利用線掃描TDI加速光限製成像

時延積分 (TDI) 是一種早於數位成像技術的成像技術，但即使在今天，它在成像技術領域仍然具有巨大的優勢。 TDI 相機在兩種情況下能夠發揮其優勢——這兩種情況都發生在被攝對象處於運動狀態時：

1 – 成像物件本質上是以恆定速度運動的，例如在捲材檢測（例如掃描移動的紙張、塑膠或織物以檢查缺陷和損壞）、裝配線或微流體和流體流動中。

2 – 靜態成像對象，可透過移動相機在不同區域進行成像，移動方式可以是移動被攝對象本身，也可以是移動相機。例如顯微鏡載玻片掃描、材料檢測、平板檢測等。

如果上述兩種情況中的任何一種適用於您的影像，本網頁將協助您考慮從傳統的二維「面掃描」相機切換到線掃描 TDI 相機是否可以提升您的成像效果。

區域掃描和移動目標的問題

● 動態模糊

有些成像對象由於自身特性必須處於運動狀態，例如流體流動或捲材檢測。在其他應用中，例如幻燈片掃描和材料檢測，保持成像對象運動狀態比每次採集影像時停止運動要快得多、效率也高得多。然而，對於面陣掃描相機而言，如果成像物件相對於相機處於運動狀態，則會帶來挑戰。

運動模糊會扭曲移動車輛的影像。

在光線不足或需要高影像品質的情況下，可能需要較長的相機曝光時間。然而，被攝物體的運動會在曝光期間將光線分散到多個相機像素上，導致「運動模糊」。可以透過將曝光時間控制在非常短的範圍內——短到被攝物體上的一個點穿過一個相機像素所需的時間——來最大限度地減少運動模糊。這就是…un通常以產生昏暗、雜訊多、往往無法使用的影像為代價。

●縫紉

此外，使用面陣掃描相機對大型或連續成像物件進行成像通常需要擷取多張影像，然後將它們拼接在一起。這種拼接過程需要在相鄰影像之間產生像素重疊，從而降低效率並增加資料儲存和處理需求。

●光照不均

此外，照明通常難以均勻，難以避免拼接影像邊界處出現問題和偽影。而且，要為面陣掃描相機提供足夠強度的、覆蓋足夠大面積的照明，通常需要使用高功率、高成本的直流光源。

小鼠腦部多張影像拼接時光照不均勻。 圖片來自 Watson 等人 2017 年的研究：http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486

什麼是TDI相機？它有什麼作用？

在傳統的二維面掃描相機中，影像擷取分為三個階段：像素重置、曝光和讀出。曝光期間，相機偵測場景中的光子，產生光電子，這些光電子儲存在相機像素中，直到曝光結束。然後，相機讀取每個像素的值，形成二維影像。之後，像素重置，所有電荷被清除，以便開始下一次曝光。

然而，如前所述，如果成像物件相對於相機移動，則來自物件的光線在曝光期間可能會擴散到多個像素上，從而導致運動模糊。 TDI 相機採用創新技術克服了這項限制。這在[動畫 1]中進行了演示。

●TDI攝影機的工作原理

TDI相機的工作原理與臉部掃描相機截然不同。在曝光過程中，當成像物件在相機上移動時，構成所擷取影像的電子電荷也會隨之移動，並保持同步。曝光期間，TDI相機能夠將所有擷取到的電荷從一行像素移動到下一行，與成像物件的移動同步。當物件在相機上移動時，每一行像素（稱為「TDI階段」）都提供了一個新的曝光機會，使相機能夠再次接觸到物件並累積訊號。

只有當採集到的電荷行到達相機末端時，才會讀取其值並將其儲存為影像的一維切片。二維影像是透過將相機讀取的每個連續影像切片拼接在一起而形成的。最終影像中的每一行像素都會追蹤並成像成像物件的相同“切片”，這意味著即使物體運動，影像也不會模糊。

●256倍延長曝光

對於TDI相機，影像的有效曝光時間取決於被攝體上一個點遍歷每一行像素所需的時間，某些TDI相機最多可提供256個階段。這意味著其有效曝光時間是面陣掃描相機的256倍。

這可以帶來兩種改進中的一種，或者兩者兼顧。首先，成像速度可以顯著提升。與面陣掃描相機相比，只要相機的線速率夠快，被攝物體的移動速度可以提高至256倍，同時仍能捕捉相同數量的訊號。

另一方面，如果需要更高的靈敏度，更長的曝光時間可以實現更高品質的影像、更低的照明強度，或者兩者兼而有之。

●無需拼接即可實現大數據吞吐量

由於TDI相機透過連續的一維切片產生二維影像，因此產生的影像大小可以根據需要任意調整。水平方向的像素數量由相機的寬度決定，例如9072像素，而垂直方向的影像尺寸則不受限制，僅取決於相機的運行時間。憑藉高達510kHz的線路速率，這可以實現海量的資料吞吐量。

此外，TDI 相機還能提供非常寬廣的視野角。例如，一台 9072 像素、5µm 像素的相機，可提供 45mm 的水平視野角，並具有高解析度。而要用 5µm 像素的面陣掃描相機達到相同的成像寬度，則需要並排安裝多達三台 4K 相機。

●線掃描相機的改進

TDI相機不僅比面陣掃描相機有所改進。線陣掃描相機只能捕捉單行像素，因此也存在與面陣掃描相機相同的照明強度和短曝光問題。

雖然與TDI相機類似，線掃描相機也能提供更均勻的照明，設定更簡單，並且無需影像拼接，但它們通常需要非常強的照明和/或緩慢的被攝體移動才能捕捉到足夠的訊號以獲得高品質影像。 TDI相機能夠實現更長的曝光時間和更快的被攝體移動速度，這意味著可以使用強度更低、成本更低的照明，同時提高成像效率。例如，生產線可以不再使用成本高、功耗大且需要直流電源的滷素燈，而是改用LED照明。

TDI攝影機的工作原理是什麼？

在相機感光元件上實現 TDI 成像有三種常見標準。

● CCD TDICCD相機是最古老的數位相機類型。由於其電子結構設計，在CCD上實現TDI特性相對容易，許多相機感測器本身就具備這種工作方式。因此，TDI CCD已經使用了幾十年。

然而，CCD技術也存在局限性。 CCD TDI相機常用的最小像素尺寸約為12µm x 12µm——這以及較低的像素數量限制了相機分辨精細細節的能力。此外，其擷取速度低於其他技術，而讀取雜訊（低光成像的主要限制因素）較高。功耗也較高，這在某些應用中是一個重要因素。因此，人們希望開發基於CMOS架構的TDI相機。

●早期CMOS TDI：電壓域和數字求和

CMOS相機克服了CCD相機在雜訊和速度方面的諸多限制，同時功耗更低，像素尺寸更小。然而，由於像素設計的原因，CMOS相機更難實現TDI特性。 CCD相機透過在像素間物理移動光電子來控制感測器，而CMOS相機則是在讀出之前，將光電子訊號轉換為每個像素的電壓。

自2001年以來，人們就開始研究CMOS感測器上的TDI特性，然而，如何處理曝光過程中訊號從一行到下一行的「累積」問題一直是個難題。目前商用攝影機中仍沿用的兩種早期CMOS TDI方法是電壓域累積和數位求和TDI CMOS。在電壓域累積相機中，當成像物件移動經過時，每採集一行訊號，所擷取的電壓都會以電子方式添加到該部分影像的總擷取電壓中。這種電壓累積方式會因增加TDI級數而引入額外的噪聲，從而限制了額外級數帶來的優勢。此外，線性度問題也限制了這些相機在精密應用上的使用。

第二種方法是數字求和TDI。在這種方法中，CMOS相機實際上以面掃描模式運行，曝光時間極短，剛好與成像物件移動過一行像素所需的時間相符。但是，將連續幀的各行像素進行數位疊加，從而實現TDI效果。由於最終影像中每一行像素都需要讀取整個相機，因此這種數位疊加也會增加每一行的讀取噪聲，從而限制了擷取速度。

●現代標準：電荷域TDI CMOS，或CCD-on-CMOS TDI

上述CMOS TDI的限制最近透過引入電荷域累積TDI CMOS（也稱為CCD-on-CMOS TDI）得以克服。這些感測器的工作原理在[動畫1]中進行了演示。顧名思義，這些感測器能夠實現類似CCD的電荷在像素間的移動，並在每個TDI階段透過在單一電荷層面上添加光電子來累積訊號。這種方法幾乎無雜訊。然而，透過使用CMOS讀出架構，可以克服CCD TDI的局限性，從而實現CMOS相機常見的高速、低雜訊和低功耗特性。