25/08/08У промисловій та науковій візуалізації захоплення швидкорухомих об'єктів в умовах низької освітленості є постійним викликом. Саме тут на допомогу приходять камери з інтеграцією часової затримки (TDI). Технологія TDI поєднує синхронізацію руху та багаторазову експозицію, забезпечуючи виняткову чутливість та чіткість зображення, особливо в умовах високої швидкості.
Що таке TDI-камера?
TDI-камера — це спеціалізована камера з лінійним скануванням, яка знімає зображення рухомих об'єктів. На відміну від стандартних камер з площинним скануванням, які експонують весь кадр одночасно, TDI-камери переміщують заряд з одного ряду пікселів на наступний синхронно з рухом об'єкта. Кожен ряд пікселів накопичує світло під час руху об'єкта, ефективно збільшуючи час експозиції та підвищуючи силу сигналу без розмиття зображення.
Така інтеграція заряду значно підвищує співвідношення сигнал/шум (SNR), що робить TDI-камери ідеальними для високошвидкісної зйомки або зйомки в умовах низької освітленості.
Як працює TDI-камера?
Роботу TDI-камери проілюстровано на рисунку 1.
Рисунок 1: Робота датчиків інтеграції часової затримки (TDI)
ПРИМІТКА: Камери TDI переміщують отримані заряди через кілька «етапів» синхронно з рухомим об'єктом зображення. Кожен етап надає додаткову можливість бути опроміненим світлом. Ілюстровано яскравою літерою «Т», що рухається по камері, з сегментом TDI-сенсора з 5 стовпців на 5 етапів. Tucsen Dhyana 9KTDI з гібридним рухом заряду в стилі CCD, але паралельним зчитуванням у стилі CMOS.
Камери TDI фактично є камерами з лінійним скануванням, з однією важливою відмінністю: замість одного рядка пікселів, які збирають дані під час сканування камерами об'єкта зображення, камери TDI мають кілька рядків, відомих як «етапи», зазвичай до 256.
Однак ці рядки не формують двовимірне зображення, як камера з площинним скануванням. Натомість, коли об'єкт сканованого зображення рухається по сенсору камери, виявлені фотоелектрони в кожному пікселі переміщуються до наступного рядка синхронно з рухом об'єкта зображення, ще не зчитуючись. Кожен додатковий рядок надає додаткову можливість опромінити об'єкт зображення світлом. Тільки після того, як фрагмент зображення досягає останнього рядка пікселів сенсора, цей рядок передається до архітектури зчитування для вимірювання.
Отже, незважаючи на численні вимірювання, що проводяться на різних етапах камери, виникає лише один випадок шуму зчитування камери. 256-ступінчаста TDI-камера утримує зразок у полі зору в 256 разів довше, а отже, має в 256 разів довший час експозиції, ніж еквівалентна камера з лінійним скануванням. Еквівалентний час експозиції з камерою з площинним скануванням призвів би до надмірного розмиття руху, що зробило б зображення непридатним для використання.
Коли можна використовувати TDI?
Камери TDI – це чудове рішення для будь-якої обробки зображень, де об'єкт зйомки рухається відносно камери, за умови, що рух є рівномірним по всій площі зображення камери.
Таким чином, застосування TDI-візуалізації включає, з одного боку, всі види лінійного сканування, де формуються двовимірні зображення, що забезпечує вищу швидкість, значно покращену чутливість до слабкого освітлення, кращу якість зображення або все це одночасно. З іншого боку, існує багато методів візуалізації, які використовують камери з площинним скануванням, де можна використовувати TDI-камери.
Для високочутливої sCMOS TDI візуалізація «мозаїчно-стібкової» структури в біологічній флуоресцентній мікроскопії може виконуватися з використанням безперервного сканування предметного столика замість мозаїчного укладання. Або ж усі TDI можуть добре підходити для інспекційних застосувань. Ще одним важливим застосуванням TDI є проточна цитометрія візуалізації, де флуоресцентні зображення клітин отримуються, коли вони проходять повз камеру під час руху через мікрофлюїдний канал.
Плюси та мінуси sCMOS TDI
Плюси
● Може захоплювати двовимірні зображення довільного розміру з високою швидкістю під час сканування по об'єкту зображення.
● Кілька каскадів TDI, низький рівень шуму та високий коефіцієнт квантової ефективності (QE) можуть призвести до значно вищої чутливості, ніж у камер лінійного сканування.
● Можна досягти дуже високої швидкості зчитування, наприклад, до 510 000 Гц (рядків за секунду), для зображення шириною 9072 пікселів.
●Освітлення має бути лише одновимірним і не потребує корекції плоского поля чи інших корекцій у другому (сканованому) вимірі. Крім того, довший час експозиції порівняно з лінійним скануванням може «згладити» мерехтіння, спричинене джерелами змінного струму.
● Рухомі зображення можна отримувати без розмиття від руху, з високою швидкістю та чутливістю.
●Сканування великих площ може бути значно швидшим, ніж за допомогою камер сканування площ.
● За допомогою розширеного програмного забезпечення або налаштувань запуску, режим, подібний до режиму сканування області, може забезпечити огляд сканування області для фокусування та вирівнювання.
Мінуси
● Шум все ще вищий, ніж у звичайних sCMOS-камер, а це означає, що застосування в умовах наднизької освітленості недоступне.
● Потрібні спеціалізовані налаштування з розширеним синхронізуванням руху об’єкта зйомки зі скануванням камери, дуже точне керування швидкістю руху або точне прогнозування швидкості для забезпечення синхронізації.
● Оскільки це нова технологія, наразі існує мало рішень для її апаратної та програмної реалізації.
sCMOS TDI з підтримкою роботи в умовах низької освітленості
Хоча TDI як метод обробки зображень випереджає цифрову обробку зображень і давно перевершив лінійне сканування за продуктивністю, лише в останні кілька років TDI-камери отримали чутливість, необхідну для роботи в умовах низької освітленості, які зазвичай вимагають чутливості наукового рівня.sCMOS-камери.
«sCMOS TDI» поєднує рух зарядів по сенсору в стилі CCD зі зчитуванням у стилі sCMOS, з доступними сенсорами з підсвічуванням. Попередні камери TDI на основі CCD або виключно CMOS* мали значно повільніше зчитування, меншу кількість пікселів, менше каскадів та шум зчитування від 30e до >100e. На противагу цьому, sCMOS TDI, такі як TucsensCMOS-камера Dhyana 9KTDIпропонує шум зчитування 7,2e- у поєднанні з вищою квантовою ефективністю завдяки задньому підсвічуванню, що дозволяє використовувати TDI в застосуваннях зі значно нижчим рівнем освітлення, ніж це було можливо раніше.
У багатьох застосуваннях довший час експозиції, що забезпечується процесом TDI, може більш ніж компенсувати збільшення шуму зчитування порівняно з високоякісними sCMOS-камерами з площинним скануванням із шумом зчитування, близьким до 1e-.
Загальні застосування камер TDI
Камери TDI використовуються в багатьох галузях промисловості, де точність і швидкість мають однакове значення:
● Перевірка напівпровідникових пластин
● Тестування плоскопанельних дисплеїв (FPD)
● Інспекція рулонної продукції (папір, плівка, фольга, текстиль)
● Рентгенівське сканування в медичній діагностиці або для перевірки багажу
● Сканування слайдів та багатолункових планшетів у цифровій патології
● Гіперспектральна візуалізація в дистанційному зондуванні або сільському господарстві
● Перевірка друкованих плат та електроніки на лініях поверхневого монтажу
Ці програми отримують вигоду від покращеної контрастності, швидкості та чіткості, які забезпечує TDI-візуалізація в реальних умовах.
Приклад: Сканування слайдів та багатолункових планшетів
Як згадувалося, одним із перспективних застосувань sCMOS TDI-камер є зшивання зображень, включаючи сканування слайдів або багатолункових планшетів. Сканування великих зразків флуоресцентної або світлопольної мікроскопії за допомогою двовимірних камер залежить від зшивання сітки зображень, сформованої з кількох рухів предметного столика XY-мікроскопа. Кожне зображення вимагає зупинки, стабілізації та перезапуску столика, а також будь-якої затримки рухомого затвора. TDI, з іншого боку, може отримувати зображення під час руху столика. Потім зображення формується з невеликої кількості довгих «смужок», кожна з яких покриває всю ширину зразка. Це потенційно може призвести до значно вищої швидкості збору даних та пропускної здатності даних у всіх застосуваннях зшивання, залежно від умов візуалізації.
Швидкість, з якою може рухатися предметний стіл, обернено пропорційна загальному часу експозиції TDI-камери, тому короткий час експозиції (1-20 мс) забезпечує найбільше покращення швидкості отримання зображень порівняно з камерами з площинним скануванням, що може призвести до скорочення загального часу збору зображень на порядок або більше. Для довших часів експозиції (наприклад, > 100 мс) площинне сканування зазвичай зберігає перевагу в часі.
Приклад дуже великого (2 гігапіксельного) зображення флуоресцентної мікроскопії, сформованого всього за десять секунд, показано на рисунку 2. Еквівалентне зображення, сформоване за допомогою камери сканування площини, може тривати до кількох хвилин.
Рисунок 2: Зображення з роздільною здатністю 2 гігапікселі, сформоване за 10 секунд за допомогою сканування та зшивання TDI
ПРИМІТКА: Зображення з 10-кратним збільшенням, отримане за допомогою маркера Tucsen Dhyana 9kTDI з крапками, що спостерігаються під флуоресцентною мікроскопією. Отримано за 10 секунд з експозицією 3,6 мс. Розміри зображення: 30 мм x 17 мм, 58 000 x 34 160 пікселів.
Синхронізація TDI
Синхронізація TDI-камери з об'єктом зйомки (з точністю до кількох відсотків) є важливою – невідповідність швидкостей призведе до ефекту «розмиття руху». Цю синхронізацію можна здійснити двома способами:
ПрогнознийШвидкість камери встановлюється відповідно до швидкості руху на основі знання швидкості руху зразка, оптики (збільшення) та розміру пікселя камери. Або методом спроб і помилок.
ЗапущеноБагато столиків мікроскопів, порталів та іншого обладнання для переміщення об'єктів зображення можуть містити енкодери, які надсилають пусковий імпульс на камеру для заданої відстані переміщення. Це дозволяє столику/порталу та камері залишатися синхронізованими незалежно від швидкості руху.
TDI-камери проти лінійних та площинних камер сканування
Ось як TDI порівнюється з іншими популярними технологіями обробки зображень:
| Функція | TDI-камера | Лінійна сканувальна камера | Камера сканування області |
| Чутливість | Дуже високий | Середній | Від низького до середнього |
| Якість зображення (рух) | Відмінно | Добре | Розмитість на високих швидкостях |
| Вимоги до освітлення | Низький | Середній | Високий |
| Сумісність з рухом | Відмінно (якщо синхронізовано) | Добре | Бідний |
| Найкраще для | Висока швидкість, слабке освітлення | Швидкорухомі об'єкти | Статичні або повільні сцени |
TDI – очевидний вибір, коли сцена швидко рухається, а рівень освітлення обмежений. Лінійне сканування знижує чутливість, тоді як площинне сканування краще підходить для простих або стаціонарних налаштувань.
Вибір правильної TDI-камери
Вибираючи TDI-камеру, враховуйте наступне:
● Кількість каскадів TDI: Більша кількість каскадів збільшує співвідношення сигнал/шум, але також збільшує вартість та складність.
● Тип сенсора: sCMOS-сенсор є кращим завдяки своїй швидкості та низькому рівня шуму; CCD-сенсор може все ще підходити для деяких застарілих систем.
● Інтерфейс: Забезпечте сумісність з вашою системою — Camera Link, CoaXPress та 10GigE є поширеними варіантами, 100G CoF та 40G CoF стали новими тенденціями.
● Спектральна характеристика: Вибір між монохромним, кольоровим або ближнім інфрачервоним (NIR) діапазоном залежно від потреб застосування.
● Варіанти синхронізації: зверніть увагу на такі функції, як входи енкодера або підтримка зовнішнього запуску для кращого вирівнювання руху.
Якщо ваше застосування пов'язане з делікатними біологічними зразками, високошвидкісним контролем або середовищем із низькою освітленістю, sCMOS TDI, ймовірно, підійде саме вам.
Висновок
Камери TDI представляють собою потужний прорив у технології обробки зображень, особливо коли вони побудовані на sCMOS-сенсорах. Поєднуючи синхронізацію руху з багатолінійною інтеграцією, вони пропонують неперевершену чутливість і чіткість для динамічних сцен із низьким рівнем освітлення.
Незалежно від того, чи ви перевіряєте пластини, скануєте слайди чи виконуєте високошвидкісну перевірку, розуміння принципу роботи TDI може допомогти вам вибрати найкраще рішення серед...наукові камеридля ваших завдань із зображеннями.
Найчастіші запитання
Чи можуть камери TDI працювати в режимі сканування області?
Камери TDI можуть створювати (дуже тонкі) двовимірні зображення в режимі «сканування області», що досягається завдяки хитромудрому синхронізації датчика. Це може бути корисним для таких завдань, як фокусування та вирівнювання.
Щоб розпочати «експозицію скануванням області», датчик спочатку «очищається», просуваючи TDI щонайменше на стільки ж кроків, скільки має камера етапів, якомога швидше, а потім зупиняється. Це досягається або за допомогою програмного керування, або апаратного запуску, і ідеально виконується в темряві. Наприклад, камера з 256 етапами повинна зчитати щонайменше 256 рядків, а потім зупинитися. Ці 256 рядків даних відкидаються.
Поки камера не спрацьовує та не зчитуються рядки, датчик поводиться так само, як датчик сканування області, що експонує зображення.
Потім бажаний час експозиції має пройти, поки камера не працює, перш ніж знову просунути камеру щонайменше на потрібну кількість кроків, зчитуючи кожен рядок щойно отриманого зображення. Знову ж таки, в ідеалі ця фаза «зчитування» повинна відбуватися в темряві.
Цей метод можна повторити, щоб забезпечити «попередній перегляд у реальному часі» або послідовність зображень сканування області з мінімальними спотвореннями та розмиттям внаслідок операції TDI.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усі права захищено. Під час цитування, будь ласка, вкажіть джерело:www.tucsen.com
