22/06/15يُمثل التقاط الضوء خارج نطاق التركيز تحديًا للحصول على صور واضحة وعالية التباين في العديد من تطبيقات التصوير. يوفر المجهر الضوئي الرقمي الممسوح ضوئيًا (DSLM) طريقة فعّالة لتقليل التقاط الضوء خارج نطاق التركيز من خلال مزامنة الإضاءة مع "الغالق الدوار" في كاميرات CMOS الحديثة. ومع ذلك، يتطلب هذا المزامنة الدقيقة تحكمًا كاملاً في تشغيل الغالق الدوار للكاميرا - وهي ميزة توفرها كاميرات Tucsen المزودة بوضع التحكم بالغالق الدوار.
ما هو الستارة المتدحرجة؟
الغالق هو الجزء المسؤول عن بدء وإيقاف تعريض الكاميرا للضوء. في السابق، كانت الكاميرات العلمية تستخدم مصاريع ميكانيكية، تُفتح لتعريض الصورة، وتُغلق لإنهاء التعريض. كانت المصاريع الميكانيكية بطيئة وعرضة لمشاكل في الموثوقية مع الاستخدام المطول. أما الآن، فتستخدم الكاميرات العلمية مصاريع إلكترونية، وهي أسرع وأبسط وأكثر تنوعًا بشكل ملحوظ.
تبدأ كاميرات الستائر الدوارة عملية التقاط الصورة من أعلى المستشعر، ثم تتدحرج تدريجيًا حتى تصل إلى أسفله. تتضمن هذه العملية ثلاث عمليات: إعادة ضبط الإشارة، والتعريض الضوئي، والقراءة.
يبدأ تعريض كل صف بإعادة ضبط إشارة كل بكسل مُلتقطة. بعد انقضاء وقت التعريض المحدد للصف العلوي، تتراجع القراءة، التي تُشير إلى نهاية التعريض، بنفس الطريقة. يُترك هذا مساحة من البكسلات النشطة تمتد من أعلى الكاميرا إلى أسفلها، ويُحدد ارتفاعها بطول وقت التعريض. عند تشغيل الكاميرا بأقصى سرعة، يتراوح التأخير لكل خط عادةً بين 5 و25 ميكروثانية لكل خط بكسل، حسب سرعة الكاميرا.
للاستفادة من التقنيات البصرية التي تتطلب مزامنة مسح الإضاءة مع مصراع الكاميرا الدوار، عادةً ما يكون هذا التأخير قصيرًا جدًا، مما يعني أن مصراع الكاميرا الدوار يعمل بسرعة فائقة لا تستطيع الأجهزة الأخرى مواكبتها. وهنا يأتي دور وضع التحكم في مصراع الكاميرا الدوار.
الشكل 1: مخطط تخطيطي لعملية الستائر الدوارة
كيف يعمل وضع التحكم في الغالق المتدحرج
بفضل الذكاء الاصطناعي المدمج في كاميرات توسن، يُمكن ضبط تشغيل مصراع الكاميرا الدوار بدقة لمزامنته مع الأجهزة الخارجية. بإضافة تأخير بسيط بين إعادة الضبط وقراءة كل خط، يُمكن التحكم في الوقت الذي تستغرقه منطقة البكسل النشطة للتحرك عبر المستشعر لتحقيق هذه المزامنة.
علاوة على ذلك، يمكن ضبط "ارتفاع الشق" للمنطقة النشطة الممسوحة ضوئيًا بدقة. تؤدي أوقات التعريض الأطول أو فترات التأخير القصيرة في زمن الخط إلى ارتفاع أكبر للشق. في حالة DSLM، يمكن استخدام هذا لمطابقة المنطقة المضيئة فقط من العينة، مما يحقق التوازن بين تعريض وحدات البكسل لأقصى وقت ممكن لالتقاط الإشارة بفعالية، وتقليل الضوء الخارج عن نطاق التركيز.
شكل2يسار: رسم تخطيطي لعملية غالق الدوران بأقصى سرعة للكاميرا. يمين: رسم تخطيطي يوضح سرعة غالق الدوران مع وضع التحكم بالغالق الدوراني، مع إضافة تأخير إضافي بين كل سطر للسماح بالمزامنة مع الأجهزة الأخرى.
بفضل هذا التأخير الاختياري، أصبح لدينا الآن ثلاثة متغيرات مهمة يجب فهمها لتحديد تشغيل الغالق المتدحرج، وهي تشير إلى ارتفاع منطقة البكسلات "النشطة"، ومدى سرعتها في عبور المستشعر.
وقت الخطهذا هو الوقت الافتراضي الذي يستغرقه المستشعر لقراءة صف واحد والانتقال إلى التالي. يُحدد هذا الوقت "السرعة" الأصلية لمستشعر الكاميرا، ويمكن تحديده في برنامج الكاميرا، أو تقريبه لمنطقة اهتمام معينة ووضع كاميرا معين من خلال:
حيث يشير "معدل إطارات الكاميرا الأقصى" إلى معدل الإطارات عندما لا يكون مقيدًا بطول وقت التعرض أو معدل التشغيل الخارجي.
وقت التعرض:يحدد هذا المدة التي يظل فيها كل صف بكسل نشطًا، وبالتالي تحديد ارتفاع المنطقة النشطة لوقت خط معين ووقت تأخير.
تأخير وقت الخط:هذا هو مقدار التأخير الإضافي المُضاف بواسطة وضع التحكم بالغالق الدوار. يسمح هذا الوضع بإضافة التأخير.في مضاعفات عددية صحيحة لوقت الخطعلى سبيل المثال، إذا كان وقت الخط للكاميرا 10 ميكروثانية، فإن التأخير الإضافي لكل خط هو 1، 2،…يمكن إضافة ما يصل إلى 8,928، مما يشير إلى عدد مضاعفات 10 ميكروثانية.
ومن المهم أيضًا تحديد ارتفاع منطقة الاهتمام (ROI) المستخدمة، حيث سيحدد ذلك عدد الخطوط التي يجب أن تمسحها المنطقة النشطة قبل إعادة التعيين.
أوضاع مزامنة وضع التحكم في الغالق المتدحرج
هناك طريقتان لتشغيل وضع التحكم في مصراع التدحرج، اعتمادًا على المتغير الأكثر أهمية للتحكم فيه.
In وضع تأخير وقت الخطيمكنك ضبط وقت التأخير كما هو موضح أعلاه. بعد ذلك، يُظهر البرنامج، لوقت التعريض المحدد، ارتفاع الشق الناتج - أي ارتفاع وحدات البكسل النشطة في الغالق الدوار.
In ارتفاع البكسل النشط / الشقفي الوضع، يمكنك تحديد عدد صفوف المستشعر التي ترغب في تفعيلها أثناء مسح الغالق الدوار. سيُستخدم وقت التعريض الذي حددته بعد ذلك لحساب زمن الخط المطلوب لعرض ارتفاع الشق تلقائيًا.
إعداد وضع التحكم في مصراع الدوران في البرنامج
عناصر التحكم في الوضع التشغيلي (الحالة)
الشكل 3: واجهة نموذجية للتحكم في وضع التحكم في الستائر الدوارة من برنامج Tucsen Mosaic. جميع الخيارات متاح عبر Micro-Manager وSDK.
تتوفر ثلاث حالات (أوضاع تشغيلية):Off, تأخير وقت الخط, ارتفاع الشق.
• عند ضبطه علىعنيتصرف المستشعر بشكل طبيعي دون إضافة أي تأخير إضافي.
• عند ضبطه علىتأخير وقت الخطفي الوضع، يمكنك تحديد تأخير وقت الخط بوحدات وقت الخط، كما هو موضح أعلاه.
الشكل 4: خيارات برنامج تأخير وقت الخط. مثالواجهة من برنامج Tucsen Mosaic. جميع الخيارات متاحة عبر Micro-Manager وSDK.
يختلف عدد دورات زمن الخط التي يمكن إضافتها إلى التأخير القابل للتخصيص من كاميرا لأخرى. يكون زمن خط الكاميرا الجديد، بعد إضافة التأخير، كالتالي:
وقت الفاصل الزمني للخط = وقت الخط(مستشعر)+ (وقت الخط(مستشعر)× تأخير وقت الخط）
قيمة المعلمةسرعة التدحرجيساويوقت الفاصل الزمني للخط.
وبالتالي فإن إجمالي وقت قراءة الصورة هو:
Rعيدوقت الخروج(صورة)= وقت الفاصل الزمني للخط×Nصفوف.
Nصفوفهو إجمالي عدد صفوف بكسلات التصوير في المنطقة المعنية. يعتمد معدل الإطارات عند التصوير في هذا الوضع على عدد الخطوط المراد تصويرها وزمن دورة الخط:
معدل الإطارات = 1/(وقت القراءة(صورة)+ وقت التعرض)
•عند ضبطه علىارتفاع الشق mقصيدة، يمكنك ضبطحجم المنطقة النشطة الممسوحة ضوئيًا، المعطى بواسطة tعدد صفوف البكسل بين إشارة "إعادة الضبط" وإشارة "القراءة".يتراوح ارتفاع الشق بين ١ و٢٠٤٨ بكسل. لتحويل هذا إلى حجم فعلي، اضرب هذه القيمة في حجم البكسل المذكور في ورقة مواصفات الكاميرا.
الشكل 5: خيارات التحكم في وضع ارتفاع الشق. مثالواجهة من برنامج Tucsen Mosaic. جميع الخيارات متاحة عبر Micro-Manager وSDK.
سيقوم البرنامج تلقائيًا بحساب وقت تأخير الخط ووقت الفاصل الزمني المطلوبين، والصيغة هي كما يلي:
تأخير وقت الخط = وقت التعرض(خطوط)/ ارتفاع الشق(خطوط)
في وضع السرعة العالية (وضع الكسب في الكاميرا)، لا يمكن ضبط نطاق ارتفاع الشق إلا على رقم زوجي، حيث تُقرأ الخطوط فيه على شكل خطين. تُحسب المعلمات في وضع السرعة العالية كما يلي.
تأخير وقت الخط = وقت التعرض(خطوط)/ ارتفاع الشق ½(خطوط)
ارتفاع الشق = (وقت التعرض(خطوط)÷ تأخير وقت الخط）×2
عناصر التحكم في اتجاه المسح
هناك ثلاثة خيارات لاتجاه الستارة الدوارة:
Dملكاتجاه المسح لأسفل هو اتجاه المسح الافتراضي لكاميرات sCMOS. يبدأ الغالق الدوار من الصف الأول أعلى المستشعر ويمسح حتى الصف الأخير أسفله. يبدأ كل التقاط إطار لاحق من الصف الأول في الأعلى.
الشكل 6: مخطط وضع المسح التنازلي
Up:في وضع المسح التصاعدي، يبدأ الغالق الدوار من الصف السفلي ويمسح حتى الصف العلوي منه. يبدأ كل التقاط لاحق للإطارات من الصف السفلي. على الرغم من أن ترتيب التقاط البيانات في الكاميرا معكوس الآن، إلا أن الصورة الناتجة المرسلة إلى البرنامج ستظل تُظهر الاتجاه الأصلي، أي أن الصورة لن تُقلب رأسيًا مقارنةً بوضع المسح التنازلي.
الشكل 7: مخطط وضع المسح التصاعدي
دورة الهبوط والصعودعند المسح بالتناوب لأعلى ولأسفل، يبدأ الغالق الدوار من الصف الأول في الأعلى وينزل إلى الصف الأخير في الأسفل. في الإطار التالي، يبدأ الغالق الدوار من الصف السفلي ويمسح لأعلى حتى الأعلى، وهكذا. يكون اتجاه الصورة الملتقطة في هذا الوضع هو نفسه اتجاه المسح لأسفل.
الشكل 8: مخطط وضع المسح الدوري من الأسفل إلى الأعلى
• رeaإعادة تعيين اتجاه dout
تتوفر هذه الوظيفة فقط في وضع الدورة لأسفل-لأعلى.
الإعداد الافتراضي لهذه المعلمة هو "نعم"، مما يضمن أن الإطار الأول لكل تسلسل اكتساب جديد سيبدأ في الصف العلوي ويمسح للأسفل.
عند ضبط هذه المعلمة على "لا"، سيبدأ الإطار الأول لكل عملية التقاط جديدة من موضع الإطار الأخير في التسلسل السابق. إذا انتهى الإطار الأخير في الصف السفلي، فسيبدأ الإطار الأول لعمليات الاستحواذ اللاحقة من الصف السفلي وينتشر لأعلى.
