22/07/13Інтеграція часової затримки (TDI) – це метод візуалізації, який виник до появи цифрової візуалізації, але який досі забезпечує величезні переваги на передовій сучасної візуалізації. Існують дві обставини, за яких TDI-камери можуть досягти успіху – обидва – коли об'єкт зйомки рухається:
1 – Об’єкт зображення за своєю суттю рухається з постійною швидкістю, як-от під час перевірки павутини (наприклад, сканування рухомих аркушів паперу, пластику або тканини на наявність дефектів та пошкоджень), складальних ліній або мікрофлюїдики та потоків рідин.
2 – Статичні об’єкти зображення, які можна отримати за допомогою камери, що переміщується з області в область, переміщуючи або об’єкт, або камеру. Приклади включають сканування предметних стекол мікроскопа, перевірку матеріалів, перевірку плоских панелей тощо.
Якщо будь-яка з цих обставин може стосуватися вашої візуалізації, ця веб-сторінка допоможе вам розглянути, чи може перехід від звичайних двовимірних камер з площинним скануванням до лінійно-скануючих TDI-камер покращити якість вашої візуалізації.
Проблема зі скануванням області та рухомими цілями
● Розмиття руху
Деякі об'єкти зображення рухаються за необхідності, наприклад, під час перевірки потоку рідини або павутини. В інших застосуваннях, таких як сканування слайдів та перевірка матеріалів, утримання об'єкта в русі може бути значно швидшим та ефективнішим, ніж зупинка руху для кожного отриманого зображення. Однак для камер з площинним скануванням, якщо об'єкт зображення рухається відносно камери, це може створювати труднощі.
Розмиття в русі, що спотворює зображення рухомого транспортного засобу
У ситуаціях з обмеженим освітленням або коли потрібна висока якість зображення, може знадобитися довгий час експозиції камери. Однак рух об'єкта зйомки розподілить світло по кількох пікселях камери під час експозиції, що призведе до «розмиття руху». Це можна мінімізувати, використовуючи дуже короткі експозиції – менше часу, який знадобиться точці на об'єкті зйомки для проходження пікселя камери. Це...unзазвичай за рахунок темних, шумних, часто непридатних для використання зображень.
●Шви
Крім того, зазвичай для отримання зображень великих або безперервних об'єктів за допомогою камер з площинним скануванням потрібне отримання кількох зображень, які потім об'єднуються. Це об'єднання вимагає перекриття пікселів між сусідніми зображеннями, що знижує ефективність та збільшує вимоги до зберігання та обробки даних.
●Нерівномірне освітлення
Більше того, освітлення рідко буває рівномірним, щоб уникнути проблем та артефактів на межах між зшитими зображеннями. Крім того, для забезпечення освітлення достатньо великої площі для камери сканування площі з достатньою інтенсивністю часто потрібне використання потужних та дорогих джерел постійного струму.
Нерівномірне освітлення під час зшивання багатозображень мозку миші. Зображення з Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Що таке TDI-камера і як вона допомагає?
У звичайних двовимірних камерах з площинним скануванням є три фази отримання зображення: скидання пікселів, експозиція та зчитування. Під час експозиції виявляються фотони зі сцени, що призводить до утворення фотоелектронів, які зберігаються в пікселях камери до кінця експозиції. Потім значення з кожного пікселя зчитуються, і формується двовимірне зображення. Потім пікселі скидаються, і всі заряди очищаються, щоб розпочати наступну експозицію.
Однак, як згадувалося, якщо об'єкт зйомки рухається відносно камери, світло від об'єкта може поширюватися на кілька пікселів під час експозиції, що призводить до розмиття руху. Камери TDI долають це обмеження за допомогою інноваційної методики. Це продемонстровано в [Анімація 1].
●Як працюють камери TDI
Камери TDI працюють принципово інакше, ніж камери з площинним скануванням. Коли об'єкт зйомки рухається по камері під час експозиції, електронні заряди, що складають отримане зображення, також рухаються, залишаючись синхронізованими. Під час експозиції камери TDI здатні переміщувати всі отримані заряди з одного ряду пікселів до наступного вздовж камери, синхронізовано з рухом об'єкта зйомки. Коли об'єкт зйомки рухається по камері, кожен ряд (відомий як «TDI-стадія») надає нову можливість експонувати камеру на об'єкт зйомки та накопичити сигнал.
Тільки після того, як ряд отриманих зарядів досягає кінця камери, значення зчитуються та зберігаються як одновимірний фрагмент зображення. Двовимірне зображення формується шляхом склеювання кожного наступного фрагмента зображення, який зчитує камера. Кожен ряд пікселів на отриманому зображенні відстежує та відображає один і той самий «фрагмент» об'єкта зйомки, а це означає, що, незважаючи на рух, розмиття немає.
●256x довша експозиція
У камерах TDI ефективний час експозиції зображення визначається загальним часом, необхідним для того, щоб точка на об'єкті зйомки пройшла кожен ряд пікселів, причому на деяких камерах TDI доступно до 256 етапів. Це означає, що доступний час експозиції фактично у 256 разів більший, ніж може досягти камера з площинним скануванням.
Це може забезпечити одне з двох покращень або баланс обох. По-перше, можна досягти значного підвищення швидкості зображення. Порівняно з камерою з площинним скануванням, об'єкт зображення може рухатися до 256 разів швидше, зберігаючи при цьому ту саму кількість сигналу, за умови, що лінійна швидкість камери достатньо висока, щоб встигати за цим.
З іншого боку, якщо потрібна вища чутливість, довший час експозиції може забезпечити набагато вищу якість зображень, нижчу інтенсивність освітлення або і те, й інше.
●Велика пропускна здатність даних без зшивання
Оскільки TDI-камера створює двовимірне зображення з послідовних одновимірних зрізів, результуюче зображення може бути будь-якого розміру. Хоча кількість пікселів у «горизонтальному» напрямку визначається шириною камери, наприклад, 9072 пікселі, «вертикальний» розмір зображення необмежений і просто визначається тим, як довго працює камера. Зі швидкістю лінії до 510 кГц це може забезпечити величезну пропускну здатність даних.
У поєднанні з цим, камери TDI можуть пропонувати дуже широкі поля зору. Наприклад, камера з роздільною здатністю 9072 пікселів та розміром пікселів 5 мкм забезпечує горизонтальне поле зору 45 мм з високою роздільною здатністю. Щоб досягти такої ж ширини зображення з камерою сканування з площею пікселів 5 мкм, знадобиться до трьох камер 4K, розташованих поруч.
●Покращення порівняно з камерами лінійного сканування
Камери TDI не лише пропонують покращення порівняно з камерами з площинним скануванням. Камери з лінійним скануванням, які захоплюють лише один рядок пікселів, також страждають від багатьох тих самих проблем з інтенсивністю освітлення та короткими експозиціями, що й камери з площинним скануванням.
Хоча, як і камери TDI, лінійно-сканувальні камери пропонують рівномірніше освітлення з простішим налаштуванням та уникають необхідності зшивання зображень, вони часто можуть вимагати дуже інтенсивного освітлення та/або повільного руху об'єкта зйомки, щоб захопити достатньо сигналу для отримання високоякісного зображення. Чим довші експозиції та чим вищі швидкості зйомки об'єкта, тим менш інтенсивне та дешевше освітлення можна використовувати, одночасно підвищуючи ефективність зображення. Наприклад, виробнича лінія може перейти від дорогих галогенних ламп з високим споживанням енергії, що потребують живлення від постійного струму, до світлодіодного освітлення.
Як працюють камери TDI?
Існує три загальні стандарти для досягнення TDI-зображень на сенсорі камери.
● ПЗС TDI– CCD-камери – це найстаріший тип цифрових камер. Завдяки своїй електронній конструкції, досягнення TDI-поведінки на CCD-матриці є порівняно дуже простим, оскільки багато сенсорів камер за своєю суттю здатні працювати таким чином. Тому TDI CCD-матриці використовуються вже десятиліттями.
Однак, технологія CCD має свої обмеження. Найменший розмір пікселя, зазвичай доступний для CCD TDI-камер, становить близько 12 мкм x 12 мкм – це, разом з малою кількістю пікселів, обмежує здатність камер розрізняти дрібні деталі. Більше того, швидкість збору даних нижча, ніж у інших технологій, а шум зчитування – основний обмежувальний фактор при зйомці за умов слабкого освітлення – високий. Споживання енергії також високе, що є важливим фактором у деяких застосуваннях. Це призвело до бажання створити TDI-камери на основі архітектури CMOS.
●Ранній CMOS TDI: підсумовування в області напруги та цифрове підсумовування
CMOS-камери долають багато обмежень щодо шуму та швидкості, властивих CCD-камерам, водночас споживаючи менше енергії та пропонуючи менші розміри пікселів. Однак, на CMOS-камерах набагато важче досягти роботи з TDI через їхню піксельну конструкцію. У той час як CCD-матриці фізично переміщують фотоелектрони від пікселя до пікселя для керування сенсором, CMOS-камери перетворюють сигнали у фотоелектронах на напругу в кожному пікселі перед зчитуванням.
Поведінка TDI на CMOS-сенсорі досліджується з 2001 року, проте проблема обробки «накопичення» сигналу під час переміщення експозиції з одного рядка в наступний була значною. Двома ранніми методами CMOS TDI, які досі використовуються в комерційних камерах, є накопичення в області напруги та цифрове підсумовування TDI CMOS. У камерах з накопиченням у області напруги, коли кожен рядок сигналу отримується під час руху об'єкта зображення повз нього, отримана напруга електронним способом додається до загального обсягу отриманих даних для цієї частини зображення. Накопичення напруги таким чином вносить додатковий шум для кожного додаткового доданого каскаду TDI, обмежуючи переваги додаткових каскадів. Проблеми з лінійністю також ускладнюють використання цих камер для точних застосувань.
Другий метод – цифрове підсумовування TDI. У цьому методі CMOS-камера фактично працює в режимі сканування області з дуже короткою експозицією, що відповідає часу, необхідному для переміщення об'єкта зображення по одному ряду пікселів. Але рядки з кожного наступного кадру додаються цифровим способом таким чином, що досягається ефект TDI. Оскільки для кожного рядка пікселів результуючого зображення необхідно зчитувати дані всієї камери, це цифрове додавання також додає шум зчитування для кожного рядка та обмежує швидкість збору даних.
●Сучасний стандарт: TDI CMOS із зарядовим доменом або CCD-на-CMOS TDI
Обмеження CMOS TDI, описані вище, нещодавно були подолані завдяки впровадженню TDI CMOS з накопиченням заряду в домені, також відомого як CCD-on-CMOS TDI. Роботу цих датчиків продемонстровано в [Анімація 1]. Як випливає з назви, ці датчики пропонують рух зарядів від одного пікселя до наступного, подібний до CCD, накопичуючи сигнал на кожному етапі TDI шляхом додавання фотоелектронів на рівні окремих зарядів. Це фактично без шуму. Однак обмеження CCD TDI долаються завдяки використанню архітектури зчитування CMOS, що забезпечує високу швидкість, низький рівень шуму та низьке енергоспоживання, типові для CMOS-камер.
Специфікації TDI: що важливо?
●Технологія:Найважливішим фактором є технологія сенсора, яка використовується, як обговорювалося вище. Найкращу продуктивність забезпечить CMOS TDI із зарядовим доменом.
●Етапи TDI:Це кількість рядків сенсора, на яких може накопичуватися сигнал. Чим більше ступенів TDI має камера, тим довшим може бути її ефективний час експозиції. Або тим швидше може рухатися об'єкт зйомки, за умови, що камера має достатню лінійну швидкість.
●Лінійна ставка:Скільки рядків камера може зчитувати за секунду. Це визначає максимальну швидкість руху, яку може підтримувати камера.
●Квантова ефективність: Це вказує на чутливість камери до світла на різних довжинах хвиль, що визначається ймовірністю виявлення падаючого фотона та утворення фотоелектрона. Вища квантова ефективність може забезпечити меншу силу освітлення або швидшу роботу, зберігаючи при цьому ті самі рівні сигналу.
Крім того, камери відрізняються діапазоном довжин хвиль, на якому можна досягти хорошої чутливості, причому деякі камери пропонують чутливість аж до ультрафіолетового (УФ) кінця спектра, приблизно на довжині хвилі 200 нм.
●Шум читання:Шум зчитування – це ще один важливий фактор чутливості камери, який визначає мінімальний сигнал, який можна виявити вище рівня шуму камери. При високому рівні шуму зчитування темні ділянки неможливо виявити, а динамічний діапазон значно зменшується, що означає, що необхідно використовувати яскравіше освітлення або довший час експозиції та меншу швидкість руху.
Специфікації TDI: що важливо?
Наразі камери TDI використовуються для інспекції полотен, інспекції електроніки та виробництва, а також для інших застосувань машинного зору. Поряд із цим існують складні застосування в умовах низької освітленості, такі як флуоресцентна візуалізація та сканування слайдів.
Однак, з появою високошвидкісних, низькошумних, високочутливих TDI CMOS-камер існує великий потенціал для підвищення швидкості та ефективності в нових застосуваннях, які раніше використовували лише камери з площинним скануванням. Як ми вже зазначали на початку статті, TDI-камери можуть бути найкращим вибором для досягнення високої швидкості та високої якості зображення як для зйомки об'єктів, що вже постійно рухаються, так і для зйомки статичних об'єктів зображення.
Наприклад, у застосуванні мікроскопії ми можемо порівняти теоретичну швидкість збору даних камери TDI з роздільною здатністю 9K пікселів, 256 предметними столиками та розміром пікселів 5 мкм з 12-мегапіксельною камерою для сканування області з розміром пікселів 5 мкм. Розглянемо отримання зображень з області 10 x 10 мм з 20-кратним збільшенням шляхом переміщення предметного столика.
1. Використання об'єктива з 20-кратним збільшенням разом із камерою сканування площини забезпечить поле зору зображення 1,02 x 0,77 мм.
2. За допомогою камери TDI можна було використовувати 10-кратний об'єктив з додатковим 2-кратним збільшенням, щоб подолати будь-які обмеження поля зору мікроскопа та забезпечити горизонтальне поле зору зображення 2,3 мм.
3. Припускаючи 2% перекриття пікселів між зображеннями для цілей зшивання, 0,5 секунди для переміщення предметного столика у задане місце та час експозиції 10 мс, ми можемо розрахувати час, який знадобиться камері для сканування області. Аналогічно, ми можемо розрахувати час, який знадобиться камері TDI, якби предметний столик постійно рухався для сканування у напрямку Y, з тим самим часом експозиції на рядок.
4. У цьому випадку камері сканування площини потрібно було б отримати 140 зображень, витративши 63 секунди на переміщення столика. Камера TDI отримала б лише 5 довгих зображень, витративши лише 2 секунди на переміщення столика до наступної колони.
5. Загальний час, витрачений на отримання площі 10 x 10 мм, становитиме64,4 секунди для камери сканування області,і просто9,9 секунди для камери TDI.
Якщо ви хочете дізнатися, чи може TDI-камера відповідати вашому застосуванню та вашим потребам, зв'яжіться з нами сьогодні.
