25/08/08Trong lĩnh vực hình ảnh công nghiệp và khoa học, việc chụp các vật thể chuyển động nhanh trong điều kiện ánh sáng yếu luôn là một thách thức. Đó là lúc camera Tích hợp Độ trễ Thời gian (TDI) phát huy tác dụng. Công nghệ TDI kết hợp đồng bộ hóa chuyển động và phơi sáng nhiều lần để mang lại độ nhạy sáng và độ rõ nét hình ảnh vượt trội, đặc biệt là trong môi trường tốc độ cao.
Camera TDI là gì?
Camera TDI là camera quét dòng chuyên dụng, chụp ảnh các vật thể chuyển động. Không giống như camera quét vùng tiêu chuẩn phơi sáng toàn bộ khung hình cùng một lúc, camera TDI chuyển điện tích từ hàng điểm ảnh này sang hàng điểm ảnh khác đồng bộ với chuyển động của vật thể. Mỗi hàng điểm ảnh tích tụ ánh sáng khi vật thể chuyển động, giúp tăng thời gian phơi sáng và cải thiện cường độ tín hiệu mà không gây ra hiện tượng nhòe chuyển động.
Sự tích hợp điện tích này làm tăng đáng kể tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR), khiến camera TDI trở nên lý tưởng cho các ứng dụng tốc độ cao hoặc ánh sáng yếu.
Camera TDI hoạt động như thế nào?
Hoạt động của camera TDI được minh họa trong Hình 1.
Hình 1: Hoạt động của cảm biến tích hợp độ trễ thời gian (TDI)
GHI CHÚ: Camera TDI di chuyển các điện tích thu được qua nhiều "giai đoạn" đồng bộ với chủ thể chụp ảnh chuyển động. Mỗi giai đoạn cung cấp thêm cơ hội tiếp xúc với ánh sáng. Minh họa bằng hình ảnh chữ "T" sáng di chuyển ngang qua camera, với một đoạn cảm biến TDI 5 cột x 5 giai đoạn. Tucsen Dhyana 9KTDI với chuyển động điện tích kiểu CCD lai nhưng đọc song song kiểu CMOS.
Camera TDI thực chất là camera quét dòng, với một điểm khác biệt quan trọng: thay vì một hàng pixel thu thập dữ liệu khi camera quét qua chủ thể chụp ảnh, camera TDI có nhiều hàng, được gọi là 'giai đoạn', thường lên đến 256.
Tuy nhiên, các hàng này không tạo thành hình ảnh hai chiều như camera quét vùng. Thay vào đó, khi chủ thể hình ảnh được quét di chuyển qua cảm biến camera, các quang điện tử được phát hiện trong mỗi điểm ảnh sẽ di chuyển sang hàng tiếp theo đồng bộ với chuyển động của chủ thể hình ảnh mà chưa được đọc ra. Mỗi hàng bổ sung sau đó cung cấp thêm cơ hội để chủ thể hình ảnh được tiếp xúc với ánh sáng. Chỉ khi một lát cắt hình ảnh chạm đến hàng điểm ảnh cuối cùng của cảm biến, hàng đó mới được chuyển đến kiến trúc đọc để đo lường.
Do đó, mặc dù nhiều phép đo được thực hiện trên các tầng của camera, chỉ có một trường hợp nhiễu đọc của camera được phát hiện. Camera TDI 256 tầng giữ mẫu trong tầm nhìn lâu hơn 256 lần, và do đó có thời gian phơi sáng dài hơn 256 lần so với camera quét dòng tương đương. Thời gian phơi sáng tương đương với camera quét vùng sẽ tạo ra hiện tượng nhòe chuyển động cực độ, khiến hình ảnh trở nên vô dụng.
Khi nào có thể sử dụng TDI?
Camera TDI là giải pháp tuyệt vời cho bất kỳ ứng dụng chụp ảnh nào mà đối tượng chụp ảnh chuyển động so với camera, với điều kiện chuyển động phải đồng đều trên toàn bộ góc nhìn của camera.
Do đó, ứng dụng của hình ảnh TDI bao gồm, một mặt, tất cả các ứng dụng quét dòng, tạo ra hình ảnh hai chiều, đồng thời mang lại tốc độ cao hơn, độ nhạy sáng yếu được cải thiện đáng kể, chất lượng hình ảnh tốt hơn, hoặc cả ba cùng một lúc. Mặt khác, có nhiều kỹ thuật hình ảnh sử dụng camera quét vùng, nơi camera TDI có thể được sử dụng.
Đối với sCMOS TDI độ nhạy cao, hình ảnh "gạch và khâu" trong kính hiển vi huỳnh quang sinh học có thể được thực hiện bằng cách quét liên tục trên bệ mẫu thay vì lát gạch. Hoặc tất cả TDI đều có thể phù hợp với các ứng dụng kiểm tra. Một ứng dụng quan trọng khác của TDI là đo lưu lượng tế bào, trong đó hình ảnh huỳnh quang của tế bào được thu thập khi chúng đi qua camera trong khi chảy qua kênh vi lưu.
Ưu và nhược điểm của sCMOS TDI
Ưu điểm
● Có thể chụp ảnh 2 chiều với kích thước tùy ý ở tốc độ cao khi quét qua đối tượng chụp ảnh.
● Nhiều giai đoạn TDI, độ nhiễu thấp và QE cao có thể dẫn đến độ nhạy cao hơn đáng kể so với camera quét dòng.
● Có thể đạt được tốc độ đọc rất cao, ví dụ, lên tới 510.000Hz (dòng mỗi giây), đối với hình ảnh rộng 9.072 pixel.
●Chiếu sáng chỉ cần một chiều và không cần trường phẳng hoặc các hiệu chỉnh khác ở chiều thứ hai (được quét). Ngoài ra, thời gian phơi sáng dài hơn so với quét dòng có thể "làm mịn" hiện tượng nhấp nháy do nguồn sáng AC gây ra.
● Có thể chụp ảnh chuyển động mà không bị nhòe, với tốc độ và độ nhạy cao.
●Quét các khu vực rộng lớn có thể nhanh hơn đáng kể so với camera quét khu vực.
● Với phần mềm tiên tiến hoặc thiết lập kích hoạt, chế độ 'giống như quét vùng' có thể cung cấp tổng quan quét vùng để lấy nét và căn chỉnh.
Nhược điểm
● Độ nhiễu vẫn cao hơn so với camera sCMOS thông thường, nghĩa là các ứng dụng chụp ảnh trong điều kiện ánh sáng cực yếu không khả thi.
● Yêu cầu thiết lập chuyên dụng với chức năng kích hoạt nâng cao để đồng bộ hóa chuyển động của chủ thể chụp ảnh với quá trình quét của máy ảnh, khả năng kiểm soát tốc độ chuyển động rất tốt hoặc dự đoán chính xác tốc độ để có thể đồng bộ hóa.
● Là một công nghệ mới, hiện nay có rất ít giải pháp triển khai phần cứng và phần mềm.
sCMOS TDI có khả năng hoạt động trong điều kiện ánh sáng yếu
Trong khi TDI là một kỹ thuật hình ảnh có trước hình ảnh kỹ thuật số và từ lâu đã vượt qua quét dòng về hiệu suất, chỉ trong vài năm gần đây, máy ảnh TDI mới đạt được độ nhạy cần thiết để tiếp cận các ứng dụng ánh sáng yếu mà thông thường sẽ yêu cầu độ nhạy của cấp độ khoa học.máy ảnh sCMOS.
'sCMOS TDI' kết hợp chuyển động điện tích kiểu CCD trên cảm biến với khả năng đọc kiểu sCMOS, với các cảm biến chiếu sáng ngược hiện có. Các máy ảnh TDI dựa trên CCD hoặc CMOS* trước đây có tốc độ đọc chậm hơn đáng kể, số lượng điểm ảnh nhỏ hơn, ít tầng hơn và nhiễu đọc nằm trong khoảng từ 30e đến >100e. Ngược lại, sCMOS TDI như TucsenMáy ảnh Dhyana 9KTDI sCMOScung cấp độ nhiễu đọc là 7,2e-, kết hợp với hiệu suất lượng tử cao hơn thông qua chiếu sáng ngược, cho phép sử dụng TDI trong các ứng dụng có mức độ ánh sáng thấp hơn đáng kể so với trước đây.
Trong nhiều ứng dụng, thời gian phơi sáng dài hơn nhờ quy trình TDI có thể bù đắp cho sự gia tăng nhiễu đọc so với camera quét vùng sCMOS chất lượng cao có nhiễu đọc gần bằng 1e-.
Ứng dụng phổ biến của Camera TDI
Camera TDI được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp, nơi độ chính xác và tốc độ đều quan trọng như nhau:
● Kiểm tra wafer bán dẫn
● Kiểm tra màn hình phẳng (FPD)
● Kiểm tra web (giấy, màng, lá kim loại, hàng dệt)
● Quét X-quang trong chẩn đoán y tế hoặc kiểm tra hành lý
● Quét phiến kính và quét nhiều giếng trong bệnh lý kỹ thuật số
● Hình ảnh siêu phổ trong viễn thám hoặc nông nghiệp
● Kiểm tra PCB và thiết bị điện tử trong dây chuyền SMT
Các ứng dụng này được hưởng lợi từ độ tương phản, tốc độ và độ rõ nét được cải thiện mà hình ảnh TDI mang lại trong những hạn chế của thế giới thực.
Ví dụ: Quét phiến và quét nhiều giếng
Như đã đề cập, một ứng dụng đầy hứa hẹn cho camera sCMOS TDI là các ứng dụng ghép ảnh, bao gồm quét lam kính hoặc quét tấm nhiều giếng. Việc quét các mẫu kính hiển vi huỳnh quang hoặc trường sáng lớn bằng camera vùng 2 chiều dựa trên việc ghép ảnh thành một lưới hình ảnh được tạo thành từ nhiều chuyển động của bệ kính hiển vi XY. Mỗi hình ảnh yêu cầu bệ kính dừng lại, ổn định và sau đó khởi động lại, cùng với bất kỳ độ trễ nào của màn trập lăn. Mặt khác, TDI có thể thu thập hình ảnh trong khi bệ kính đang chuyển động. Hình ảnh sau đó được tạo thành từ một số lượng nhỏ các "dải" dài, mỗi dải bao phủ toàn bộ chiều rộng của mẫu. Điều này có khả năng dẫn đến tốc độ thu thập và thông lượng dữ liệu cao hơn đáng kể trong tất cả các ứng dụng ghép ảnh, tùy thuộc vào điều kiện chụp ảnh.
Tốc độ di chuyển của bệ chụp tỷ lệ nghịch với tổng thời gian phơi sáng của camera TDI, do đó, thời gian phơi sáng ngắn (1-20ms) mang lại sự cải thiện lớn nhất về tốc độ chụp so với camera quét vùng, từ đó có thể giúp giảm tổng thời gian thu nhận hình ảnh đáng kể hoặc thậm chí còn nhiều hơn. Đối với thời gian phơi sáng dài hơn (ví dụ: > 100ms), quét vùng thường có thể giữ được lợi thế về thời gian.
Hình 2 cho thấy một ví dụ về hình ảnh kính hiển vi huỳnh quang cực lớn (2 Gigapixel) được tạo ra chỉ trong mười giây. Hình ảnh tương đương được tạo ra bằng camera quét diện tích có thể mất tới vài phút.
Hình 2: Hình ảnh 2 Gigapixel được tạo ra trong 10 giây thông qua quá trình quét và khâu TDI
GHI CHÚ: Ảnh phóng đại 10 lần thu được bằng Tucsen Dhyana 9kTDI của các chấm bút dạ quang được quan sát bằng kính hiển vi huỳnh quang. Chụp trong 10 giây với thời gian phơi sáng 3,6 ms. Kích thước ảnh: 30mm x 17mm, 58.000 x 34.160 pixel.
Đồng bộ hóa TDI
Việc đồng bộ hóa camera TDI với chủ thể chụp (trong phạm vi vài phần trăm) là rất quan trọng – sự không khớp về vận tốc sẽ dẫn đến hiệu ứng "nhòe chuyển động". Việc đồng bộ hóa này có thể được thực hiện theo hai cách:
Dự đoán: Tốc độ camera được thiết lập để phù hợp với tốc độ chuyển động dựa trên thông tin về tốc độ chuyển động của mẫu, quang học (độ phóng đại) và kích thước điểm ảnh của camera. Hoặc thử nghiệm và sai sót.
Đã kích hoạt: Nhiều bệ kính hiển vi, cổng và các thiết bị khác dùng để di chuyển đối tượng hình ảnh có thể bao gồm bộ mã hóa gửi xung kích hoạt đến máy ảnh ở một khoảng cách di chuyển nhất định. Điều này cho phép bệ kính/cổng và máy ảnh duy trì đồng bộ bất kể tốc độ di chuyển.
Camera TDI so với Camera quét dòng và Camera quét vùng
Sau đây là so sánh giữa TDI với các công nghệ hình ảnh phổ biến khác:
| Tính năng | Camera TDI | Camera quét dòng | Camera quét khu vực |
| Độ nhạy | Rất cao | Trung bình | Thấp đến Trung bình |
| Chất lượng hình ảnh (chuyển động) | Xuất sắc | Tốt | Mờ ở tốc độ cao |
| Yêu cầu chiếu sáng | Thấp | Trung bình | Cao |
| Khả năng tương thích chuyển động | Tuyệt vời (nếu đồng bộ) | Tốt | Nghèo |
| Tốt nhất cho | Tốc độ cao, ánh sáng yếu | Các vật thể chuyển động nhanh | Cảnh tĩnh hoặc chậm |
TDI là lựa chọn rõ ràng khi cảnh quay chuyển động nhanh và mức độ ánh sáng bị hạn chế. Quét dòng có độ nhạy thấp hơn, trong khi quét vùng phù hợp hơn với các thiết lập đơn giản hoặc cố định.
Chọn camera TDI phù hợp
Khi chọn camera TDI, hãy cân nhắc những điều sau:
● Số lượng giai đoạn TDI: Nhiều giai đoạn hơn sẽ làm tăng SNR, nhưng cũng làm tăng chi phí và độ phức tạp.
● Loại cảm biến: sCMOS được ưa chuộng vì tốc độ và độ nhiễu thấp; CCD vẫn có thể phù hợp với một số hệ thống cũ.
● Giao diện: Đảm bảo khả năng tương thích với hệ thống của bạn—Camera Link, CoaXPress và 10GigE là những tùy chọn phổ biến, 100G CoF và 40G CoF đã nổi lên như những xu hướng mới.
● Phản hồi quang phổ: Chọn giữa đơn sắc, màu hoặc cận hồng ngoại (NIR) dựa trên nhu cầu ứng dụng.
● Tùy chọn đồng bộ hóa: Tìm kiếm các tính năng như đầu vào bộ mã hóa hoặc hỗ trợ kích hoạt bên ngoài để căn chỉnh chuyển động tốt hơn.
Nếu ứng dụng của bạn liên quan đến các mẫu sinh học tinh vi, kiểm tra tốc độ cao hoặc môi trường thiếu sáng, thì sCMOS TDI có thể là lựa chọn phù hợp.
Phần kết luận
Camera TDI đại diện cho một bước tiến mạnh mẽ trong công nghệ hình ảnh, đặc biệt là khi được tích hợp trên cảm biến sCMOS. Bằng cách kết hợp đồng bộ hóa chuyển động với tích hợp đa dòng, chúng mang lại độ nhạy sáng và độ rõ nét vượt trội cho các cảnh động, thiếu sáng.
Cho dù bạn đang kiểm tra wafer, quét slide hay thực hiện kiểm tra tốc độ cao, việc hiểu cách TDI hoạt động có thể giúp bạn chọn giải pháp tốt nhất trong sốmáy ảnh khoa họccho những thách thức về hình ảnh của bạn.
Câu hỏi thường gặp
Camera TDI có thể hoạt động ở chế độ quét khu vực không?
Camera TDI có thể tạo ra hình ảnh hai chiều (rất mỏng) ở chế độ "giống như quét vùng", đạt được thông qua kỹ thuật điều chỉnh thời gian cảm biến. Điều này có thể hữu ích cho các tác vụ như lấy nét và căn chỉnh.
Để bắt đầu "phơi sáng quét vùng", trước tiên cảm biến được "xóa" bằng cách tăng TDI ít nhất bằng số bước mà máy ảnh có, càng nhanh càng tốt, sau đó dừng lại. Việc này có thể được thực hiện thông qua điều khiển phần mềm hoặc kích hoạt phần cứng, và lý tưởng nhất là thực hiện trong bóng tối. Ví dụ, một máy ảnh 256 bước cần đọc ít nhất 256 dòng, sau đó dừng lại. 256 dòng dữ liệu này sẽ bị loại bỏ.
Khi camera không được kích hoạt hoặc không đọc các dòng, cảm biến hoạt động giống như cảm biến quét vùng để hiển thị hình ảnh.
Thời gian phơi sáng mong muốn sau đó sẽ trôi qua khi máy ảnh ở chế độ chờ, trước khi tiếp tục di chuyển máy ảnh ít nhất một số bước, đọc từng dòng của hình ảnh vừa chụp được. Một lần nữa, lý tưởng nhất là giai đoạn "đọc" này nên diễn ra trong bóng tối.
Kỹ thuật này có thể được lặp lại để cung cấp 'bản xem trước trực tiếp' hoặc chuỗi hình ảnh quét khu vực với độ méo và mờ tối thiểu từ thao tác TDI.
Công ty TNHH Tucsen Photonics. Bản quyền thuộc về. Vui lòng ghi rõ nguồn khi trích dẫn:www.tucsen.com
