22/06/15Capturar luz fora de foco é um desafio para a obtenção de imagens nítidas e de alto contraste em muitas aplicações de imagem. A Microscopia Digital de Folha de Luz (DSLM) oferece uma maneira poderosa de reduzir a captura de luz fora de foco por meio da sincronização da iluminação com o obturador giratório das câmeras CMOS modernas. No entanto, essa sincronização precisa requer controle total sobre a operação do obturador giratório da câmera – um recurso oferecido pelas câmeras Tucsen com Modo de Controle de Obturador Giratório.
O que é Rolling Shutter?
O obturador é a parte da câmera que inicia e interrompe a exposição à luz. Antigamente, as câmeras científicas usavam obturadores mecânicos, que abriam para expor uma imagem e fechavam para encerrar a exposição. Os obturadores mecânicos eram lentos e sujeitos a problemas de confiabilidade com o uso prolongado. Agora, as câmeras científicas usam obturadores eletrônicos, que são significativamente mais rápidos, simples e versáteis.
Câmeras com obturador rotativo iniciam a aquisição na parte superior do sensor e avançam linha por linha até a parte inferior. Essa aquisição envolve três processos: redefinição do sinal, exposição à luz e leitura.
A exposição de cada linha é iniciada reiniciando o sinal adquirido de cada pixel. Após o tempo de exposição designado para a linha superior, a leitura, marcando o fim da aquisição, desce da mesma forma. Isso deixa uma área de pixels ativos que se estende de cima para baixo na câmera, com sua altura determinada pela duração do tempo de exposição. Com a câmera funcionando em velocidade máxima, o atraso por linha é normalmente entre 5 e 25 microssegundos por linha de pixels, dependendo da velocidade da câmera.
Para aproveitar as vantagens das técnicas ópticas que exigem a sincronização da varredura da iluminação e do obturador giratório da câmera, esse atraso costuma ser muito curto, o que significa que o obturador giratório opera rápido demais para que outros hardwares consigam acompanhar. É aqui que entra o Modo de Controle do Obturador Giratório.
Figura 1: Diagrama esquemático da operação do obturador rolante
Como funciona o modo de controle do obturador giratório
Graças à inteligência integrada das câmeras Tucsen, a operação do obturador giratório da câmera pode ser ajustada com precisão para sincronizar com hardware externo. Adicionando um pequeno atraso adicional entre a reinicialização e a leitura de cada linha, o tempo que a área de pixel ativa leva para percorrer o sensor pode ser controlado para permitir essa sincronização.
Além disso, a "altura da fenda" da área ativa escaneada pode ser ajustada com precisão. Tempos de exposição mais longos ou atrasos de linha mais curtos resultam em uma altura de fenda maior. No caso do DSLM, isso pode ser usado para corresponder apenas à área iluminada da amostra, alcançando um equilíbrio entre expor os pixels pelo tempo máximo possível para uma captura eficaz do sinal e minimizar a luz fora de foco.
Figura2: Esquerda: Esquema da operação do obturador giratório na velocidade máxima da câmera. Direita: Esquema mostrando a velocidade do obturador giratório com o Modo de Controle do Obturador Giratório adicionando um atraso adicional entre cada linha para permitir a sincronização com outros hardwares.
Com esse atraso opcional, agora há três variáveis importantes a serem entendidas que determinam a operação do obturador giratório, indicando a altura da área de pixels 'ativos' e a velocidade com que ele atravessa o sensor.
Tempo de linha: Este é o tempo padrão que o sensor leva para ler uma linha e passar para a próxima. Ele determina a "velocidade" nativa do sensor da câmera e pode ser especificado no software da câmera ou aproximado para uma determinada região de interesse (ROI) e modo de câmera por:
Onde 'Taxa máxima de quadros da câmera' se refere à taxa de quadros quando não limitada pelo tempo de exposição ou pela taxa de disparo externo.
Período de exposição:Isso determina por quanto tempo cada linha de pixels fica ativa, determinando assim a altura da área ativa para um determinado tempo de linha e tempo de atraso.
Atraso de tempo de linha:Este é o atraso adicional adicionado pelo Modo de Controle do Obturador Rolante. O Modo de Controle do Obturador Rolante permite que o atraso seja adicionadoem múltiplos inteiros do tempo da linha. Por exemplo, se o tempo de linha para uma câmera for de 10 microssegundos, atraso adicional por linha de 1, 2,…até 8.928, podem ser adicionados, indicando o número de múltiplos de 10 microssegundos.
Também é importante a altura da região de interesse (ROI) usada, pois isso determinará o número de linhas que a área ativa deve percorrer antes de ser redefinida.
Modos de sincronização do modo de controle do obturador giratório
Há dois modos de operação para o Modo de Controle de Obturador Rolante, dependendo de qual variável é mais importante controlar.
In Modo de atraso de tempo de linha, você pode definir o tempo de atraso conforme especificado acima. O software pode então indicar, para o tempo de exposição especificado, qual será a Altura da Fenda resultante – a altura dos pixels ativos no obturador giratório.
In Pixel ativo / Altura da fendaNo modo de disparo contínuo, você pode definir o número de fileiras do sensor que deseja ativar enquanto o obturador rolante varre. O tempo de exposição especificado será usado para calcular o atraso de linha necessário para fornecer essa altura de fenda automaticamente.
Configurando o modo de controle do obturador giratório no software
Controles do modo operacional (status)
Figura 3: Exemplo de interface para controlar o Modo de Controle de Obturador Rolante do software Tucsen Mosaic. Todas as opções disponível via Micro-Manager e SDK.
Três status (modos operacionais) estão disponíveis:Off, Atraso de tempo de linha, Altura da fenda.
• Quando definido paraDesligado, o sensor se comporta normalmente, sem atraso adicional.
• Quando definido paraAtraso de tempo de linhamodo, você pode especificar o Atraso de Tempo de Linha em unidades de tempo de linha, conforme explicado acima.
Figura 4: Opções do software Line Time Delay. ExemploInterface do software Tucsen Mosaic. Todas as opções disponíveis via Micro-Manager e SDK.
O número de ciclos de tempo de linha que podem ser adicionados ao atraso configurável varia de câmera para câmera. O novo tempo de linha da câmera, após a adição do atraso, é então:
Tempo de intervalo de linha = Tempo de linha(sensor)+（Tempo de linha(sensor)× Atraso de tempo de linha）
O valor do parâmetro deVelocidade de rolamentoé igual aTempo de intervalo de linha.
O tempo total de leitura da imagem é então:
Rcabeçatempo fora(imagem)= Tempo de intervalo de linha×Nlinhas.
Nlinhasé o número total de linhas de pixels de imagem na região de interesse. A taxa de quadros ao gerar imagens neste modo depende do número de linhas a serem geradas e do tempo de ciclo da linha:
Taxa de quadros = 1/(Tempo de leitura(imagem)+ Tempo de Exposição)
•Quando definido paraAltura da fenda mode, você pode definir otamanho da área ativa escaneada, dado por to número de linhas de pixels entre o sinal de "reset" e o sinal de "readout".O intervalo de altura da fenda é de 1 a 2048, em unidades de pixel. Para converter isso para um tamanho físico, multiplique esse valor pelo tamanho do pixel da folha de especificações da câmera.
Figura 5: Opções de controle do modo Altura da Fenda. ExemploInterface do software Tucsen Mosaic. Todas as opções disponíveis via Micro-Manager e SDK.
O software calculará automaticamente o tempo de atraso da linha e o tempo de intervalo da linha necessários, a fórmula é a seguinte:
Atraso de tempo de linha = Tempo de exposição(Linhas)/ Altura da fenda(Linhas)
No Modo de Alta Velocidade (modo de ganho da câmera), a faixa de Altura da Fenda só pode ser definida como um número par, pois nesse modo as linhas são lidas duas a duas. Os parâmetros no Modo de Alta Velocidade são calculados da seguinte forma.
Atraso de tempo de linha = Tempo de exposição(Linhas)/ ½Altura da fenda(Linhas)
Altura da fenda = （Período de exposição(Linhas)÷ Atraso de tempo de linha）×2
Controles de direção de varredura
Existem três opções para a direção do obturador:
Dter：A direção de varredura para baixo é a direção de varredura padrão para câmeras sCMOS. O obturador rolante começa na primeira linha na parte superior do sensor e varre até a última linha na parte inferior. Cada aquisição de quadro subsequente começa com a primeira linha na parte superior.
Figura 6: Esquema do modo de varredura descendente
Up：No modo de varredura ascendente, o obturador rolante começa na linha inferior e varre para cima até a linha superior da primeira linha. Cada aquisição de quadro subsequente começa na linha inferior. Embora a ordem de captura de dados na câmera esteja invertida, a imagem resultante enviada ao software ainda mostrará a orientação original, ou seja, a imagem não será invertida verticalmente em relação ao modo de varredura descendente.
Figura 7: Esquema do modo de varredura ascendente
Ciclo decrescente：Ao escanear alternadamente para cima e para baixo, o obturador rolante começa na primeira fileira na parte superior e desce até a última fileira na parte inferior. Para o próximo quadro, o obturador rolante começa na fileira inferior e escaneia até a fileira superior, e assim por diante. A orientação da imagem adquirida neste modo é a mesma da orientação de escaneamento para baixo.
Figura 8: Esquema do modo de varredura do ciclo decrescente
• ReaRedefinição de direção do dout
Esta função só está disponível no modo Ciclo Descendente-Subente.
A configuração padrão para este parâmetro é "Sim", o que garante que o primeiro quadro de cada nova sequência de aquisição começará na linha mais alta e avançará para baixo.
Quando este parâmetro estiver definido como "Não", o primeiro quadro de cada nova aquisição começará na posição do último quadro da sequência anterior. Se o último quadro terminar na linha inferior, o primeiro quadro das aquisições subsequentes começará na linha inferior e se propagará para cima.
