22.06.15Die Erfassung von unscharfem Licht ist in vielen Bildgebungsanwendungen eine Herausforderung für die Erzielung klarer, kontrastreicher Bilder. Die digitale Lichtblattmikroskopie (DSLM) bietet eine leistungsstarke Möglichkeit, die Erfassung von unscharfem Licht durch die Synchronisierung der Beleuchtung mit dem Rolling Shutter moderner CMOS-Kameras zu reduzieren. Diese präzise Synchronisierung erfordert jedoch die vollständige Kontrolle über den Betrieb des Rolling Shutters der Kamera – eine Funktion, die Tucsen-Kameras mit Rolling Shutter Control Mode bieten.
Was ist Rolling Shutter?
Der Verschluss ist der Teil der Kamera, der die Belichtung der Kamera startet und stoppt. Früher verwendeten wissenschaftliche Kameras mechanische Verschlüsse, die sich zum Belichten eines Bildes öffneten und zum Beenden der Belichtung schlossen. Mechanische Verschlüsse waren langsam und hatten bei längerem Gebrauch Probleme mit der Zuverlässigkeit. Heute verwenden wissenschaftliche Kameras elektronische Verschlüsse, die deutlich schneller, einfacher und vielseitiger sind.
Rolling-Shutter-Kameras beginnen ihre Aufnahme am oberen Ende des Sensors und rollen die Bilder Zeile für Zeile nach unten. Diese Aufnahme umfasst drei Prozesse: Signalrücksetzung, Belichtung und Auslesen.
Die Belichtung jeder Zeile beginnt mit dem Zurücksetzen des erfassten Signals jedes Pixels. Nach Ablauf der festgelegten Belichtungszeit für die oberste Zeile wird die Anzeige, die das Ende der Erfassung markiert, auf die gleiche Weise nach unten verschoben. Dadurch bleibt ein Bereich aktiver Pixel übrig, der sich von oben nach unten über die Kamera erstreckt und dessen Höhe durch die Länge der Belichtungszeit bestimmt wird. Bei voller Kamerageschwindigkeit beträgt die Verzögerung pro Zeile typischerweise zwischen 5 und 25 Mikrosekunden pro Pixelzeile, abhängig von der Geschwindigkeit der Kamera.
Um die Vorteile optischer Techniken zu nutzen, die eine Synchronisierung der Beleuchtungsabtastung und des Rolling Shutters der Kamera erfordern, ist diese Verzögerung in der Regel zu kurz. Das bedeutet, dass der Rolling Shutter zu schnell arbeitet, als dass die andere Hardware mithalten könnte. Hier kommt der Rolling Shutter-Steuerungsmodus ins Spiel.
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Rollladenfunktion
Funktionsweise des Rollladen-Steuerungsmodus
Dank der integrierten Intelligenz der Tucsen-Kameras lässt sich der Rolling Shutter der Kamera präzise auf die Synchronisierung mit externer Hardware abstimmen. Durch eine kleine zusätzliche Verzögerung zwischen dem Zurücksetzen und dem Auslesen jeder Zeile lässt sich die Zeit, die der aktive Pixelbereich zum Überstreichen des Sensors benötigt, steuern, um diese Synchronisierung zu ermöglichen.
Darüber hinaus lässt sich die Spalthöhe des gescannten aktiven Bereichs feinjustieren. Längere Belichtungszeiten oder kürzere Zeilenverzögerungen führen zu einer größeren Spalthöhe. Bei DSLM kann dies genutzt werden, um nur den beleuchteten Bereich der Probe anzupassen und so ein Gleichgewicht zwischen der maximal möglichen Belichtungszeit der Pixel für eine effektive Signalerfassung und der Minimierung von unscharfem Licht zu erreichen.
Figur2: Links: Schema des Rolling-Shutter-Betriebs bei voller Kamerageschwindigkeit. Rechts: Schema der Rolling-Shutter-Geschwindigkeit mit Rolling-Shutter-Steuerungsmodus, bei dem zwischen den einzelnen Zeilen eine zusätzliche Verzögerung hinzugefügt wird, um die Synchronisierung mit anderer Hardware zu ermöglichen.
Mit dieser optionalen Verzögerung müssen nun drei wichtige Variablen verstanden werden, die den Betrieb des Rolling Shutters bestimmen. Sie geben die Höhe des Bereichs „aktiver“ Pixel an und wie schnell dieser den Sensor durchquert.
Leitungszeit: Dies ist die Standardzeit, die der Sensor benötigt, um eine Zeile auszulesen und zur nächsten zu wechseln. Sie bestimmt die native „Geschwindigkeit“ des Kamerasensors und kann in der Kamerasoftware angegeben oder für einen bestimmten Bereich von Interesse (ROI) und Kameramodus wie folgt angenähert werden:
Dabei bezieht sich „Maximale Kamerabildrate“ auf die Bildrate, wenn sie weder durch die Belichtungszeitdauer noch durch die externe Auslöserate begrenzt ist.
Expositionszeit:Dadurch wird bestimmt, wie lange jede Pixelzeile aktiv ist, und somit die Höhe des aktiven Bereichs für eine bestimmte Zeilenzeit und Verzögerungszeit bestimmt.
Leitungszeitverzögerung:Dies ist die zusätzliche Verzögerung, die durch den Rolling Shutter Control Mode hinzugefügt wird. Der Rolling Shutter Control Mode ermöglicht die Hinzufügung von Verzögerungenin ganzzahligen Vielfachen der Zeilenzeit. Wenn beispielsweise die Zeilenzeit für eine Kamera 10 Mikrosekunden beträgt, ist eine zusätzliche Verzögerung pro Zeile von 1, 2,…bis zu 8.928 können hinzugefügt werden, was die Anzahl der Vielfachen von 10 Mikrosekunden angibt.
Wichtig ist auch die Höhe des verwendeten Bereichs von Interesse (ROI), da diese die Anzahl der Zeilen bestimmt, die der aktive Bereich vor dem Zurücksetzen durchlaufen muss.
Rolling Shutter-Steuerungsmodus Synchronisierungsmodi
Es gibt zwei Betriebsarten für den Rollladen-Steuerungsmodus, je nachdem, welche Variable für die Steuerung wichtiger ist.
In Leitungszeitverzögerungsmoduskönnen Sie die Verzögerungszeit wie oben angegeben einstellen. Die Software kann dann für die angegebene Belichtungszeit die resultierende Spalthöhe angeben – die Höhe der aktiven Pixel im Rolling Shutter.
In Aktive Pixel-/SchlitzhöheIm Modus „Sichtfenster“ können Sie die Anzahl der Sensorzeilen festlegen, die beim Durchlaufen des Rolling Shutters aktiv sein sollen. Die von Ihnen angegebene Belichtungszeit wird dann verwendet, um die erforderliche Zeilenverzögerung zu berechnen, um diese Spalthöhe automatisch zu erreichen.
Einrichten des Rolling-Shutter-Steuerungsmodus in der Software
Steuerelemente für den Betriebsmodus (Status)
Abbildung 3: Beispielschnittstelle zur Steuerung des Rollladen-Steuerungsmodus über die Tucsen Mosaic-Software. Alle Optionen verfügbar über Micro-Manager und SDK.
Es stehen drei Status (Betriebsmodi) zur Verfügung:Off, Leitungszeitverzögerung, Schlitzhöhe.
• Bei Einstellung aufAus, der Sensor verhält sich normal, ohne dass eine zusätzliche Verzögerung hinzugefügt wird.
• Bei Einstellung aufLeitungszeitverzögerungIm Modus „Zeilenzeitverzögerung“ können Sie die Zeilenzeitverzögerung in Einheiten der Zeilenzeit angeben, wie oben erläutert.
Abbildung 4: Softwareoptionen für die Leitungszeitverzögerung. BeispielSchnittstelle der Tucsen Mosaic-Software. Alle Optionen über Micro-Manager und SDK verfügbar.
Die Anzahl der Zeilenzeitzyklen, die zur konfigurierbaren Verzögerung hinzugefügt werden können, variiert von Kamera zu Kamera. Die neue Zeilenzeit der Kamera beträgt nach der Verzögerung dann:
Zeilenintervallzeit = Zeilenzeit(Sensor)+（Linienzeit(Sensor)× Leitungszeitverzögerung）
Der Parameterwert vonRollgeschwindigkeitist gleichZeilenintervallzeit.
Die Gesamtauslesezeit des Bildes beträgt dann:
Rlesenout Zeit(Bild)= Zeilenintervallzeit×NReihen.
NReihenist die Gesamtzahl der Pixelzeilen im relevanten Bereich. Die Bildrate in diesem Modus hängt von der Anzahl der abzubildenden Zeilen und der Zeilenzykluszeit ab:
Bildrate = 1/(Auslesezeit(Bild)+ Belichtungszeit)
•Bei Einstellung aufSchlitzhöhe mode können Sie dieGröße des gescannten aktiven Bereichs, gegeben durch tDie Anzahl der Pixelreihen zwischen dem „Reset“-Signal und dem „Readout“-Signal.Der Bereich der Spalthöhe beträgt 1 bis 2048 Pixel. Um dies in eine physikalische Größe umzurechnen, multiplizieren Sie diesen Wert mit der Pixelgröße aus dem Datenblatt der Kamera.
Abbildung 5: Steuerungsoptionen für den Schlitzhöhenmodus. BeispielSchnittstelle der Tucsen Mosaic-Software. Alle Optionen über Micro-Manager und SDK verfügbar.
Die Software berechnet automatisch die erforderliche Leitungszeitverzögerung und Leitungsintervallzeit. Die Formel lautet wie folgt:
Zeilenverzögerung = Belichtungszeit(Linien)/ Schlitzhöhe(Linien)
Im High-Speed-Modus (Verstärkungsmodus der Kamera) kann der Spalthöhenbereich nur auf eine gerade Zahl eingestellt werden, da in diesem Modus die Zeilen paarweise ausgelesen werden. Die Parameter im High-Speed-Modus werden wie folgt berechnet.
Zeilenverzögerung = Belichtungszeit(Linien)/ ½ Schlitzhöhe(Linien)
Schlitzhöhe = （Expositionszeit(Linien)÷ Leitungszeitverzögerung）×2
Steuerung der Scanrichtung
Für die Richtung des Rollladens gibt es drei Möglichkeiten:
Deigen：Die Abwärts-Scanrichtung ist die Standard-Scanrichtung für sCMOS-Kameras. Der Rolling Shutter beginnt in der ersten Reihe oben am Sensor und scannt bis zur letzten Reihe unten. Jede nachfolgende Bildaufnahme beginnt in der ersten Reihe oben.
Abbildung 6: Schema des Abwärtsscanmodus
Up：Im Aufwärtsscanmodus beginnt der Rollladen in der unteren Reihe und scannt bis zur obersten Reihe der ersten Reihe. Jede weitere Bildaufnahme beginnt in der unteren Reihe. Obwohl die Reihenfolge der Datenerfassung auf der Kamera nun umgekehrt ist, zeigt das an die Software übermittelte Bild weiterhin die ursprüngliche Ausrichtung, d. h. das Bild wird im Vergleich zum Abwärtsscanmodus nicht vertikal gespiegelt.
Abbildung 7: Schema des Aufwärtsscanmodus
Down-Up-Zyklus：Beim abwechselnden Auf- und Abwärtsscannen beginnt der Rolling Shutter in der ersten Zeile oben und läuft bis zur letzten Zeile unten. Für das nächste Bild beginnt der Rolling Shutter in der unteren Zeile und scannt bis zur oberen Zeile usw. Die Ausrichtung des in diesem Modus aufgenommenen Bildes ist dieselbe wie beim Abwärtsscannen.
Abbildung 8: Schema des Down-Up-Zyklus-Scanmodus
• Readout Richtung zurücksetzen
Diese Funktion ist nur im Down-Up-Cycle-Modus verfügbar.
Die Standardeinstellung für diesen Parameter ist „Ja“, wodurch sichergestellt wird, dass das erste Bild jeder neuen Erfassungssequenz in der obersten Zeile beginnt und nach unten gescannt wird.
Wenn dieser Parameter auf „Nein“ gesetzt ist, beginnt das erste Bild jeder neuen Erfassung an der Position des letzten Bilds der vorherigen Sequenz. Endet das letzte Bild in der untersten Zeile, beginnt das erste Bild nachfolgender Erfassungen in der untersten Zeile und wird nach oben fortgeführt.
