrasyonu, sinyal-gürültü oranını (SNR) önemli ölçüde artırarak TDI kameraları yüksek hızlı veya düşük ışık uygulamaları için ideal hale getirir.

TDI Kamera Nasıl Çalışır?

TDI kameranın çalışması Şekil 1’de gösterilmiştir.

Şekil 1: Zaman Gecikmeli Entegrasyon (TDI) sensörlerinin çalışması

NOT: TDI kameralar, elde edilen yükleri, hareketli bir görüntüleme nesnesiyle senkronize olarak birden fazla 'aşama' boyunca hareket ettirir. Her aşama, ışığa maruz kalma şansını artırır. 5 sütunlu ve 5 aşamalı bir TDI sensör segmenti ile kamera üzerinde hareket eden parlak bir 'T' ile gösterilmiştir. Hibrit CCD tarzı yük hareketi ancak CMOS tarzı paralel okuma özelliğine sahip Tucsen Dhyana 9KTDI.

TDI kameralar, aslında satır taramalı kameralardır; ancak önemli bir fark vardır: Kameralar bir görüntüleme nesnesi üzerinde taranırken veri toplayan tek bir piksel sırası yerine, TDI kameralarda genellikle 256'ya kadar çıkabilen, 'aşamalar' olarak bilinen birden fazla satır bulunur.

Ancak bu satırlar, alan taramalı bir kamera gibi iki boyutlu bir görüntü oluşturmaz. Bunun yerine, taranan bir görüntüleme nesnesi kamera sensörü üzerinde hareket ettikçe, her pikseldeki algılanan fotoelektronlar, görüntüleme nesnesinin hareketiyle senkronize olarak bir sonraki satıra geçer ve henüz okunmaz. Her ek satır, görüntüleme nesnesini ışığa maruz bırakmak için ek bir fırsat sağlar. Bir görüntü dilimi, sensörün son piksel satırına ulaştığında, bu satır ölçüm için okuma mimarisine aktarılır.

Dolayısıyla, kamera aşamaları arasında birden fazla ölçüm yapılmasına rağmen, kamera okuma gürültüsünün yalnızca bir örneği ortaya çıkar. 256 aşamalı bir TDI kamera, örneği 256 kat daha uzun süre görüş alanında tutar ve dolayısıyla eşdeğer çizgi taramalı kameradan 256 kat daha uzun pozlama süresine sahiptir. Alan taramalı bir kamerada eşdeğer pozlama süresi, aşırı hareket bulanıklığına yol açarak görüntüyü işe yaramaz hale getirir.

TDI Ne Zaman Kullanılabilir?

TDI kameralar, görüntülenecek nesnenin kameraya göre hareket halinde olduğu, hareketin kameranın görüş alanı boyunca eşit olduğu her türlü görüntüleme uygulaması için mükemmel bir çözümdür.

Dolayısıyla TDI görüntülemenin uygulamaları, bir yandan 2 boyutlu görüntülerin oluşturulduğu tüm çizgi tarama uygulamalarını kapsarken, diğer yandan daha yüksek hızlar, çok daha iyi düşük ışık hassasiyeti, daha iyi görüntü kalitesi veya üçünü birden sağlar. Diğer yandan, TDI kameraların kullanılabileceği alan tarama kameraları kullanan birçok görüntüleme tekniği mevcuttur.

Yüksek hassasiyetli sCMOS TDI için, biyolojik floresan mikroskopisinde "döşe ve birleştir" görüntüleme, döşeme yerine sahnenin kesintisiz taranmasıyla gerçekleştirilebilir. Veya tüm TDI'lar inceleme uygulamaları için oldukça uygun olabilir. TDI'ın bir diğer önemli uygulaması ise, hücrelerin mikroakışkan bir kanaldan akarken bir kameradan geçerken floresan görüntülerinin alındığı akış sitometrisi görüntülemesidir.

sCMOS TDI'ın Artıları ve Eksileri

Artıları

● Görüntüleme nesnesi üzerinde tarama yaparken yüksek hızda, keyfi boyutta 2 boyutlu görüntüler yakalayabilir.
● Çoklu TDI aşamaları, düşük gürültü ve yüksek QE, hat taramalı kameralara göre çok daha yüksek hassasiyete yol açabilir.
● Örneğin 9.072 piksel genişliğindeki bir görüntü için 510.000 Hz'e (saniye başına satır) kadar çok yüksek okuma hızlarına ulaşılabilir.
●Aydınlatmanın yalnızca tek boyutlu olması yeterlidir ve ikinci (taramalı) boyutta düz alan veya başka düzeltmeler gerektirmez. Ayrıca, çizgi taramasına kıyasla daha uzun pozlama süreleri, AC ışık kaynaklarından kaynaklanan titremeyi "düzeltebilir".
● Hareket bulanıklığı olmadan, yüksek hız ve hassasiyetle hareketli görüntüler elde edilebilir.
●Geniş alanların taranması, alan tarama kameralarından çok daha hızlı olabilir.
● Gelişmiş yazılım veya tetikleme kurulumlarıyla, 'alan tarama benzeri' mod, odak ve hizalama için alan tarama genel bakışı sağlayabilir.

Eksileri

● Geleneksel sCMOS kameralara kıyasla daha yüksek gürültüye sahip olması, ultra düşük ışık uygulamalarının erişilemez olduğu anlamına geliyor.
● Görüntüleme konusunun hareketini kameranın taramasıyla senkronize etmek için gelişmiş tetiklemeli uzman kurulumları, hareket hızı üzerinde çok hassas kontrol veya senkronizasyonu sağlamak için hızın doğru tahmin edilmesini gerektirir.
● Yeni bir teknoloji olması nedeniyle, donanım ve yazılım uygulamalarına yönelik şu anda çok az çözüm bulunmaktadır.

Düşük ışıkta çalışabilen sCMOS TDI

TDI görüntüleme tekniği olarak dijital görüntülemeden önce ortaya çıkmış ve uzun zaman önce performansta çizgi taramasını geçmiş olsa da, TDI kameralar yalnızca son birkaç yılda, normalde bilimsel düzeydeki hassasiyetin gerektireceği düşük ışık uygulamalarına ulaşmak için gereken hassasiyeti kazanmıştır.sCMOS kameralar.

'sCMOS TDI', sensör boyunca yüklerin CCD tarzı hareketini, arkadan aydınlatmalı sensörlerle birlikte sCMOS tarzı okumayla birleştirir. Önceki CCD tabanlı veya tamamen CMOS tabanlı* TDI kameralar, önemli ölçüde daha yavaş okuma, daha küçük piksel sayıları, daha az aşama ve 30e- ile >100e- arasında okuma gürültüsüne sahipti. Buna karşılık, Tucsen gibi sCMOS TDI kameralarDhyana 9KTDI sCMOS kamera7.2e- okuma gürültüsünü sunar ve arka aydınlatma sayesinde daha yüksek kuantum verimliliği sağlayarak TDI'ın daha önce mümkün olandan çok daha düşük ışık seviyeli uygulamalarda kullanılmasını sağlar.

Birçok uygulamada, TDI işleminin sağladığı daha uzun pozlama süreleri, 1e-'ye yakın okuma gürültüsüne sahip yüksek kaliteli sCMOS alan tarama kameralarıyla karşılaştırıldığında okuma gürültüsündeki artışı fazlasıyla telafi edebilir.

TDI Kameraların Yaygın Uygulamaları

TDI kameralar, hassasiyet ve hızın eşit derecede kritik olduğu birçok sektörde bulunur:

● Yarı iletken gofret muayenesi
● Düz panel ekran (FPD) testi
● Web denetimi (kağıt, film, folyo, tekstil)
● Tıbbi teşhis veya bagaj taramasında X-ray taraması
● Dijital patolojide slayt ve çok kuyulu plaka taraması
● Uzaktan algılama veya tarımda hiperspektral görüntüleme
● SMT hatlarında PCB ve elektronik muayenesi

Bu uygulamalar, gerçek dünya kısıtlamaları altında TDI görüntülemenin sağladığı gelişmiş kontrast, hız ve netlikten yararlanır.

Örnek: Slayt ve Çok Kuyulu Plaka Taraması

Belirtildiği gibi, sCMOS TDI kameralar için önemli bir potansiyele sahip uygulamalardan biri, slayt veya çok kuyulu plaka taraması da dahil olmak üzere birleştirme uygulamalarıdır. Büyük floresan veya aydınlık alan mikroskopi numunelerinin 2 boyutlu alan kameralarıyla taranması, bir XY mikroskop tablasının çoklu hareketlerinden oluşan bir görüntü ızgarasının birleştirilmesine dayanır. Her görüntü, tablanın durmasını, yerleşmesini ve ardından yeniden başlatılmasını ve ayrıca dönen deklanşörün gecikmesini gerektirir. Öte yandan TDI, tabla hareket halindeyken görüntü alabilir. Görüntü daha sonra, her biri numunenin tüm genişliğini kaplayan az sayıda uzun "şeritten" oluşturulur. Bu, görüntüleme koşullarına bağlı olarak, tüm birleştirme uygulamalarında önemli ölçüde daha yüksek veri toplama hızlarına ve veri akışına yol açabilir.

Sahnenin hareket hızı, TDI kameranın toplam pozlama süresiyle ters orantılıdır, bu nedenle kısa pozlama süreleri (1-20 ms), alan tarama kameralarına kıyasla görüntüleme hızında en büyük iyileştirmeyi sunar ve bu da toplam çekim süresinde bir kat veya daha fazla azalmaya yol açabilir. Daha uzun pozlama süreleri (örneğin > 100 ms) için, alan taraması genellikle zaman avantajını koruyabilir.

Sadece on saniyede oluşturulan çok büyük (2 Gigapiksel) bir floresan mikroskopi görüntüsünün bir örneği Şekil 2'de gösterilmektedir. Alan tarama kamerasıyla oluşturulan eşdeğer bir görüntünün birkaç dakikaya kadar sürmesi beklenebilir.

Şekil 2: TDI tarama ve birleştirme yoluyla 10 saniyede oluşturulan 2 Gigapiksel görüntü

NOT: Tucsen Dhyana 9kTDI kullanılarak elde edilen 10x büyütmeli fosforlu kalem noktalarının floresan mikroskopisi ile görüntülenmesi. 3,6 ms pozlama süresi kullanılarak 10 saniyede elde edilmiştir. Görüntü boyutları: 30 mm x 17 mm, 58.000 x 34.160 piksel.

TDI'yi senkronize etme

Bir TDI kameranın görüntülenecek nesneyle senkronizasyonu (birkaç yüzdelik farkla) çok önemlidir; hız uyumsuzluğu "hareket bulanıklığı" etkisine yol açar. Bu senkronizasyon iki şekilde yapılabilir:

Öngörücü: Kamera hızı, örnek hareket hızı, optik (büyütme) ve kamera piksel boyutu bilgisine dayanarak hareket hızıyla eşleşecek şekilde ayarlanır. Veya deneme yanılma yoluyla.

Tetiklendi: Görüntüleme nesnelerini hareket ettirmek için kullanılan birçok mikroskop platformu, gantry ve diğer ekipmanlar, belirli bir hareket mesafesi için kameraya tetikleyici darbe gönderen kodlayıcılar içerebilir. Bu, platform/gantry ve kameranın hareket hızından bağımsız olarak senkronize kalmasını sağlar.

TDI Kameralar ve Çizgi Tarama ve Alan Tarama Kameraları

TDI'ın diğer popüler görüntüleme teknolojileriyle karşılaştırması şöyle:

Özellik	TDI Kamera	Çizgi Tarama Kamerası	Alan Tarama Kamerası
Hassasiyet	Çok Yüksek	Orta	Düşük ila Orta
Görüntü Kalitesi (hareket)	Harika	İyi	Yüksek hızlarda bulanık
Aydınlatma Gereksinimleri	Düşük	Orta	Yüksek
Hareket Uyumluluğu	Mükemmel (eğer senkronize ise)	İyi	Fakir
En İyisi İçin	Yüksek hız, düşük ışık	Hızlı hareket eden nesneler	Statik veya yavaş sahneler

Sahne hızlı hareket ediyorsa ve ışık seviyeleri sınırlıysa TDI açık ara en iyi seçimdir. Çizgi taraması hassasiyette bir adım aşağıyken, alan taraması basit veya sabit kurulumlar için daha iyidir.

Doğru TDI Kamerayı Seçmek

Bir TDI kamera seçerken aşağıdakileri göz önünde bulundurun:

● TDI kademe sayısı: Daha fazla kademe SNR'yi artırır, ancak aynı zamanda maliyeti ve karmaşıklığı da artırır.
● Sensör tipi: Hızı ve düşük gürültüsü nedeniyle sCMOS tercih edilir; CCD bazı eski sistemler için hala uygun olabilir.
● Arayüz: Sisteminizle uyumluluğu sağlayın—Camera Link, CoaXPress ve 10GigE yaygın seçeneklerdir, 100G CoF ve 40G CoF yeni trendler olarak ortaya çıkmıştır.
● Spektral tepki: Uygulama ihtiyaçlarına göre monokrom, renkli veya yakın kızılötesi (NIR) arasında seçim yapın.
● Senkronizasyon seçenekleri: Daha iyi hareket hizalaması için kodlayıcı girişleri veya harici tetik desteği gibi özellikleri arayın.

Uygulamanız hassas biyolojik numuneleri, yüksek hızlı incelemeyi veya düşük ışıklı ortamları içeriyorsa, sCMOS TDI muhtemelen doğru seçim olacaktır.

Çözüm

TDI kameralar, özellikle sCMOS sensörler üzerine inşa edildiklerinde, görüntüleme teknolojisinde güçlü bir evrimi temsil eder. Hareket senkronizasyonunu çok hatlı entegrasyonla birleştirerek, dinamik ve düşük ışıklı sahneler için eşsiz hassasiyet ve netlik sunarlar.

İster gofretleri denetleyin, ister slaytları tarayın, isterse yüksek hızlı denetimler gerçekleştirin, TDI'nin nasıl çalıştığını anlamak, aralarından en iyi çözümü seçmenize yardımcı olabilir.bilimsel kameralarGörüntüleme zorluklarınız için.

SSS

TDI kameralar alan tarama modunda çalışabilir mi?

TDI kameralar, sensör zamanlamasıyla elde edilen 'alan tarama benzeri' modda (çok ince) 2 boyutlu görüntüler oluşturabilir. Bu, odaklama ve hizalama gibi görevler için faydalı olabilir.

Bir 'alan tarama pozlaması' başlatmak için, sensör önce TDI'ı mümkün olan en hızlı şekilde kameranın kademe sayısı kadar ilerletip ardından durdurarak 'temizlenir'. Bu işlem, yazılım kontrolü veya donanım tetiklemesi ile gerçekleştirilir ve ideal olarak karanlıkta gerçekleştirilir. Örneğin, 256 kademeli bir kamera en az 256 satır okumalı ve ardından durmalıdır. Bu 256 satır veri atılır.

Kamera tetiklenmediğinde veya satırlar okunmadığında, sensör tıpkı bir görüntü açığa çıkaran alan tarama sensörü gibi davranır.

İstenilen pozlama süresi, kamera boştayken tamamlanmalı ve ardından kamera en az birkaç kademe ilerletilerek yeni elde edilen görüntünün her satırı okunmalıdır. İdeal olarak, bu "okuma" aşaması karanlıkta gerçekleşmelidir.

Bu teknik, TDI işleminden kaynaklanan bozulma ve bulanıklığın en aza indirildiği bir 'canlı önizleme' veya alan tarama görüntü dizisi sağlamak için tekrarlanabilir.