22/06/15Het vastleggen van onscherp licht is een uitdaging voor het verkrijgen van heldere, contrastrijke beelden in veel beeldtoepassingen. Digital Scanned Light Sheet Microscopy (DSLM) biedt een krachtige manier om onscherpe lichtopname te verminderen door de belichting te synchroniseren met de 'rolling shutter' van moderne CMOS-camera's. Deze nauwkeurige synchronisatie vereist echter volledige controle over de werking van de rolling shutter van de camera – een functie die wordt geboden door Tucsen-camera's met de Rolling Shutter Control Mode.
Wat is Rolling Shutter?
De sluiter is het onderdeel van de camera dat de belichting van de camera aan licht start en stopt. Vroeger gebruikten wetenschappelijke camera's mechanische sluiters, die opengingen om een beeld te belichten en weer dichtgingen om de belichting te beëindigen. Mechanische sluiters waren traag en vertoonden bij langdurig gebruik problemen met de betrouwbaarheid. Tegenwoordig gebruiken wetenschappelijke camera's elektronische sluiters, die aanzienlijk sneller, eenvoudiger en veelzijdiger zijn.
Rolling shutter-camera's beginnen hun opname bovenaan de sensor en 'rollen' lijn voor lijn naar beneden naar de onderkant van de sensor. Deze opname omvat drie processen: signaalreset, belichting en uitlezing.
De belichting van elke rij begint met het resetten van het opgenomen signaal van elke pixel. Nadat de aangegeven belichtingstijd voor de bovenste rij is verstreken, rolt de uitlezing, die het einde van de acquisitie markeert, op dezelfde manier terug. Dit laat een gebied met actieve pixels over dat van boven naar beneden door de camera loopt, waarbij de hoogte wordt bepaald door de lengte van de belichtingstijd. Bij een camera die op volle snelheid draait, bedraagt de vertraging per regel doorgaans tussen de 5 en 25 microseconden per regel pixels, afhankelijk van de snelheid van de camera.
Om te profiteren van optische technieken die synchronisatie vereisen tussen het scannen van de belichting en de rolling shutter van de camera, is deze vertraging doorgaans te kort, wat betekent dat de rolling shutter te snel werkt voor andere hardware. Hier komt de Rolling Shutter Control-modus om de hoek kijken.
Figuur 1: Schematisch diagram van de bediening van een rolluik
Hoe de Rolling Shutter Control-modus werkt
Dankzij de ingebouwde intelligentie in Tucsen-camera's kan de werking van de rolling shutter van de camera nauwkeurig worden afgestemd op synchronisatie met externe hardware. Door een kleine extra vertraging toe te voegen tussen het resetten en het uitlezen van elke regel, kan de tijd die nodig is om het actieve pixelgebied over de sensor te bewegen, worden gecontroleerd om deze synchronisatie mogelijk te maken.
Bovendien kan de 'spleethoogte' van het gescande actieve gebied nauwkeurig worden afgesteld. Langere belichtingstijden of kortere lijnvertragingen leiden tot een grotere spleethoogte. In het geval van DSLM kan dit worden gebruikt om alleen het belichte gebied van het monster te matchen, waardoor een balans wordt gevonden tussen het belichten van pixels gedurende de maximaal mogelijke tijd voor effectieve signaalregistratie en het minimaliseren van onscherp licht.
Figuur2Links: Schematische weergave van de rolling shutter-bediening bij volledige camerasnelheid. Rechts: Schematische weergave van de rolling shutter-tijd met de Rolling Shutter Control-modus, waarbij extra vertraging tussen elke lijn wordt toegevoegd om synchronisatie met andere hardware mogelijk te maken.
Met deze optionele vertraging zijn er nu drie belangrijke variabelen om te begrijpen die de werking van de rolling shutter bepalen, namelijk de hoogte van het gebied met 'actieve' pixels en hoe snel deze de sensor passeert.
Lijntijd: Dit is de standaardtijd die de sensor nodig heeft om één rij uit te lezen en naar de volgende te gaan. Dit bepaalt de oorspronkelijke 'snelheid' van de camerasensor en kan worden gespecificeerd in de camerasoftware, of worden geschat voor een bepaald interessegebied (ROI) en cameramodus door:
Met 'Maximale cameraframesnelheid' wordt de framesnelheid bedoeld wanneer deze niet wordt beperkt door de belichtingstijd of de externe activeringsfrequentie.
Blootstellingstijd:Hiermee wordt bepaald hoe lang elke pixelrij actief is en daarmee de hoogte van het actieve gebied voor een bepaalde lijntijd en vertraging.
Lijntijdvertraging:Dit is hoeveel extra vertraging er wordt toegevoegd door de Rolling Shutter Control-modus. De Rolling Shutter Control-modus maakt het mogelijk om vertraging toe te voegen.in gehele veelvouden van de lijntijdAls de lijntijd voor een camera bijvoorbeeld 10 microseconden bedraagt, is er een extra vertraging per lijn van 1, 2,…tot 8.928 kunnen worden opgeteld, wat het aantal veelvouden van 10 microseconden aangeeft.
Ook de hoogte van het gebruikte interessegebied (ROI) is van belang, aangezien dit het aantal lijnen bepaalt dat het actieve gebied moet bestrijken voordat het wordt gereset.
Rolling Shutter Control-modus Synchronisatiemodi
Er zijn twee werkingsmodi voor de Rolling Shutter Control-modus, afhankelijk van welke variabele het belangrijkst is om te regelen.
In LijntijdvertragingsmodusU kunt de vertraging instellen zoals hierboven aangegeven. De software kan vervolgens aangeven wat de resulterende spleethoogte zal zijn voor de door u opgegeven belichtingstijd – de hoogte van de actieve pixels in de rolling shutter.
In Actieve pixel-/spleethoogteIn de modus kunt u het aantal rijen van de sensor instellen dat actief moet zijn tijdens het rollen van de sluiter. De opgegeven belichtingstijd wordt vervolgens gebruikt om de benodigde lijnvertraging te berekenen om deze spleethoogte automatisch te bereiken.
De Rolling Shutter Control-modus instellen in software
Bedieningselementen voor de operationele modus (status)
Figuur 3: Voorbeeldinterface voor het bedienen van de Rolling Shutter Control Mode vanuit de Tucsen Mosaic-software. Alle opties beschikbaar via Micro-Manager en SDK.
Er zijn drie statussen (bedrijfsmodi) beschikbaar:Off, Lijntijdvertraging, Spleethoogte.
• Wanneer ingesteld opUit, gedraagt de sensor zich normaal, zonder dat er extra vertraging wordt toegevoegd.
• Wanneer ingesteld opLijntijdvertragingIn de modus Lijntijdvertraging kunt u de lijntijdvertraging opgeven in eenheden van de lijntijd, zoals hierboven uitgelegd.
Figuur 4: Softwareopties voor lijntijdvertraging. VoorbeeldInterface van Tucsen Mosaic-software. Alle opties beschikbaar via Micro-Manager en SDK.
Het aantal lijntijdcycli dat aan de configureerbare vertraging kan worden toegevoegd, varieert per camera. De nieuwe lijntijd van de camera, na toevoeging van de vertraging, is dan:
Lijnintervaltijd = Lijntijd(sensor)+（Lijntijd(sensor)× Lijntijdvertraging）
De parameterwaarde vanRolsnelheidis gelijk aanLijnintervaltijd.
De totale uitleestijd van de afbeelding is dan:
Rhoofduit Tijd(afbeelding)= Lijnintervaltijd×Nrijen.
Nrijenis het totale aantal rijen beeldpixels in het interessegebied. De framesnelheid bij het maken van beelden in deze modus is afhankelijk van het aantal af te beelden lijnen en de lijncyclustijd:
Framesnelheid = 1/(uitleestijd(afbeelding)+ Belichtingstijd)
•Wanneer ingesteld opSpleethoogte mode, je kunt degrootte van het gescande actieve gebied, gegeven door tHet aantal pixelrijen tussen het "reset"-signaal en het "readout"-signaal.Het bereik van de spleethoogte is 1 tot 2048, in pixeleenheden. Om dit om te rekenen naar een fysieke grootte, vermenigvuldigt u deze waarde met de pixelgrootte uit het specificatieblad van de camera.
Figuur 5: Opties voor de spleethoogtemodus. VoorbeeldInterface van Tucsen Mosaic-software. Alle opties beschikbaar via Micro-Manager en SDK.
De software berekent automatisch de benodigde lijntijdvertraging en lijnintervaltijd. De formule is als volgt:
Lijntijdvertraging = belichtingstijd(Lijnen)/ Spleethoogte(Lijnen)
In de hogesnelheidsmodus (gain-modus van de camera) kan het spleethoogtebereik alleen op een even getal worden ingesteld, omdat de lijnen in die modus twee bij twee worden uitgelezen. De parameters in de hogesnelheidsmodus worden als volgt berekend.
Lijntijdvertraging = belichtingstijd(Lijnen)/ ½Spleethoogte(Lijnen)
Spleethoogte = （Blootstellingstijd(Lijnen)÷ Lijntijdvertraging）×2
Scanrichtingbediening
Er zijn drie mogelijkheden voor de richting van het rolluik:
DeigenDe neerwaartse scanrichting is de standaard scanrichting voor sCMOS-camera's. De rolling shutter begint vanaf de eerste rij bovenaan de sensor en scant naar beneden tot de laatste rij onderaan. Elke volgende frame-acquisitie begint met de eerste rij bovenaan.
Figuur 6: Schema van de neerwaartse scanmodus
Up：In de opwaartse scanmodus start de rolling shutter vanaf de onderste rij en scant omhoog naar de bovenste rij van de eerste rij. Elke volgende frame-acquisitie begint vanaf de onderste rij. Hoewel de volgorde van de data-acquisitie op de camera nu is omgedraaid, toont het resulterende beeld dat aan de software wordt geleverd nog steeds de oorspronkelijke oriëntatie, d.w.z. het beeld wordt niet verticaal gespiegeld ten opzichte van de neerwaartse scanmodus.
Figuur 7: Schema van de opwaartse scanmodus
Down-Up-cyclusBij het afwisselend omhoog en omlaag scannen, begint de rolling shutter bij de eerste rij bovenaan en gaat naar beneden tot de laatste rij onderaan. Voor het volgende frame begint de rolling shutter bij de onderste rij en scant omhoog tot de bovenste rij, enzovoort. De oriëntatie van het beeld dat in deze modus wordt verkregen, is hetzelfde als de neerwaartse scanoriëntatie.
Figuur 8: Schema van de Down-Up-cyclusscanmodus
• Reatwijfel Richting Reset
Deze functie is alleen beschikbaar in de modus Omlaag-Omhoogcyclus.
De standaardinstelling voor deze parameter is "Ja". Dit zorgt ervoor dat het eerste frame van elke nieuwe acquisitiereeks bij de bovenste rij begint en vervolgens naar beneden scant.
Wanneer deze parameter is ingesteld op "Nee", start het eerste frame van elke nieuwe acquisitie op de positie van het laatste frame in de vorige reeks. Als het laatste frame eindigt op de onderste rij, start het eerste frame van volgende acquisities op de onderste rij en wordt het naar boven gepropageerd.
