Камеры с режимом TDI обычно используются в двух условиях, когда сюжет съёмки находится в движении:
1. Объект съемки находится в движении с постоянной скоростью, например при дефектоскопии полотна (сканирование движущихся листов бумаги, пластика или ткани на наличие дефектов и повреждений), задач инспекции на сборочных линиях, при исследовании микрожидкостей и потоков жидкости.
2. В условиях съёмки статичных объектов камерой, перемещаемой из области в область, либо при перемещении объекта к камере. Примерами могут служить микроскопия, контроль материалов, плоских панелей и т.д.
В случае, если Вам необходимо выполнять съёмку в подобных условиях, эта статья поможет вам определиться, сможет ли переход с обычных 2-мерных камер со строчно-кадровой развёрткой на камеры линейного сканирования с режимом TDI улучшить качество получаемых изображений.
Сложности при пространственном сканировании объектов в движении
- Размытость объектов при движении
Рис.1 Искажение при съёмке движущегося объекта: размытость изображения транспортного средства
В условиях недостаточного освещения и когда требуется высокое качество изображения обычно используется длительное время экспозиции камеры. В таком случае движение объекта будет рассеивать свет на несколько пикселей камеры во время экспозиции, что приведет к "размытости изображения движущегося объекта". Негативных последствий можно избежать, используя очень короткую экспозицию со значением меньшим, чем время необходимое для перемещения точки на объекте на соседний пиксель камеры. Но это приводит к получению темных, шумных, чаще всего непригодных для дальнейшего использования изображений.
- Сшивка изображений
- Неравномерное освещение
Рис.2 Неравномерное освещение при сшивании нескольких изображений мозга мыши.
Режим TDI и принцип его работы
В типовых камерах со строчно-кадровой развёрткой получение изображения происходит в три этапа: сброс пикселей, экспозиция и считывание. Во время экспозиции регистрируются фотоны, в результате чего образуются фотоэлектроны, которые сохраняются в пикселях камеры до окончания экспозиции. Затем считываются значения из каждого пикселя и формируется 2D-изображение. Затем пиксели сбрасываются, и все заряды снимаются, чтобы начать следующую экспозицию.
Однако, как уже упоминалось ранее, если объект съемки движется относительно камеры, фотоны от объекта могут распространяться на несколько пикселей во время текущей экспозиции, что приводит к размытости объекта на изображении. Камеры с режимом TDI преодолевают это ограничение с помощью инновационной технологии.
- Принцип работы камеры с режимом TDI
Камеры с режимом TDI работают принципиально иначе, чем камеры со строчно-кадровой развёрткой. Когда объект съемки перемещается относительно камеры во время экспозиции, электронные заряды, составляющие полученное изображение, тоже синхронно перемещаются. Во время экспозиции камеры с режимом TDI способны перемещать все полученные заряды из одного ряда пикселей в следующий вдоль камеры, синхронизируясь с движением объекта съемки. Когда объект перемещается относительно камеры, каждый ряд (так называемый "этап TDI") позволяет заново направить камеру на объект и накапливать сигнал.
Значения считываются и сохраняются в виде одномерного фрагмента изображения только когда ряд полученных зарядов достигает конца матрицы камеры. Двумерное изображение формируется путем сшивки каждого последующего фрагмента изображения по мере их считывания камерой. Каждый ряд пикселей в результирующем изображении отслеживает и запечатлевает один и тот же "срез" объекта съемки, соответственно размытие при движении отсутствует.
- 256-кратное увеличение экспозиции
В камерах с режимом TDI эффективное время экспозиции при формировании изображения определяется как общее время, необходимое точке на объекте для прохождения каждого ряда пикселей, при этом в некоторых камерах с режимом TDI доступно до 256 этапов. Это означает, что в таких камерах время экспозиции фактически в 256 раз больше, чем может обеспечить камера со строчно-кадровой развёрткой.
Это позволяет достигнуть значительного повышения скорости обработки изображений: в сравнении с камерой со строчно-кадровой развёрткой объект съемки может перемещаться в 256 раз быстрее при сохранении того же уровня сигнала, но при условии, что линейная скорость камеры достаточно высока.
Либо, когда требуется большая чувствительность, более длительное время экспозиции обеспечивает более высокое качество изображений, а также возможность использования освещения меньшей интенсивности. Возможно и сбалансированное использование данных факторов.
- Большая пропускная способность данных без сшивания
Поскольку камера с режимом TDI создает двумерное изображение из последовательных одномерных фрагментов, возможно регулировать размер результирующего изображения. Количество пикселей в "горизонтальном" направлении определяется шириной камеры, например 9072 пикселя, а "вертикальный" размер изображения не ограничен и определяется продолжительностью работы камеры. При линейной частоте до 510 кГц это обеспечивает огромную скорость передачи данных.
Камеры с режимом TDI могут обеспечивать очень широкое поле обзора. Например, камера с разрешением 9072 пикселя и размером пикселя 5 мкм обеспечивает горизонтальную зону контроля 45 мм с высоким разрешением. Для достижения такой же зоны контроля с помощью камеры со строчно-кадровой развёрткой и размером пикселя 5 мкм потребуется до трех камер разрешением 4K, расположенных в ряд.
- Преимущества перед камерами линейного сканирования
Камеры с режимом TDI имеют преимущества не только перед камерами со строчно-кадровой развёрткой, но и перед камерами линейного сканирования, которые захватывают только одну строку пикселей и также подвержены влиянию негативных факторов, связанных с интенсивностью освещения и короткими выдержками.
Хотя, как и камеры с режимом TDI, камеры линейного сканирования обеспечивают более равномерное освещение при относительно простой настройке и избавляют от необходимости сшивания изображений, им всё же может потребоваться высокая интенсивность освещения и/или медленное перемещение объекта, чтобы получить достаточное количество сигнала для формирования изображения высокого качества. Более длительная экспозиция и более высокая скорость съемки объектов, которые обеспечивают камеры с технологией TDI, позволяют использовать освещение меньшей интенсивности и с меньшими затратами при одновременном повышении эффективности обработки изображений. Например, производственная линия может перейти от дорогостоящих галогенных ламп с высоким энергопотреблением, требующих питания постоянным током, к светодиодному освещению.
Как работают камеры с режимом TDI?
- Существует три главных метода формирования изображения с помощью режима TDI на сенсоре камеры.CCD TDI
Реализован на ПЗС-камерах, которые являются старейшим типом цифровых камер. Благодаря конструкции ПЗС-матрицы сформировать изображение с использованием TDI относительно просто, поскольку большинство таких матриц изначально способно работать в таком режиме. Таким образом, ПЗС-матрицы с технологией TDI используются уже несколько десятилетий.
Однако технология ПЗС имеет свои ограничения. Наименьший размер пикселя, обычно доступный для камер ПЗС с технологией TDI, составляет около 12 мкм x 12 мкм, что вместе с небольшим количеством пикселей, ограничивает возможности камер по разрешению при контроле мелких деталей. Более того, скорость получения данных ниже, в то время как шум считывания – основной ограничивающий фактор при съемке в условиях низкой освещенности – достаточно высок. В некоторых ситуациях ключевым фактором может оказаться их высокое энергопотребление. Всё это привело к созданию камер с технологией TDI на основе архитектуры CMOS.
- Ранние CMOS TDI: зависимость от напряжения и цифровое суммирование
В CMOS-камерах отсутствуют многие ограничения по шуму и скорости, присущие ПЗС-камерам, при этом потребляется меньше энергии и используются меньшие размеры пикселей. Однако использование технологии TDI на CMOS-камерах гораздо сложнее из-за пиксельной конструкции. В то время как ПЗС-матрицы физически перемещают фотоэлектроны от пикселя к пикселю, чтобы управлять сенсором, CMOS-камеры преобразуют сигналы в фотоэлектронах в напряжения в каждом пикселе перед считыванием.
Режим TDI на CMOS-сенсоре пытались реализовать с 2001 года, однако возникли серьёзные затруднения с "накоплением" сигнала при переходе экспозиции от одного ряда к следующему. Два ранних метода TDI на CMOS все еще используются в коммерческих камерах, — это накопление в области напряжений и цифровое суммирование TDI CMOS. В камерах с накоплением данных в области напряжений по мере движения объекта съемки регистрируется каждый ряд сигналов и полученное напряжение электронным способом суммируется с общим количеством полученных данных для этой части изображения. Таким образом накопление напряжений создает дополнительный шум для каждого последующего дополнительного каскада TDI, ограничивая преимущества от использования дополнительных каскадов. Проблемы с линейностью также затрудняют использование этих камер для высокоточных областей.
Второй метод - цифровое суммирование TDI. В этом случае CMOS-камера эффективно работает в режиме сканирования области с очень короткой экспозицией, соответствующей времени, затрачиваемому на перемещение объекта съемки по одному ряду пикселей. Но строки из каждого последующего кадра суммируются в цифровом виде таким образом, что достигается эффект TDI. Поскольку в результирующем изображении данные всей камеры должны считываться для каждого ряда пикселей, это цифровое суммирование также увеличивает шум считывания для каждой строки и ограничивает скорость получения изображения.
- Современный стандарт: TDI CMOS с зарядовой областью или CCD-on-CMOS TDI
Описанные выше ограничения CMOS TDI были недавно преодолены благодаря внедрению CMOS TDI с накоплением заряда в домене, также известного как CCD-on-CMOS TDI. Подобные сенсоры обеспечивают аналогичное ПЗС -матрицам перемещение зарядов от одного пикселя к другому, накапливая сигнал на каждом этапе TDI за счет добавления фотоэлектронов на уровне отдельных зарядов. Это обеспечивает эффективное отсутствие шума. К тому же преодолеваются ограничения ПЗС-матриц за счет использования технологии CMOS, которая обеспечивает высокую скорость, низкий уровень шума и низкое энергопотребление.
Ключевые характеристики режима TDI
- Технология: наиболее важным фактором является технология производства сенсора. Как уже упоминалось ранее CCD-on-CMOS обеспечивает наилучшую производительность.
- Этапы TDI: количество рядов сенсора, по которым может накапливаться сигнал. Чем больше этапов TDI у камеры, тем длиннее эффективное время экспозиции. Соответственно, тем быстрее может двигаться объект съемки, при условии, что камера имеет достаточную линейную скорость съемки.
- Скорость чтения строк: сколько строк камера может считывать в секунду. Это определяет максимальную скорость перемещения объекта, которую может отслеживать камера.
- Квантовая эффективность: чувствительность камеры к свету на разных длинах волн, которая определяется вероятностью обнаружения падающего фотона и образования фотоэлектрона. Более высокая квантовая эффективность может обеспечить использование освещения меньшей интенсивности или более быструю работу при сохранении уровня сигнала. Кроме того, камеры различаются по диапазону длин волн, в котором может быть достигнута хорошая чувствительность, причем некоторые камеры обеспечивают чувствительность вплоть до ультрафиолетовой части спектра, на длине волны около 200 нм.
- Шум считывания является ещё одним важным фактором чувствительности камеры, определяющим минимальный уровень сигнала, который может быть обнаружен при превышении уровня шума камеры. При высоком уровне шума темные элементы не будут обнаружены, а динамический диапазон сильно сокращается, что приводит к необходимости использования более яркого освещения, увеличения времени экспозиции или снижения скорости движения объекта контроля.
Возможности TDI в сравнении с другими технологиями
В настоящее время камеры с режимом TDI используются преимущественно для инспекции полотна, контроля электронной техники и производственного контроля, а также в ряде других приложений с использованием машинного зрения. Но в то же время они используются и для съёмки в сложных условиях низкой освещенности, таких как получение флуоресцентных изображений или в микроскопии.
С появлением высокоскоростных, малошумящих и высокочувствительных TDI CMOS-камер образовался потенциал для их использования в новых областях, в которых ранее использовались только камеры со строчно-кадровой развёрткой. Как уже упоминалось ранее, камеры с режимом TDI могут стать отличным выбором для достижения высоких скоростей съемки и высокого качества изображения как при съемке объектов в постоянном движении, так и для случаев, когда камера снимает статичные объекты.
В качестве примера сравним теоретическую скорость получения изображения камерой с режимом TDI, разрешением 9К пикселей и 256 этапами TDI с 12-мегапиксельной камерой со строчно-кадровой развёрткой при использовании в микроскопии. Рассмотрим получение области размером 10 х 10 мм с 20-кратным увеличением путем перемещения сцены.
- Использование камеры со строчно-кадровой развёрткой и объектива с 20-кратным зумом обеспечит поле зрения размером 1,02 x 0,77 мм.
- При использовании камеры с режимом TDI можно использовать объектив с 10-кратным зумом и дополнительным 2-кратным зумом для преодоления любых ограничений микроскопа и обеспечить горизонтальное поле обзора 2,3 мм.
- Предполагая, что перекрытие изображений в пикселях составляет 2% для сшивания, 0,5 секунды для перемещения сцены в заданное местоположение и время экспозиции 10 мс, мы можем рассчитать время, которое потребуется камере со строчно-кадровой развёрткой. Аналогично, мы можем рассчитать время, которое потребовалось бы камере с режимом TDI, если бы сцена находилась в постоянном движении для сканирования в направлении Y, с одинаковым временем экспозиции на строку.
- В этом случае камере со строчно-кадровой развёрткой потребовалось бы получить 140 изображений, при этом на перемещение сцены ушло бы 63 секунды. Камера TDI получила бы всего 5 длинных изображений, потратив всего 2 секунды на перемещение сцены к следующему столбцу.
- Общее время, затраченное на получение изображения размером 10 x 10 мм, составило бы 64,4 секунды для камеры со строчно-кадровой развёрткой и всего 9,9 секунды для камеры с режимом TDI.
Для получения дополнительной информации по условиям поставки продукции пишите нам на почту info@npk-photonica.ru или звоните по номеру +7 (812) 209-20-20.
