25/08/08En la imatgeria industrial i científica, la captura d'objectes en moviment ràpid en condicions de poca llum presenta un repte constant. Aquí és on entren en joc les càmeres amb integració de retard de temps (TDI). La tecnologia TDI combina la sincronització de moviment i les exposicions múltiples per oferir una sensibilitat i una claredat d'imatge excepcionals, especialment en entorns d'alta velocitat.
Què és una càmera TDI?
Una càmera TDI és una càmera d'escaneig lineal especialitzada que captura imatges d'objectes en moviment. A diferència de les càmeres d'escaneig d'àrea estàndard que exposen un fotograma sencer alhora, les càmeres TDI canvien la càrrega d'una fila de píxels a la següent en sincronització amb el moviment de l'objecte. Cada fila de píxels acumula llum a mesura que el subjecte es mou, augmentant eficaçment el temps d'exposició i millorant la intensitat del senyal sense introduir un desenfocament de moviment.
Aquesta integració de càrrega augmenta dràsticament la relació senyal-soroll (SNR), cosa que fa que les càmeres TDI siguin ideals per a aplicacions d'alta velocitat o poca llum.
Com funciona una càmera TDI?
El funcionament d'una càmera TDI s'il·lustra a la Figura 1.
Figura 1: Funcionament dels sensors d'integració de retard de temps (TDI)
NOTA: Les càmeres TDI mouen les càrregues adquirides a través de múltiples "etapes" en sincronització amb un subjecte d'imatge en moviment. Cada etapa ofereix una oportunitat addicional d'estar exposat a la llum. Il·lustrat mitjançant una "T" brillant que es mou a través d'una càmera, amb un segment de 5 columnes per 5 etapes d'un sensor TDI. Tucsen Dhyana 9KTDI amb moviment de càrrega híbrid d'estil CCD però lectura paral·lela d'estil CMOS.
Les càmeres TDI són efectivament càmeres d'escaneig lineal, amb una distinció important: en lloc d'una fila de píxels que adquireixen dades a mesura que les càmeres s'escanegen a través d'un subjecte d'imatge, les càmeres TDI tenen diverses files, conegudes com a "etapes", fins a un màxim de 256.
Tanmateix, aquestes files no formen una imatge bidimensional com una càmera d'escaneig d'àrea. En canvi, a mesura que un subjecte d'imatge escanejat es mou pel sensor de la càmera, els fotoelectrons detectats dins de cada píxel es mouen a la següent fila en sincronia amb el moviment del subjecte d'imatge, sense haver estat llegits encara. Cada fila addicional proporciona una oportunitat addicional per exposar el subjecte d'imatge a la llum. Només quan una porció d'imatge arriba a la fila final de píxels del sensor, aquesta fila es passa a l'arquitectura de lectura per a la seva mesura.
Per tant, tot i que es duen a terme múltiples mesures a través de les etapes de la càmera, només s'introdueix una instància del soroll de lectura de la càmera. Una càmera TDI de 256 etapes manté la mostra a la vista 256 vegades més temps i, per tant, té un temps d'exposició 256 vegades més llarg que la càmera d'escaneig lineal equivalent. Un temps d'exposició equivalent amb una càmera d'escaneig d'àrea produiria un desenfocament de moviment extrem, fent que la imatge fos inútil.
Quan es pot utilitzar el TDI?
Les càmeres TDI són una solució excel·lent per a qualsevol aplicació d'imatge on el subjecte d'imatge estigui en moviment respecte a la càmera, sempre que el moviment sigui uniforme en tot el camp de visió de la càmera.
Per tant, les aplicacions de la imatge TDI inclouen, d'una banda, totes les de l'escaneig lineal on es formen imatges bidimensionals, alhora que aporten velocitats més grans, una sensibilitat a poca llum molt millorada, una millor qualitat d'imatge o les tres coses alhora. D'altra banda, hi ha moltes tècniques d'imatge que utilitzen càmeres d'escaneig d'àrea on es poden utilitzar càmeres TDI.
Per a la TDI sCMOS d'alta sensibilitat, la imatge de "mosaic i costura" en microscòpia de fluorescència biològica es pot realitzar mitjançant un escaneig continu de la platina en lloc de la mosaica. O tot el TDI pot ser adequat per a aplicacions d'inspecció. Una altra aplicació important per al TDI és la citometria de flux d'imatges, on s'adquireixen imatges de fluorescència de cèl·lules a mesura que passen per una càmera mentre flueixen a través d'un canal microfluídic.
Avantatges i inconvenients del sCMOS TDI
Pros
● Pot capturar imatges bidimensionals de mida arbitrària a alta velocitat en escanejar un subjecte d'imatge.
● Múltiples etapes TDI, baix soroll i alta QE poden conduir a una sensibilitat dràsticament més alta que les càmeres d'escaneig lineal.
● Es poden aconseguir velocitats de lectura molt elevades, per exemple, de fins a 510.000 Hz (línies per segon), per a una imatge de 9.072 píxels d'amplada.
●La il·luminació només ha de ser unidimensional i no pot requerir cap correcció de camp pla ni altres correccions en la segona dimensió (escanejada). A més, els temps d'exposició més llargs en comparació amb l'escaneig lineal poden "suavitzar" el parpelleig a causa de les fonts de llum de CA.
● Es poden adquirir imatges en moviment sense desenfocament de moviment i amb alta velocitat i sensibilitat.
●L'escaneig de grans àrees pot ser dràsticament més ràpid que amb les càmeres d'escaneig d'àrea.
● Amb programari avançat o configuracions de disparador, un mode similar a l'escaneig d'àrea pot proporcionar una visió general de l'escaneig d'àrea per a l'enfocament i l'alineació.
Contres
● Encara més soroll que les càmeres sCMOS convencionals, cosa que significa que les aplicacions amb molt poca llum estan fora de l'abast.
● Requereix configuracions especialitzades amb activació avançada per sincronitzar el moviment del subjecte de la imatge amb l'escaneig de la càmera, un control molt precís de la velocitat del moviment o una predicció precisa de la velocitat per permetre la sincronització.
● Com a tecnologia nova, actualment existeixen poques solucions per a la implementació de maquinari i programari.
sCMOS TDI compatible amb poca llum
Tot i que la TDI com a tècnica d'imatge és anterior a la imatge digital i fa molt de temps va superar l'escaneig lineal en rendiment, només en els darrers anys les càmeres TDI han adquirit la sensibilitat necessària per arribar a les aplicacions amb poca llum que normalment requeririen la sensibilitat de nivell científic.càmeres sCMOS.
'sCMOS TDI' combina el moviment de càrregues d'estil CCD a través del sensor amb la lectura d'estil sCMOS, amb sensors retroil·luminats disponibles. Les càmeres TDI anteriors basades en CCD o basades completament en CMOS* tenien una lectura dràsticament més lenta, un nombre de píxels més petit, menys etapes i soroll de lectura entre 30e i >100e. En canvi, les càmeres sCMOS TDI com la TucsenCàmera Dhyana 9KTDI sCMOSofereix un soroll de lectura de 7,2e-, combinat amb una major eficiència quàntica a través de la retroil·luminació, cosa que permet l'ús de TDI en aplicacions amb nivells de llum significativament més baixos que els que era possible anteriorment.
En moltes aplicacions, els temps d'exposició més llargs que habilita el procés TDI poden compensar amb escreix l'augment del soroll de lectura en comparació amb les càmeres d'escaneig d'àrea sCMOS d'alta qualitat amb un soroll de lectura proper a 1e-.
Aplicacions comunes de les càmeres TDI
Les càmeres TDI es troben en moltes indústries on la precisió i la velocitat són igualment crítiques:
● Inspecció d'oblees de semiconductors
● Proves de pantalles planes (FPD)
● Inspecció web (paper, film, làmina, tèxtils)
● Escàner de raigs X en diagnòstics mèdics o control d'equipatge
● Escaneig de diapositives i plaques multipouet en patologia digital
● Imatges hiperespectrals en teledetecció o agricultura
● Inspecció de PCB i electrònica en línies SMT
Aquestes aplicacions es beneficien del contrast, la velocitat i la claredat millorats que proporcionen les imatges TDI sota restriccions del món real.
Exemple: Escaneig de diapositives i plaques multipou
Com s'ha esmentat, una aplicació amb un potencial significatiu per a les càmeres sCMOS TDI són les aplicacions d'unió, incloent-hi l'escaneig de diapositives o plaques de múltiples pous. L'escaneig de mostres grans de microscòpia fluorescent o de camp brillant amb càmeres d'àrea bidimensional es basa en l'unió d'una graella d'imatges formada a partir de múltiples moviments d'una platina de microscopi XY. Cada imatge requereix que la platina s'aturi, s'estabilitzi i després es reiniciï, juntament amb qualsevol retard de l'obturador rodant. La TDI, en canvi, pot adquirir imatges mentre la platina està en moviment. La imatge es forma a partir d'un petit nombre de "tires" llargues, cadascuna de les quals cobreix tota l'amplada de la mostra. Això pot conduir potencialment a velocitats d'adquisició i rendiment de dades dràsticament més alts en totes les aplicacions d'unió, depenent de les condicions d'imatge.
La velocitat a la qual es pot moure la platina és inversament proporcional al temps d'exposició total de la càmera TDI, de manera que els temps d'exposició curts (1-20 ms) ofereixen la major millora en la velocitat d'imatge en comparació amb les càmeres d'escaneig d'àrea, cosa que pot conduir a una reducció d'un ordre de magnitud o més gran en el temps d'adquisició total. Per a temps d'exposició més llargs (per exemple, > 100 ms), l'escaneig d'àrea normalment pot mantenir un avantatge de temps.
A la Figura 2 es mostra un exemple d'una imatge de microscòpia de fluorescència molt gran (2 Gigapíxels) formada en només deu segons. Es podria esperar que una imatge equivalent formada amb una càmera d'escaneig d'àrea trigués fins a diversos minuts.
Figura 2: Imatge de 2 gigapíxels formada en 10 segons mitjançant escaneig i unió TDI
NOTA: Imatge amb un augment de 10x adquirida amb el Tucsen Dhyana 9kTDI de punts de retolador visualitzats amb microscòpia de fluorescència. Adquirida en 10 segons amb un temps d'exposició de 3,6 ms. Dimensions de la imatge: 30 mm x 17 mm, 58.000 x 34.160 píxels.
Sincronització de TDI
La sincronització d'una càmera TDI amb el subjecte de la imatge (amb una precisió d'uns pocs percentatges) és essencial: la discrepància de velocitat provocarà un efecte de "desenfocament de moviment". Aquesta sincronització es pot fer de dues maneres:
PredictiuLa velocitat de la càmera es configura per coincidir amb la velocitat de moviment en funció del coneixement de la velocitat de moviment de la mostra, l'òptica (augment) i la mida dels píxels de la càmera. O per assaig i error.
ActivatMoltes platines, pòrtics i altres equips de microscopi per moure subjectes d'imatge poden incloure codificadors que envien un pols de disparador a la càmera durant una distància de moviment determinada. Això permet que la platina/pòrtic i la càmera romanguin sincronitzats independentment de la velocitat de moviment.
Càmeres TDI vs. càmeres d'escaneig lineal i d'escaneig d'àrea
A continuació es mostra com es compara el TDI amb altres tecnologies d'imatge populars:
| Característica | Càmera TDI | Càmera d'escaneig lineal | Càmera d'escaneig d'àrea |
| Sensibilitat | Molt alt | Mitjà | Baix a mitjà |
| Qualitat d'imatge (moviment) | Excel·lent | Bé | Borrós a altes velocitats |
| Requisits d'il·luminació | Baix | Mitjà | Alt |
| Compatibilitat de moviment | Excel·lent (si està sincronitzat) | Bé | Pobre |
| Ideal per a | Alta velocitat, poca llum | Objectes en moviment ràpid | Escenes estàtiques o lentes |
El TDI és l'opció clara quan l'escena es mou ràpidament i els nivells de llum són limitats. L'escaneig lineal és un pas més baix en sensibilitat, mentre que l'escaneig d'àrea és millor per a configuracions simples o estacionàries.
Triar la càmera TDI adequada
A l'hora de triar una càmera TDI, cal tenir en compte el següent:
● Nombre d'etapes TDI: Més etapes augmenten la relació senyal-soroll (SNR), però també el cost i la complexitat.
● Tipus de sensor: es prefereix el sCMOS per la seva velocitat i baix soroll; el CCD encara pot ser adequat per a alguns sistemes antics.
● Interfície: assegureu-vos de la compatibilitat amb el vostre sistema: Camera Link, CoaXPress i 10GigE són opcions habituals, i 100G CoF i 40G CoF han sorgit com a noves tendències.
● Resposta espectral: trieu entre monocrom, color o infraroig proper (NIR) segons les necessitats de l'aplicació.
● Opcions de sincronització: busqueu funcions com ara entrades d'encoder o compatibilitat amb disparadors externs per a una millor alineació del moviment.
Si la vostra aplicació implica mostres biològiques delicades, inspecció d'alta velocitat o entorns amb poca llum, és probable que el sCMOS TDI sigui la solució adequada.
Conclusió
Les càmeres TDI representen una poderosa evolució en la tecnologia d'imatges, especialment quan es basen en sensors sCMOS. En combinar la sincronització de moviment amb la integració multilínia, ofereixen una sensibilitat i una claredat inigualables per a escenes dinàmiques i amb poca llum.
Tant si esteu inspeccionant oblies, escanejant diapositives o realitzant inspeccions d'alta velocitat, entendre com funciona el TDI us pot ajudar a triar la millor solució entrecàmeres científiquesper als vostres reptes d'imatge.
Preguntes freqüents
Poden les càmeres TDI funcionar en mode d'escaneig d'àrea?
Les càmeres TDI poden crear imatges bidimensionals (molt primes) en un mode similar a l'escaneig d'àrea, aconseguit mitjançant un truc de sincronització del sensor. Això pot ser útil per a tasques com l'enfocament i l'alineació.
Per començar una "exposició d'escaneig d'àrea", primer es "esborra" el sensor avançant el TDI almenys tants passos com etapes tingui la càmera, tan ràpid com sigui possible, i després s'atura. Això s'aconsegueix mitjançant control de programari o activació de maquinari, i idealment es realitza a les fosques. Per exemple, una càmera de 256 etapes hauria de llegir almenys 256 línies i després aturar-se. Aquestes 256 línies de dades es descarten.
Mentre la càmera no s'activa ni es llegeixen les línies, el sensor es comporta com un sensor d'escaneig d'àrea que exposa una imatge.
El temps d'exposició desitjat hauria de transcórrer amb la càmera inactiva, abans de tornar a avançar la càmera com a mínim el nombre d'etapes corresponents, llegint cada línia de la imatge acabada d'adquirir. Un cop més, idealment, aquesta fase de "lectura" hauria de tenir lloc a les fosques.
Aquesta tècnica es pot repetir per proporcionar una "previsualització en directe" o una seqüència d'imatges d'escaneig d'àrea amb una distorsió i un desenfocament mínims de l'operació TDI.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Tots els drets reservats. Quan citeu, si us plau, indiqueu la font:www.tucsen.com
