22/07/13Интеграция временной задержки (TDI) — это метод визуализации, появившийся ещё до появления цифровой обработки изображений, но до сих пор обеспечивающий огромные преимущества на переднем крае современной обработки изображений. Камеры TDI могут быть особенно эффективны в двух случаях, когда объект съёмки находится в движении:
1 – Объект съемки по своей природе движется с постоянной скоростью, как при проверке веб-страниц (например, сканировании движущихся листов бумаги, пластика или ткани на предмет дефектов и повреждений), на сборочных линиях или в микрофлюидике и потоках жидкостей.
2 – Статичные объекты, которые можно получить с помощью камеры, перемещаемой из одной области в другую, перемещая либо сам объект, либо камеру. Примеры включают сканирование предметных стекол микроскопа, осмотр материалов, осмотр плоских панелей и т. д.
Если какое-либо из этих обстоятельств применимо к вашей визуализации, эта веб-страница поможет вам рассмотреть вопрос о том, может ли переход с обычных двухмерных камер «зонального сканирования» на камеры линейного сканирования TDI повысить качество вашей визуализации.
Проблема с зонным сканированием и движущимися целями
● Размытие движения
Некоторые объекты съёмки находятся в движении по необходимости, например, при контроле потока жидкости или полотна. В других приложениях, таких как сканирование слайдов и контроль материалов, поддержание движения объекта может быть значительно быстрее и эффективнее, чем остановка движения для каждого полученного изображения. Однако для камер с зонным сканированием, если объект съёмки движется относительно камеры, это может представлять собой проблему.
Размытость изображения движущегося транспортного средства
В условиях ограниченной освещённости или при необходимости получения высококачественных изображений может потребоваться длительная выдержка камеры. Однако движение объекта во время экспозиции рассеивает свет на несколько пикселей камеры, что приводит к «размытию движения». Это можно минимизировать, используя очень короткие выдержки — меньше времени, необходимого точке объекта для прохождения пикселя камеры. Этоunобычно за счет темных, шумных, часто непригодных для использования изображений.
●Сшивание
Кроме того, для получения изображений крупных или непрерывных объектов с помощью камер с зональным сканированием обычно требуется получение нескольких изображений, которые затем сшиваются. Такое сшивание приводит к перекрытию пикселей на соседних изображениях, что снижает эффективность и увеличивает требования к хранению и обработке данных.
●Неравномерное освещение
Более того, равномерность освещения редко бывает достаточной для предотвращения проблем и артефактов на границах сшитых изображений. Кроме того, для обеспечения достаточной интенсивности освещения большой площади для камеры с зонным сканированием часто требуется использование мощных и дорогостоящих источников постоянного тока.
Неравномерное освещение при сшивании многокадрового изображения мозга мыши. Изображение из работы Уотсона и др. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Что такое камера TDI и чем она полезна?
В обычных двумерных камерах с зональным сканированием процесс получения изображения состоит из трёх этапов: сброс пикселей, экспозиция и считывание. Во время экспозиции фотоны из сцены детектируются, что приводит к образованию фотоэлектронов, которые сохраняются в пикселях камеры до окончания экспозиции. Затем значения каждого пикселя считываются, и формируется двумерное изображение. После этого пиксели сбрасываются, и все заряды сбрасываются для начала следующей экспозиции.
Однако, как уже упоминалось, если объект съёмки движется относительно камеры, свет от него может рассеиваться по нескольким пикселям во время экспозиции, что приводит к размытию движения. Камеры TDI преодолевают это ограничение с помощью инновационной технологии. Это показано в [Анимация 1].
●Как работают камеры TDI
Камеры TDI работают принципиально иначе, чем камеры с зонным сканированием. По мере того, как объект съемки перемещается по камере во время экспозиции, электронные заряды, составляющие полученное изображение, также перемещаются, оставаясь синхронизированными. Во время экспозиции камеры TDI способны перемещать все полученные заряды из одного ряда пикселей в другой вдоль камеры, синхронизируясь с движением объекта съемки. По мере перемещения объекта по камере каждый ряд (известный как «TDI-платформа») предоставляет новую возможность экспонировать объект и накапливать сигнал.
Только после того, как ряд полученных зарядов достигает конца камеры, значения считываются и сохраняются в виде одномерного среза изображения. Двумерное изображение формируется путём склеивания каждого последующего среза изображения по мере считывания их камерой. Каждая строка пикселей в результирующем изображении отслеживает и отображает один и тот же «срез» объекта съёмки, что обеспечивает отсутствие размытия, несмотря на движение.
●В 256 раз более длинная экспозиция
В камерах TDI эффективное время экспозиции изображения определяется полным временем, необходимым точке объекта для прохождения каждой строки пикселей. Некоторые камеры TDI поддерживают до 256 стадий. Это означает, что доступное время экспозиции фактически в 256 раз больше, чем у камеры с зонным сканированием.
Это может обеспечить одно из двух улучшений или их баланс. Во-первых, можно добиться значительного повышения скорости съемки. По сравнению с камерой с зонным сканированием, объект съемки может двигаться до 256 раз быстрее, сохраняя при этом тот же объем сигнала, при условии, что скорость передачи данных камеры достаточно высока.
С другой стороны, если требуется более высокая чувствительность, более длительное время экспозиции может обеспечить гораздо более высокое качество изображений, меньшую интенсивность освещения или и то, и другое.
●Большая пропускная способность данных без сшивания
Поскольку камера TDI формирует двумерное изображение из последовательных одномерных срезов, результирующее изображение может быть любого размера. Количество пикселей по горизонтали определяется шириной камеры, например, 9072 пикселя, а размер изображения по вертикали не ограничен и определяется длительностью работы камеры. Благодаря частоте обновления до 510 кГц это обеспечивает высокую пропускную способность.
В сочетании с этим камеры TDI могут обеспечивать очень широкое поле зрения. Например, камера с разрешением 9072 пикселя и размером пикселя 5 мкм обеспечивает горизонтальное поле зрения 45 мм с высоким разрешением. Для достижения той же ширины изображения с помощью камеры с пикселем 5 мкм потребуется установить до трёх 4K-камер рядом друг с другом.
●Улучшения по сравнению с камерами со строчной разверткой
Камеры TDI не просто предлагают улучшения по сравнению с камерами с зонной разверткой. Линейные камеры, которые захватывают только одну строку пикселей, также страдают от многих проблем с интенсивностью освещения и короткими выдержками, характерных для камер с зонной разверткой.
Хотя, как и камеры TDI, камеры со строчной развёрткой обеспечивают более равномерное освещение при более простой настройке и не требуют сшивания изображений, для получения достаточного сигнала для получения высококачественного изображения им часто требуется очень интенсивное освещение и/или медленное движение объекта. Более длительная выдержка и более высокая скорость движения объекта, обеспечиваемые камерами TDI, позволяют использовать менее интенсивное и экономичное освещение, одновременно повышая эффективность изображения. Например, производственная линия может перейти от дорогостоящих и энергоёмких галогенных светильников, требующих постоянного тока, к светодиодному освещению.
Как работают камеры TDI?
Существует три распространенных стандарта получения изображений TDI на датчике камеры.
● ПЗС-ТДИ– ПЗС-камеры – старейший тип цифровых камер. Благодаря своей электронной конструкции, реализовать режим TDI на ПЗС сравнительно просто, и многие сенсоры камер изначально способны работать таким образом. Поэтому ПЗС-камеры с TDI используются уже несколько десятилетий.
Однако технология ПЗС имеет свои ограничения. Наименьший размер пикселя, обычно доступный для ПЗС-камер TDI, составляет около 12 мкм x 12 мкм – это, наряду с малым количеством пикселей, ограничивает возможности камер по разрешению мелких деталей. Более того, скорость получения данных ниже, чем у других технологий, а шум считывания – основной ограничивающий фактор при съёмке в условиях низкой освещённости – высок. Потребление энергии также велико, что является существенным фактором в некоторых приложениях. Это привело к созданию камер TDI на базе архитектуры КМОП.
●Ранние КМОП TDI: суммирование в области напряжения и цифровое суммирование
КМОП-камеры преодолевают многие ограничения ПЗС-камер по шуму и скорости, потребляя при этом меньше энергии и предлагая меньшие размеры пикселей. Однако добиться эффекта TDI на КМОП-камерах было гораздо сложнее из-за особенностей конструкции пикселей. В то время как ПЗС-камеры физически перемещают фотоэлектроны от пикселя к пикселю для управления сенсором, КМОП-камеры преобразуют сигналы фотоэлектронов в напряжение в каждом пикселе перед считыванием.
Поведение TDI на КМОП-сенсоре изучается с 2001 года, однако проблема управления «накоплением» сигнала при переходе экспозиции от одной строки к другой была значительной. Два ранних метода КМОП TDI, которые до сих пор используются в коммерческих камерах, — это накопление в области напряжения и цифровое суммирование TDI КМОП. В камерах с накоплением в области напряжения, поскольку каждая строка сигнала регистрируется при перемещении объекта съемки, полученное напряжение электронным способом добавляется к общему значению захвата для этой части изображения. Накопление напряжений таким образом вносит дополнительный шум для каждой дополнительной ступени TDI, что ограничивает преимущества дополнительных ступеней. Проблемы с линейностью также затрудняют использование этих камер для точных приложений.
Второй метод — цифровое суммирование TDI. При этом КМОП-камера фактически работает в режиме сканирования области с очень короткой выдержкой, соответствующей времени, необходимому объекту съемки для прохождения одной строки пикселей. Однако строки каждого последующего кадра суммируются цифровым способом, создавая эффект TDI. Поскольку для каждой строки пикселей результирующего изображения необходимо считывать данные со всей камеры, это цифровое суммирование также добавляет шум считывания для каждой строки и ограничивает скорость получения данных.
●Современный стандарт: зарядово-доменный TDI CMOS или CCD-на-CMOS TDI
Вышеуказанные ограничения КМОП-TDI были недавно преодолены благодаря внедрению КМОП-TDI с накоплением зарядовых доменов, также известной как ПЗС-на-КМОП-TDI. Работа этих сенсоров продемонстрирована в [Анимация 1]. Как следует из названия, эти сенсоры обеспечивают перемещение зарядов от одного пикселя к другому, подобно ПЗС, накапливая сигнал на каждом этапе TDI посредством добавления фотоэлектронов на уровне отдельных зарядов. Это фактически обеспечивает отсутствие шумов. Однако ограничения ПЗС-TDI преодолеваются благодаря использованию архитектуры считывания КМОП, что обеспечивает высокую скорость, низкий уровень шума и низкое энергопотребление, характерные для КМОП-камер.
Характеристики TDI: что важно?
●Технология:Наиболее важным фактором является используемая технология сенсора, как обсуждалось выше. Наилучшую производительность обеспечит КМОП-транзистор с зарядовой областью (TDI).
●Этапы TDI:Это количество рядов матрицы, по которым может накапливаться сигнал. Чем больше ступеней TDI у камеры, тем больше может быть её эффективное время экспозиции. Или тем быстрее может двигаться объект съёмки, при условии, что камера обеспечивает достаточную скорость передачи строк.
●Скорость линии:Количество строк, которые камера может считывать в секунду. Это определяет максимальную скорость движения, которую камера может отслеживать.
●Квантовая эффективность: Это отражает чувствительность камеры к свету на различных длинах волн, определяемую вероятностью обнаружения падающего фотона и образования фотоэлектрона. Более высокая квантовая эффективность может обеспечить меньшую интенсивность освещения или более высокую скорость работы при сохранении того же уровня сигнала.
Кроме того, камеры различаются по диапазону длин волн, в котором можно достичь хорошей чувствительности, при этом некоторые камеры обеспечивают чувствительность вплоть до ультрафиолетового (УФ) конца спектра, около длины волны 200 нм.
●Прочитать шум:Шум чтения — ещё один важный фактор чувствительности камеры, определяющий минимальный уровень сигнала, который может быть обнаружен на фоне шума камеры. Высокий уровень шума чтения приводит к невозможности обнаружения тёмных объектов и значительному сужению динамического диапазона, что требует более яркого освещения или более длительной экспозиции, а также более медленного движения.
Характеристики TDI: что важно?
В настоящее время камеры TDI используются для проверки веб-страниц, электронного и производственного контроля, а также для других задач машинного зрения. Кроме того, они используются в сложных условиях слабого освещения, таких как флуоресцентная съемка и сканирование слайдов.
Однако с появлением высокоскоростных, малошумящих и высокочувствительных TDI CMOS-камер появился огромный потенциал для повышения скорости и эффективности в новых приложениях, где ранее использовались только камеры с зонным сканированием. Как мы уже упоминали в начале статьи, TDI-камеры могут стать оптимальным выбором для достижения высокой скорости и высокого качества изображения как при съёмке постоянно движущихся объектов, так и в случаях, когда камера может сканировать статичные объекты.
Например, в микроскопии можно сравнить теоретическую скорость получения изображения 9K-пиксельной TDI-камеры с 256 предметными столиками и размером пикселя 5 мкм с 12-мегапиксельной камерой с функцией сканирования области и размером пикселя 5 мкм. Рассмотрим получение изображения области размером 10 x 10 мм с 20-кратным увеличением посредством перемещения предметного столика.
1. Использование 20-кратного объектива с камерой зонального сканирования обеспечит поле зрения размером 1,02 x 0,77 мм.
2. При использовании камеры TDI можно использовать 10-кратный объектив с 2-кратным дополнительным увеличением, чтобы преодолеть любые ограничения в поле зрения микроскопа и обеспечить горизонтальное поле зрения размером 2,3 мм.
3. Предполагая, что для сшивания используется 2%-ное перекрытие пикселей между изображениями, перемещение предметного столика в заданное положение занимает 0,5 секунды, а время экспозиции — 10 мс, мы можем рассчитать время, которое потребуется камере для сканирования области. Аналогичным образом, мы можем рассчитать время, которое потребуется камере TDI, если предметный столик постоянно движется для сканирования в направлении Y, с тем же временем экспозиции на строку.
4. В этом случае камера с зонным сканированием потребовала бы получения 140 изображений, при этом перемещение предметного столика заняло бы 63 секунды. Камера с TDI получила бы всего 5 длинных изображений, при этом перемещение предметного столика к следующему столбцу заняло бы всего 2 секунды.
5. Общее время, затраченное на получение области размером 10 x 10 мм, составит64,4 секунды для камеры зонального сканирования,и просто9,9 секунды для камеры TDI.
Если вы хотите узнать, подойдет ли камера TDI для вашего применения и удовлетворит ли вашим потребностям, свяжитесь с нами сегодня.
