22/06/15Η λήψη φωτός εκτός εστίασης αποτελεί πρόκληση για την επίτευξη καθαρών εικόνων υψηλής αντίθεσης σε πολλές εφαρμογές απεικόνισης. Η Ψηφιακή Μικροσκοπία Σαρωμένου Φωτεινού Φύλλου (DSLM) προσφέρει έναν ισχυρό τρόπο μείωσης της λήψης φωτός εκτός εστίασης μέσω του συγχρονισμού του φωτισμού με το «κυλιόμενο κλείστρο» των σύγχρονων καμερών CMOS. Ωστόσο, αυτός ο ακριβής συγχρονισμός απαιτεί πλήρη έλεγχο της λειτουργίας του κυλιόμενου κλείστρου της κάμερας - μια λειτουργία που προσφέρεται από τις κάμερες Tucsen με Λειτουργία Ελέγχου Κυλιόμενου Κλείστρου.
Τι είναι το ρολό;
Το κλείστρο είναι το μέρος της κάμερας που ξεκινά και σταματά την έκθεση της κάμερας στο φως. Παλαιότερα, οι επιστημονικές κάμερες χρησιμοποιούσαν μηχανικά κλείστρα, τα οποία άνοιγαν για να εκθέσουν μια εικόνα και έκλειναν για να τερματίσουν την έκθεση. Τα μηχανικά κλείστρα ήταν αργά και υπόκεινταν σε προβλήματα αξιοπιστίας με την εκτεταμένη χρήση. Τώρα, οι επιστημονικές κάμερες χρησιμοποιούν ηλεκτρονικά κλείστρα, τα οποία είναι σημαντικά ταχύτερα, απλούστερα και πιο ευέλικτα.
Οι κάμερες με ρολό κλείστρου ξεκινούν τη λήψη τους από την κορυφή του αισθητήρα και «κυλιούνται» γραμμή προς τα κάτω, γραμμή προς το κάτω μέρος του αισθητήρα. Αυτή η λήψη περιλαμβάνει τρεις διαδικασίες: επαναφορά σήματος, έκθεση στο φως και ένδειξη.
Η έκθεση κάθε σειράς ξεκινά με την επαναφορά του σήματος που έχει αποκτηθεί από κάθε pixel. Αφού παρέλθει ο καθορισμένος χρόνος έκθεσης για την κορυφαία σειρά, η ένδειξη, που σηματοδοτεί το τέλος της λήψης, κυλάει προς τα κάτω με τον ίδιο τρόπο. Αυτό αφήνει μια περιοχή ενεργών pixel που εκτείνεται από την κορυφή προς το κάτω μέρος της κάμερας, με το ύψος της να καθορίζεται από τη διάρκεια του χρόνου έκθεσης. Με την κάμερα να λειτουργεί σε πλήρη ταχύτητα, η καθυστέρηση ανά γραμμή είναι συνήθως μεταξύ 5 και 25 μικροδευτερολέπτων ανά γραμμή pixel, ανάλογα με την ταχύτητα της κάμερας.
Για να αξιοποιηθούν οι οπτικές τεχνικές που απαιτούν συγχρονισμό της σάρωσης του φωτισμού και του ρολού κλείστρου της κάμερας, συνήθως αυτή η καθυστέρηση είναι πολύ μικρή, πράγμα που σημαίνει ότι το ρολό κλείστρου λειτουργεί πολύ γρήγορα για να το παρακολουθήσει άλλο υλικό. Εδώ ακριβώς έρχεται η λειτουργία ελέγχου ρολού κλείστρου.
Σχήμα 1: Σχηματικό διάγραμμα λειτουργίας ρολού
Πώς λειτουργεί η λειτουργία ελέγχου ρολού κλείστρου
Μέσω της ενσωματωμένης νοημοσύνης στις κάμερες Tucsen, η λειτουργία του ρολού κλείστρου της κάμερας μπορεί να ρυθμιστεί με ακρίβεια για συγχρονισμό με εξωτερικό υλικό. Προσθέτοντας μια μικρή επιπλέον καθυστέρηση μεταξύ της επαναφοράς και της ανάγνωσης κάθε γραμμής, μπορεί να ελεγχθεί ο χρόνος που χρειάζεται η ενεργή περιοχή pixel για να σαρώσει τον αισθητήρα, ώστε να επιτραπεί αυτός ο συγχρονισμός.
Επιπλέον, το «ύψος σχισμής» της σαρωμένης ενεργής περιοχής μπορεί να ρυθμιστεί με ακρίβεια. Μεγαλύτεροι χρόνοι έκθεσης ή μικρότερες χρονικές καθυστερήσεις γραμμής οδηγούν σε μεγαλύτερο ύψος σχισμής. Στην περίπτωση του DSLM, αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αντιστοιχίσει μόνο την φωτισμένη περιοχή του δείγματος, επιτυγχάνοντας μια ισορροπία μεταξύ της έκθεσης των pixel για τον μέγιστο δυνατό χρόνο για αποτελεσματική λήψη σήματος και της ελαχιστοποίησης του φωτός εκτός εστίασης.
Εικόνα2Αριστερά: Σχηματική απεικόνιση της λειτουργίας του ρολού κλείστρου στην πλήρη ταχύτητα της κάμερας. Δεξιά: Σχηματική απεικόνιση της ταχύτητας του ρολού κλείστρου με τη Λειτουργία Ελέγχου Ρολού Κλείστρου να προσθέτει επιπλέον καθυστέρηση μεταξύ κάθε γραμμής για να επιτρέπει τον συγχρονισμό με άλλο υλικό.
Με αυτήν την προαιρετική καθυστέρηση, υπάρχουν πλέον τρεις σημαντικές μεταβλητές που πρέπει να κατανοηθούν και καθορίζουν τη λειτουργία του ρολού κλείστρου, υποδεικνύοντας το ύψος της περιοχής των «ενεργών» pixel και την ταχύτητα με την οποία διασχίζει τον αισθητήρα.
Χρόνος γραμμής: Αυτός είναι ο προεπιλεγμένος χρόνος που χρειάζεται ο αισθητήρας για να διαβάσει μια σειρά και να προχωρήσει στην επόμενη. Καθορίζει την εγγενή «ταχύτητα» του αισθητήρα της κάμερας και μπορεί να καθοριστεί στο λογισμικό της κάμερας ή να υπολογιστεί κατά προσέγγιση για μια δεδομένη περιοχή ενδιαφέροντος (ROI) και λειτουργία κάμερας ως εξής:
Όπου «Μέγιστος ρυθμός καρέ κάμερας» αναφέρεται στον ρυθμό καρέ όταν δεν περιορίζεται ούτε από τη διάρκεια έκθεσης ούτε από τον ρυθμό εξωτερικής ενεργοποίησης.
Χρόνος έκθεσης:Αυτό καθορίζει για πόσο χρονικό διάστημα είναι ενεργή κάθε σειρά εικονοστοιχείων, καθορίζοντας έτσι το ύψος της ενεργής περιοχής για έναν δεδομένο χρόνο γραμμής και χρόνο καθυστέρησης.
Χρονική καθυστέρηση γραμμής:Αυτή είναι η επιπλέον καθυστέρηση που προστίθεται από τη Λειτουργία Ελέγχου Ρολλού Κλείστρου. Η Λειτουργία Ελέγχου Ρολλού Κλείστρου επιτρέπει την προσθήκη καθυστέρησηςσε ακέραια πολλαπλάσια του χρόνου γραμμήςΓια παράδειγμα, εάν ο χρόνος γραμμής για μια κάμερα είναι 10 μικροδευτερόλεπτα, επιπλέον καθυστέρηση ανά γραμμή 1, 2,…έως και 8.928, μπορούν να προστεθούν, υποδεικνύοντας τον αριθμό των πολλαπλασίων των 10 μικροδευτερολέπτων.
Επίσης σημαντικό είναι το ύψος της περιοχής ενδιαφέροντος (ROI) που χρησιμοποιείται, καθώς αυτό θα καθορίσει τον αριθμό των γραμμών που πρέπει να σαρώσει η ενεργή περιοχή πριν από την επαναφορά.
Λειτουργία ελέγχου ρολού κλείστρου Λειτουργίες συγχρονισμού
Υπάρχουν δύο τρόποι λειτουργίας για τη Λειτουργία Ελέγχου Ρολλού Κλείστρου, ανάλογα με το ποια μεταβλητή είναι πιο σημαντική για έλεγχο.
In Λειτουργία καθυστέρησης χρόνου γραμμής, μπορείτε να ορίσετε τον χρόνο καθυστέρησης όπως καθορίζεται παραπάνω. Το λογισμικό μπορεί στη συνέχεια να υποδείξει, για τον καθορισμένο χρόνο έκθεσης, ποιο θα είναι το ύψος σχισμής που θα προκύψει - το ύψος των ενεργών pixel στο κυλιόμενο κλείστρο.
In Ενεργό ύψος εικονοστοιχείου / σχισμήςΣτη λειτουργία, μπορείτε να ορίσετε τον αριθμό των σειρών του αισθητήρα που θέλετε να είναι ενεργές καθώς το ρολό ολισθαίνει. Ο χρόνος έκθεσης που έχετε καθορίσει θα χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια για τον υπολογισμό της απαιτούμενης καθυστέρησης χρόνου γραμμής για την αυτόματη απόδοση αυτού του ύψους σχισμής.
Ρύθμιση λειτουργίας ελέγχου ρολού κλείστρου στο λογισμικό
Έλεγχοι Λειτουργίας (Κατάστασης)
Σχήμα 3: Παράδειγμα διεπαφής για τον έλεγχο της Λειτουργίας Ελέγχου Ρολλού από το λογισμικό Tucsen Mosaic. Όλες οι επιλογές διαθέσιμο μέσω του Micro-Manager και του SDK.
Διατίθενται τρεις καταστάσεις (τρόποι λειτουργίας):Off, Χρονική καθυστέρηση γραμμής, Ύψος σχισμής.
• Όταν έχει οριστεί σεΜακριά από, ο αισθητήρας συμπεριφέρεται κανονικά χωρίς να προστίθεται επιπλέον καθυστέρηση.
• Όταν έχει οριστεί σεΧρονική καθυστέρηση γραμμήςΣτη λειτουργία, μπορείτε να καθορίσετε την καθυστέρηση χρόνου γραμμής σε μονάδες του χρόνου γραμμής, όπως εξηγείται παραπάνω.
Σχήμα 4: Επιλογές λογισμικού καθυστέρησης χρόνου γραμμής. Παράδειγμαδιεπαφή από το λογισμικό Tucsen Mosaic. Όλες οι επιλογές είναι διαθέσιμες μέσω του Micro-Manager και του SDK.
Ο αριθμός των κύκλων χρόνου γραμμής που μπορούν να προστεθούν στην ρυθμιζόμενη καθυστέρηση ποικίλλει από κάμερα σε κάμερα. Ο νέος χρόνος γραμμής της κάμερας, μετά την προσθήκη της καθυστέρησης, είναι τότε:
Χρόνος διαστήματος γραμμής = Χρόνος γραμμής(αισθητήρας)+（Χρόνος γραμμής(αισθητήρας)× Χρονική καθυστέρηση γραμμής)
Η τιμή της παραμέτρουΤαχύτητα κύλισηςείναι ίσο μεΧρόνος διαστήματος γραμμής.
Ο συνολικός χρόνος ανάγνωσης της εικόνας είναι τότε:
Rκεφάλιχρόνος εξόδου(εικών)= Χρόνος διαστήματος γραμμής×Nσειρές.
Nσειρέςείναι ο συνολικός αριθμός σειρών εικονοστοιχείων απεικόνισης στην περιοχή ενδιαφέροντος. Ο ρυθμός καρέ κατά την απεικόνιση σε αυτήν τη λειτουργία εξαρτάται από τον αριθμό των γραμμών που θα απεικονιστούν και τον χρόνο κύκλου γραμμής:
Ρυθμός καρέ = 1/(Χρόνος ανάγνωσης(εικών)+ Χρόνος έκθεσης)
•Όταν έχει οριστεί σεΎψος σχισμής mωδή, μπορείτε να ορίσετε τομέγεθος της ενεργής περιοχής που σαρώνεται, που δίνεται από τον τύπο tΟ αριθμός των γραμμών εικονοστοιχείων μεταξύ του σήματος "επαναφοράς" και του σήματος "ανάγνωσης".Το εύρος του ύψους σχισμής είναι 1~2048, σε μονάδες pixel. Για να το μετατρέψετε σε φυσικό μέγεθος, πολλαπλασιάστε αυτήν την τιμή με το μέγεθος pixel από το φύλλο προδιαγραφών της κάμερας.
Σχήμα 5: Επιλογές ελέγχου λειτουργίας ύψους σχισμής. Παράδειγμαδιεπαφή από το λογισμικό Tucsen Mosaic. Όλες οι επιλογές είναι διαθέσιμες μέσω του Micro-Manager και του SDK.
Το λογισμικό θα υπολογίσει αυτόματα την απαιτούμενη καθυστέρηση χρόνου γραμμής και τον χρόνο διαστήματος γραμμής, ο τύπος έχει ως εξής:
Χρονική καθυστέρηση γραμμής = Χρόνος έκθεσης(Γραμμές)/ Ύψος σχισμής(Γραμμές)
Όταν βρίσκεστε σε λειτουργία υψηλής ταχύτητας (λειτουργία κέρδους της κάμερας), το εύρος ύψους σχισμής μπορεί να οριστεί μόνο σε ζυγό αριθμό, καθώς σε αυτήν τη λειτουργία οι γραμμές διαβάζονται ανά δύο. Οι παράμετροι στη λειτουργία υψηλής ταχύτητας υπολογίζονται ως εξής.
Χρονική καθυστέρηση γραμμής = Χρόνος έκθεσης(Γραμμές)/ ½Ύψος σχισμής(Γραμμές)
Ύψος σχισμής = （Χρόνος έκθεσης(Γραμμές)÷ Χρονική καθυστέρηση γραμμής）×2
Έλεγχοι κατεύθυνσης σάρωσης
Υπάρχουν τρεις επιλογές για την κατεύθυνση του ρολού:
DίδιοςΗ κατεύθυνση σάρωσης προς τα κάτω είναι η προεπιλεγμένη κατεύθυνση σάρωσης για τις κάμερες sCMOS. Το κυλιόμενο κλείστρο ξεκινά από την πρώτη σειρά στην κορυφή του αισθητήρα και σαρώνει προς τα κάτω μέχρι την τελευταία σειρά στο κάτω μέρος. Κάθε επόμενη λήψη καρέ ξεκινά με την πρώτη σειρά στην κορυφή.
Σχήμα 6: Σχηματική απεικόνιση της λειτουργίας σάρωσης προς τα κάτω
Up：Στη λειτουργία σάρωσης προς τα πάνω, το ρολό κλείστρου ξεκινά από την κάτω σειρά και σαρώνει προς τα πάνω μέχρι την πάνω σειρά της πρώτης σειράς. Κάθε επόμενη λήψη καρέ ξεκινά από την κάτω σειρά. Παρόλο που η σειρά λήψης δεδομένων στην κάμερα έχει πλέον αντιστραφεί, η εικόνα που προκύπτει και παραδίδεται στο λογισμικό θα εξακολουθεί να εμφανίζει τον αρχικό προσανατολισμό, δηλαδή η εικόνα δεν θα αναστραφεί κάθετα σε σχέση με τη λειτουργία σάρωσης προς τα κάτω.
Σχήμα 7: Σχηματική απεικόνιση της λειτουργίας σάρωσης προς τα πάνω
Κύκλος καθόδου-πάνω：Κατά την εναλλαγή σάρωσης προς τα πάνω και προς τα κάτω, το ρολό ξεκινά από την πρώτη σειρά στην κορυφή και κατεβαίνει στην τελευταία σειρά στο κάτω μέρος. Για το επόμενο καρέ, το ρολό ξεκινά από την κάτω σειρά και σαρώνει προς τα πάνω στην επάνω σειρά, κ.ο.κ. Ο προσανατολισμός της εικόνας που λαμβάνεται σε αυτήν τη λειτουργία είναι ο ίδιος με τον προσανατολισμό σάρωσης προς τα κάτω.
Σχήμα 8: Σχηματική απεικόνιση της λειτουργίας σάρωσης κύκλου προς τα κάτω-πάνω
• Ρeaαμφιβολία για την κατεύθυνση Επαναφορά
Αυτή η λειτουργία είναι διαθέσιμη μόνο στη λειτουργία Κύκλου Κάτω-Πάνω.
Η προεπιλεγμένη ρύθμιση για αυτήν την παράμετρο είναι "Ναι", η οποία διασφαλίζει ότι το πρώτο καρέ κάθε νέας ακολουθίας λήψης θα ξεκινά από την επάνω σειρά και θα σαρώνει προς τα κάτω.
Όταν αυτή η παράμετρος οριστεί σε "Όχι", το πρώτο καρέ κάθε νέας λήψης θα ξεκινά από τη θέση του τελευταίου καρέ στην προηγούμενη ακολουθία. Εάν το τελευταίο καρέ τελειώνει στην κάτω σειρά, το πρώτο καρέ των επόμενων λήψεων θα ξεκινά στην κάτω σειρά και θα διαδίδεται προς τα πάνω.
