22/06/15Captarea luminii nefocalizate reprezintă o provocare pentru obținerea unor imagini clare și cu contrast ridicat în multe aplicații de imagistică. Microscopia digitală cu foi de lumină scanată (DSLM) oferă o modalitate puternică de a reduce captarea luminii nefocalizate prin sincronizarea iluminării cu „obturatorul rulant” al camerelor CMOS moderne. Cu toate acestea, această sincronizare precisă necesită control complet asupra funcționării obturatorului rulant al camerei - o caracteristică oferită de camerele Tucsen cu modul de control al obturatorului rulant.
Ce este Rolling Shutter-ul?
Obturatorul este partea camerei care pornește și oprește expunerea acesteia la lumină. Anterior, camerele științifice foloseau obturatoare mecanice, care se deschideau pentru a expune o imagine și se închideau pentru a termina expunerea. Obturatoarele mecanice erau lente și prezentau probleme de fiabilitate în cazul utilizării prelungite. Acum, camerele științifice folosesc obturatoare electronice, care sunt semnificativ mai rapide, mai simple și mai versatile.
Camerele cu obturator rulant își încep achiziția din partea de sus a senzorului și se „derulează” în jos, linie cu linie, până la partea de jos a senzorului. Această achiziție implică trei procese: resetarea semnalului, expunerea la lumină și citirea datelor.
Expunerea fiecărui rând începe prin resetarea semnalului achiziționat de fiecare pixel. După ce timpul de expunere specificat pentru rândul superior a trecut, citirea, marcând sfârșitul achiziției, se derulează în jos în același mod. Aceasta lasă o zonă de pixeli activi care se întinde de sus în jos în camera, înălțimea sa fiind determinată de durata timpului de expunere. Când camera funcționează la viteză maximă, întârzierea pe linie este de obicei între 5 și 25 de microsecunde pe linie de pixeli, în funcție de viteza camerei.
Pentru a profita de tehnicile optice care necesită sincronizarea scanării iluminării și a obturatorului rulant al camerei, această întârziere este de obicei prea scurtă, ceea ce înseamnă că obturatorul rulant funcționează prea repede pentru ca alte componente hardware să poată ține pasul. Aici intervine modul de control al obturatorului rulant.
Figura 1: Diagramă schematică a funcționării obturatorului rulant
Cum funcționează modul de control Rolling Shutter
Prin inteligența integrată în camerele Tucsen, funcționarea obturatorului rulant al camerei poate fi reglată cu precizie pentru a se sincroniza cu hardware-ul extern. Prin adăugarea unei mici întârzieri suplimentare între resetare și citirea fiecărei linii, timpul necesar zonei pixelului activ pentru a parcurge senzorul poate fi controlat pentru a permite această sincronizare.
În plus, „înălțimea fantei” din zona activă scanată poate fi reglată fin. Timpii de expunere mai lungi sau întârzierile mai scurte ale liniei duc la o înălțime mai mare a fantei. În cazul DSLM, acest lucru poate fi utilizat pentru a potrivi doar zona iluminată a eșantionului, găsind un echilibru între expunerea pixelilor pentru timpul maxim posibil pentru o captare eficientă a semnalului și minimizarea luminii nefocalizate.
Figura2Stânga: Schemă a funcționării obturatorului rulant la viteza maximă a camerei. Dreapta: Schemă care prezintă viteza obturatorului rulant cu modul de control al obturatorului rulant care adaugă o întârziere suplimentară între fiecare linie pentru a permite sincronizarea cu alte componente hardware.
Cu această întârziere opțională, există acum trei variabile importante de înțeles care determină funcționarea obturatorului rulant, indicând înălțimea zonei de pixeli „activi” și cât de repede traversează senzorul.
Timp de linieAcesta este timpul implicit necesar senzorului pentru a citi un rând și a trece la următorul. Determină „viteza” nativă a senzorului camerei și poate fi specificată în software-ul camerei sau aproximată pentru o anumită regiune de interes (ROI) și un anumit mod al camerei prin:
Unde „Rată maximă de cadre pe cameră” se referă la rata de cadre atunci când nu este limitată nici de durata de expunere, nici de rata de declanșare externă.
Timp de expunere:Aceasta determină cât timp este activ fiecare rând de pixeli, determinând astfel înălțimea zonei active pentru un anumit timp de linie și timp de întârziere.
Întârziere linie:Aceasta este cantitatea de întârziere suplimentară adăugată de Modul de control Rolling Shutter. Modul de control Rolling Shutter permite adăugarea de întârziere.în multipli întregi ai timpului linieiDe exemplu, dacă timpul de linie pentru o cameră este de 10 microsecunde, o întârziere suplimentară pe linie de 1, 2,…se pot adăuga până la 8.928, indicând numărul de multipli de 10 microsecunde.
De asemenea, este importantă înălțimea regiunii de interes (ROI) utilizată, deoarece aceasta va determina numărul de linii pe care zona activă trebuie să le parcurgă înainte de resetare.
Moduri de sincronizare a modului de control al obturatorului rulant
Există două moduri de funcționare pentru Modul de control al obturatorului rulant, în funcție de variabila care este mai importantă de controlat.
In Mod de întârziere a liniei, puteți seta timpul de întârziere așa cum este specificat mai sus. Software-ul poate indica apoi, pentru timpul de expunere specificat, care va fi Înălțimea fantei rezultată – înălțimea pixelilor activi din obturatorul rulant.
In Pixel activ / Înălțimea fanteiÎn modul „Mod”, puteți seta numărul de rânduri ale senzorului pe care doriți să le activați în timp ce obturatorul rulant se deplasează. Timpul de expunere specificat va fi apoi utilizat pentru a calcula întârzierea liniei necesară pentru a obține automat această înălțime a fantei.
Configurarea modului de control Rolling Shutter în software
Comenzile modului de funcționare (starea)
Figura 3: Exemplu de interfață pentru controlul modului de control Rolling Shutter din software-ul Tucsen Mosaic. Toate opțiunile disponibil prin Micro-Manager și SDK.
Sunt disponibile trei stări (moduri de operare):Off, Întârziere linie, Înălțimea fantei.
• Când este setat laDezactivat, senzorul se comportă normal, fără nicio întârziere suplimentară.
• Când este setat laÎntârziere linieÎn modul , puteți specifica Întârzierea liniei în unități de timp ale liniei, așa cum este explicat mai sus.
Figura 4: Opțiuni software pentru temporizarea liniei. Exempluinterfață din software-ul Tucsen Mosaic. Toate opțiunile sunt disponibile prin Micro-Manager și SDK.
Numărul de cicluri de timp pe linie care pot fi adăugate la întârzierea configurabilă variază de la o cameră la alta. Noul timp pe linie al camerei, după adăugarea întârzierii, este atunci:
Timp interval linie = Timp linie(senzor)+（Timp de linie(senzor)× Întârziere linie)
Valoarea parametruluiViteză de rulareeste egal cuInterval de timp pe linie.
Timpul total de citire a imaginii este atunci:
RcapTimp de ieșire(imagine)= Timp Interval Linie×Nrânduri.
Nrândurieste numărul total de rânduri de pixeli de imagine din regiunea de interes. Rata de cadre la imagistica în acest mod depinde de numărul de linii care trebuie reprezentate și de timpul ciclului liniei:
Rata de cadre = 1/(Timp de citire(imagine)+ Timp de expunere)
•Când este setat laÎnălțimea fantei modă, puteți setadimensiunea zonei active scanate, dată de tnumărul de rânduri de pixeli dintre semnalul de „resetare” și semnalul de „citire”.Intervalul pentru Înălțimea fantei este de la 1 la 2048, în unități de pixeli. Pentru a converti această valoare într-o dimensiune fizică, înmulțiți această valoare cu dimensiunea pixelului din fișa cu specificațiile camerei.
Figura 5: Opțiuni de control al modului Înălțime fante. Exempluinterfață din software-ul Tucsen Mosaic. Toate opțiunile sunt disponibile prin Micro-Manager și SDK.
Software-ul va calcula automat timpul de întârziere a liniei și timpul de interval al liniei necesare, formula fiind următoarea:
Întârzierea liniei = Timp de expunere(Linii)Înălțimea fantei(Linii)
În modul Viteză mare (modul de amplificare al camerei), intervalul Înălțimii fantei poate fi setat doar la un număr par, deoarece în acest mod liniile sunt citite două câte două. Parametrii din modul Viteză mare sunt calculați după cum urmează.
Întârzierea liniei = Timp de expunere(Linii)/ ½Înălțime fantei(Linii)
Înălțimea fantei = (Timp de expunere(Linii)÷ Întârziere linie)×2
Controale ale direcției de scanare
Există trei opțiuni pentru direcția obturatorului rulant:
Dpropriu：Direcția de scanare în jos este direcția implicită de scanare pentru camerele sCMOS. Obturatorul rulant începe de la primul rând din partea de sus a senzorului și scanează în jos până la ultimul rând din partea de jos. Fiecare achiziție ulterioară de cadru începe cu primul rând din partea de sus.
Figura 6: Schema modului de scanare descendentă
Up：În modul de scanare ascendentă, obturatorul rulant începe de la rândul de jos și scanează în sus până la rândul de sus al primului rând. Fiecare achiziție ulterioară de cadre începe de la rândul de jos. Deși ordinea captării datelor pe cameră este acum inversată, imaginea rezultată transmisă software-ului va afișa în continuare orientarea originală, adică imaginea nu va fi răsturnată vertical față de modul de scanare descendentă.
Figura 7: Schema modului de scanare ascendentă
Ciclul jos-sus：La scanarea alternativă în sus și în jos, obturatorul rulant începe de la primul rând de sus și coboară până la ultimul rând de jos. Pentru următorul cadru, obturatorul rulant începe de la rândul de jos și scanează în sus până la rândul de sus și așa mai departe. Orientarea imaginii obținute în acest mod este aceeași cu orientarea de scanare descendentă.
Figura 8: Schema modului de scanare a ciclului de mers în sus
• ReaResetare direcție dublă
Această funcție este disponibilă numai în modul Ciclu Jos-Up.
Setarea implicită pentru acest parametru este „Da”, ceea ce asigură că primul cadru al fiecărei noi secvențe de achiziție va începe de la rândul de sus și va scana în jos.
Când acest parametru este setat la „Nu”, primul cadru al fiecărei noi achiziții va începe la poziția ultimului cadru din secvența anterioară. Dacă ultimul cadru se termină pe rândul de jos, primul cadru al achizițiilor ulterioare va începe pe rândul de jos și se va propaga în sus.
