22/06/15Det er en udfordring at indfange lys, der ikke er i fokus, for at opnå klare billeder med høj kontrast i mange billeddannelsesapplikationer. Digital Scanned Light Sheet Microscopy (DSLM) tilbyder en effektiv måde at reducere lysindfangning, der ikke er i fokus, ved at synkronisere belysning med den 'rullende lukker' i moderne CMOS-kameraer. Denne præcise synkronisering kræver dog fuldstændig kontrol over betjeningen af kameraets rullende lukker – en funktion, der tilbydes af Tucsen-kameraer med Rolling Shutter Control Mode.
Hvad er rulleport?
Lukkeren er den del af kameraet, der starter og stopper kameraets lyseksponering. Tidligere brugte videnskabelige kameraer mekaniske lukkere, der åbnede for at eksponere et billede og lukkede for at afslutte eksponeringen. Mekaniske lukkere var langsomme og havde problemer med pålideligheden ved længere tids brug. Nu bruger videnskabelige kameraer elektroniske lukkere, som er betydeligt hurtigere, enklere og mere alsidige.
Rolling shutter-kameraer begynder deres optagelse øverst på sensoren og 'ruller' ned linje for linje til bunden af sensoren. Denne optagelse involverer tre processer: signalnulstilling, lyseksponering og aflæsning.
Eksponeringen af hver række påbegyndes ved at nulstille hver pixels optagede signal. Når den angivne eksponeringstid for den øverste række er udløbet, ruller udlæsningen, der markerer slutningen af optagelsen, ned på samme måde. Dette efterlader et område med aktive pixels, der strækker sig fra toppen til bunden af kameraet, hvis højde bestemmes af eksponeringstidens længde. Når kameraet kører med fuld hastighed, er forsinkelsen pr. linje typisk mellem 5 og 25 mikrosekunder pr. linje pixels, afhængigt af kameraets hastighed.
For at udnytte optiske teknikker, der kræver synkronisering af scanning af belysning og kameraets rullende lukker, er denne forsinkelse typisk for kort, hvilket betyder, at den rullende lukker fungerer for hurtigt til, at andet hardware kan følge med. Det er her, Rolling Shutter Control Mode kommer ind i billedet.
Figur 1: Skematisk diagram over rulleportens betjening
Sådan fungerer rullende lukkerkontroltilstand
Takket være indbygget intelligens i Tucsen-kameraer kan kameraets rullende lukker præcist finjusteres for at synkronisere med ekstern hardware. Ved at tilføje en lille ekstra forsinkelse mellem nulstillingen og aflæsningen af hver linje kan den tid, det tager for det aktive pixelområde at feje ned langs sensoren, kontrolleres for at muliggøre denne synkronisering.
Derudover kan 'spaltehøjden' for det scannede aktive område finjusteres. Længere eksponeringstider eller kortere linjetidsforsinkelser fører til større spaltehøjde. I tilfælde af DSLM kan dette bruges til kun at matche det belyste område af prøven og dermed finde en balance mellem at eksponere pixels i den maksimalt mulige tid for effektiv signaloptagelse og minimere lys, der er ude af fokus.
Figur2Venstre: Skematisk visning af rullende lukkerhastighed ved fuld kamerahastighed. Højre: Skematisk visning af rullende lukkerhastighed med rullende lukkerkontroltilstand, der tilføjer ekstra forsinkelse mellem hver linje for at muliggøre synkronisering med anden hardware.
Med denne valgfrie forsinkelse er der nu tre vigtige variabler at forstå, som bestemmer den rullende lukkers funktion, hvilket angiver højden af området med 'aktive' pixels, og hvor hurtigt det bevæger sig forbi sensoren.
LinjetidDette er standardtiden, som sensoren bruger på at aflæse én række og gå videre til den næste. Den bestemmer kamerasensorens native 'hastighed' og kan specificeres i kamerasoftware eller tilnærmes for et givet interesseområde (ROI) og kameratilstand ved at:
Hvor 'Maksimal kamerabilledhastighed' refererer til billedhastigheden, når den ikke er begrænset af enten eksponeringstid eller ekstern triggerhastighed.
Eksponeringstid:Dette bestemmer, hvor længe hver pixelrække er aktiv, og bestemmer derved højden af det aktive område for en given linjetid og forsinkelsestid.
Linjetidsforsinkelse:Dette er, hvor meget ekstra forsinkelse der tilføjes af rullende lukkertilstand. Rullende lukkertilstand tillader tilføjelse af forsinkelsei heltalsmultipla af linjetidenHvis f.eks. linjetiden for et kamera er 10 mikrosekunder, vil der blive tilføjet en yderligere forsinkelse pr. linje på 1, 2,…op til 8.928 kan adderes, hvilket angiver antallet af multipla af 10 mikrosekunder.
Højden af det anvendte interesseområde (ROI) er også vigtig, da dette bestemmer antallet af linjer, som det aktive område skal feje ned ad, før det nulstilles.
Rullende portstyringstilstand Synkroniseringstilstande
Der er to driftstilstande for rulleportsstyringstilstand, afhængigt af hvilken variabel der er vigtigst at styre.
In Linjetidsforsinkelsestilstand, kan du indstille forsinkelsestiden som angivet ovenfor. Softwaren kan derefter angive, for din angivne eksponeringstid, hvad den resulterende spaltehøjde vil være – højden af aktive pixels i den rullende lukker.
In Aktiv pixel / spaltehøjdeI denne tilstand kan du indstille antallet af rækker af sensoren, som skal være aktive, når den rullende lukker bevæger sig. Den angivne eksponeringstid bruges derefter til at beregne den nødvendige linjetidsforsinkelse for automatisk at levere denne spaltehøjde.
Opsætning af rulleportstyringstilstand i software
Driftstilstand (status) kontroller
Figur 3: Eksempel på grænseflade til styring af rulleportsstyringstilstand fra Tucsen Mosaic-softwaren. Alle muligheder tilgængelig via Micro-Manager og SDK.
Tre statuser (driftstilstande) er tilgængelige:Off, Linjetidsforsinkelse, Spaltehøjde.
• Når den er indstillet tilSlukket, sensoren opfører sig som normalt uden yderligere forsinkelse.
• Når den er indstillet tilLinjetidsforsinkelseI tilstanden kan du angive linjetidsforsinkelsen i enheder af linjetiden, som forklaret ovenfor.
Figur 4: Softwaremuligheder for linjetidsforsinkelse. Eksempelbrugerflade fra Tucsen Mosaic-software. Alle muligheder er tilgængelige via Micro-Manager og SDK.
Antallet af linjetidscyklusser, der kan tilføjes til den konfigurerbare forsinkelse, varierer fra kamera til kamera. Kameraets nye linjetid, efter at forsinkelsen er tilføjet, er derefter:
Linjeintervaltid = Linjetid(sensor)+(Linjetid(sensor)× Linjetidsforsinkelse）
Parameterværdien afRullehastigheder lig medLinjeintervaltid.
Den samlede udlæsningstid for billedet er derefter:
Rhovedude tid(billede)= Linjeintervaltid×Nrækker.
Nrækkerer det samlede antal rækker af billedpixels i interesseområdet. Billedhastigheden ved billeddannelse i denne tilstand afhænger af antallet af linjer, der skal afbildes, og linjecyklustiden:
Billedhastighed = 1/(Udlæsningstid(billede)+ Eksponeringstid)
•Når den er indstillet tilSpaltehøjde mode, kan du indstillestørrelsen af det aktive scannede område, givet ved tAntallet af pixelrækker mellem "nulstillings"-signalet og "udlæsnings"-signalet.Intervallet for spaltehøjde er 1~2048 i pixelenheder. For at konvertere dette til en fysisk størrelse skal du gange denne værdi med pixelstørrelsen fra kameraets specifikationsark.
Figur 5: Kontrolmuligheder for spaltehøjdetilstand. Eksempelbrugerflade fra Tucsen Mosaic-software. Alle muligheder er tilgængelige via Micro-Manager og SDK.
Softwaren beregner automatisk den nødvendige linjeforsinkelse og linjeintervaltid. Formlen er som følger:
Linjetidsforsinkelse = Eksponeringstid(Linjer)/ Spaltehøjde(Linjer)
I højhastighedstilstand (kameraets forstærkningstilstand) kan spaltehøjdeområdet kun indstilles til et lige tal, da linjerne i den tilstand aflæses to gange to. Parametrene i højhastighedstilstand beregnes som følger.
Linjetidsforsinkelse = Eksponeringstid(Linjer)/ ½Spaltehøjde(Linjer)
Spaltehøjde = (Eksponeringstid(Linjer)÷ Linjetidsforsinkelse）×2
Kontrol af scanningsretning
Der er tre muligheder for retningen af rulleporten:
DegenDen nedadgående scanningsretning er standardscanningsretningen for sCMOS-kameraer. Den rullende lukker starter fra den første række øverst på sensoren og scanner ned til den sidste række nederst. Hver efterfølgende billedoptagelse starter med den første række øverst.
Figur 6: Skematisk oversigt over nedadgående scanningstilstand
Up：I opadgående scanningstilstand starter den rullende lukker fra den nederste række og scanner op til den øverste række i den første række. Hver efterfølgende billedoptagelse starter fra den nederste række. Selvom rækkefølgen af dataoptagelse på kameraet nu er omvendt, vil det resulterende billede, der leveres til softwaren, stadig vise den oprindelige retning, dvs. billedet vil ikke blive vendt lodret i forhold til nedadgående scanningstilstand.
Figur 7: Skematisk oversigt over opadgående scanningstilstand
Ned-op cyklusNår der scannes skiftevis op og ned, starter den rullende lukker fra den første række øverst og går ned til den sidste række nederst. For det næste billede starter den rullende lukker fra den nederste række og scanner op til den øverste række, og så videre. Retningen af billedet, der optages i denne tilstand, er den samme som den nedadgående scanningsretning.
Figur 8: Skematisk oversigt over scanningstilstand for ned-op-cyklus
• Reatvivl Retning Nulstil
Denne funktion er kun tilgængelig i Down-Up cyklus-tilstand.
Standardindstillingen for denne parameter er "Ja", hvilket sikrer, at den første ramme i hver ny optagelsessekvens starter i den øverste række og scanner nedad.
Når denne parameter er indstillet til "Nej", starter den første ramme i hver ny optagelse på positionen af den sidste ramme i den forrige sekvens. Hvis den sidste ramme slutter i den nederste række, starter den første ramme i efterfølgende optagelser i den nederste række og fortsætter opad.
