30.09.2025In der industriellen und wissenschaftlichen Bildgebung stellt die Erfassung schnell bewegter Objekte bei schwachem Licht eine ständige Herausforderung dar. Hier kommen Kameras mit Zeitverzögerungsintegration (TDI) zum Einsatz. Die TDI-Technologie kombiniert Bewegungssynchronisation und Mehrfachbelichtungen, um insbesondere in Umgebungen mit hohen Geschwindigkeiten eine außergewöhnliche Empfindlichkeit und Bildschärfe zu erzielen.
Was ist eine TDI-Kamera?
Eine TDI-Kamera ist eine spezielle Zeilenkamera, die Bilder von sich bewegenden Objekten aufnimmt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Flächenkameras, die ein gesamtes Bild auf einmal belichten, verschiebt eine TDI-Kamera die Ladung synchron zur Bewegung des Objekts von einer Pixelzeile zur nächsten. Jede Pixelzeile sammelt Licht, während sich das Motiv bewegt. Dadurch wird die Belichtungszeit effektiv verlängert und die Signalstärke erhöht, ohne Bewegungsunschärfe zu erzeugen.
Durch diese Ladungsintegration wird das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) deutlich verbessert, wodurch TDI-Kameras ideal für Hochgeschwindigkeits- oder Schwachlichtanwendungen geeignet sind.
Wie funktioniert eine TDI-Kamera?
Die Funktionsweise einer TDI-Kamera wird in der Abbildung veranschaulicht.
NOTIZ:TDI-Kameras bewegen erfasste Ladungen synchron mit einem sich bewegenden Objekt über mehrere „Stufen“. Jede Stufe bietet eine zusätzliche Belichtungsmöglichkeit. Veranschaulicht wird dies durch ein helles „T“, das sich über die Kamera bewegt und ein 5x5-Segment eines TDI-Sensors darstellt. Die Tucsen Dhyana 9KTDI verfügt über eine hybride Ladungsbewegung im CCD-Stil und eine parallele Auslesung im CMOS-Stil.
TDI-Kameras sind im Prinzip Zeilenkameras, mit einem wichtigen Unterschied: Anstatt dass eine Pixelreihe Daten erfasst, während die Kameras über das Bildobjekt gescannt werden, verfügen TDI-Kameras über mehrere Reihen, sogenannte „Stages“, typischerweise bis zu 256.
Diese Zeilen bilden jedoch kein zweidimensionales Bild wie bei einer Flächenkamera. Stattdessen wandern die detektierten Photoelektronen in jedem Pixel synchron zur Bewegung des Objekts in die nächste Zeile, während sich dieses über den Kamerasensor bewegt, ohne jedoch ausgelesen zu werden. Jede weitere Zeile bietet somit eine zusätzliche Möglichkeit, das Objekt zu belichten. Erst wenn ein Bildausschnitt die letzte Pixelzeile des Sensors erreicht hat, wird diese Zeile zur Messung an die Auslesearchitektur weitergeleitet.
Trotz mehrfacher Messungen in den verschiedenen Kamerastufen entsteht daher nur einmalig Ausleserauschen. Eine TDI-Kamera mit 256 Stufen erfasst die Probe 256-mal länger und bietet somit eine 256-mal längere Belichtungszeit als eine vergleichbare Zeilenkamera. Eine äquivalente Belichtungszeit mit einer Flächenkamera würde extreme Bewegungsunschärfe verursachen und das Bild unbrauchbar machen.
Wann kann TDI eingesetzt werden?
TDI-Kameras sind eine hervorragende Lösung für jede Bildgebungsanwendung, bei der sich das abgebildete Objekt relativ zur Kamera bewegt, vorausgesetzt, die Bewegung ist im gesamten Sichtfeld der Kamera gleichmäßig.
Die Anwendungsgebiete der TDI-Bildgebung umfassen daher einerseits alle Zeilenabtastverfahren, bei denen zweidimensionale Bilder erzeugt werden, und bieten gleichzeitig höhere Geschwindigkeiten, eine deutlich verbesserte Lichtempfindlichkeit, eine bessere Bildqualität oder alle drei Vorteile. Andererseits gibt es zahlreiche Bildgebungsverfahren mit Flächenkameras, bei denen TDI-Kameras eingesetzt werden können.
Bei hochempfindlichen sCMOS-TDI-Systemen kann die „Tile-and-Stitch“-Bildgebung in der biologischen Fluoreszenzmikroskopie durch kontinuierliches Scannen des Objekttisches anstelle des Tiling-Verfahrens durchgeführt werden. Alternativ eignen sich alle TDI-Verfahren hervorragend für Inspektionsanwendungen. Eine weitere wichtige Anwendung von TDI ist die bildgebende Durchflusszytometrie, bei der Fluoreszenzbilder von Zellen aufgenommen werden, während diese durch einen mikrofluidischen Kanal fließen und dabei eine Kamera passieren.
Vor- und Nachteile von sCMOS TDI
Vorteile
● Kann beim Scannen eines Bildobjekts zweidimensionale Bilder beliebiger Größe mit hoher Geschwindigkeit aufnehmen.
● Mehrere TDI-Stufen, geringes Rauschen und hohe Quanteneffizienz können zu einer drastisch höheren Empfindlichkeit als bei Zeilenkameras führen.
● Es können sehr hohe Auslesegeschwindigkeiten erreicht werden, zum Beispiel bis zu 510.000 Hz (Zeilen pro Sekunde) für ein 9.072 Pixel breites Bild.
● Die Beleuchtung muss lediglich eindimensional sein und erfordert keine Flatfield- oder sonstige Korrekturen in der zweiten (gescannten) Dimension. Zudem können längere Belichtungszeiten im Vergleich zum Zeilenscan das durch Wechselstromlichtquellen verursachte Flimmern ausgleichen.
● Bewegte Bilder können ohne Bewegungsunschärfe und mit hoher Geschwindigkeit und Empfindlichkeit aufgenommen werden.
● Das Scannen großer Bereiche kann drastisch schneller erfolgen als mit Flächenscankameras.
● Mit fortschrittlicher Software oder Trigger-Setups kann ein „flächenscanähnlicher“ Modus eine Übersicht über den Bereichsscan für Fokus und Ausrichtung bieten.
Nachteile
● Immer noch höheres Rauschen als bei herkömmlichen sCMOS-Kameras, was bedeutet, dass Anwendungen bei extrem schwachem Licht nicht möglich sind.
● Erfordert spezielle Setups mit fortschrittlicher Triggerung, um die Bewegung des abgebildeten Objekts mit dem Scannen der Kamera zu synchronisieren, eine sehr feine Kontrolle über die Bewegungsgeschwindigkeit oder eine genaue Vorhersage der Geschwindigkeit, um die Synchronisation zu ermöglichen.
● Da es sich um eine neue Technologie handelt, gibt es derzeit nur wenige Lösungen für die Hardware- und Softwareimplementierung.
sCMOS TDI mit geringer Lichtempfindlichkeit
Obwohl die TDI-Technik als Bildgebungsverfahren älter ist als die digitale Bildgebung und die Zeilenabtastung in ihrer Leistung längst übertroffen hat, haben TDI-Kameras erst in den letzten Jahren die nötige Empfindlichkeit für Anwendungen bei schwachem Licht erreicht, die normalerweise die Empfindlichkeit wissenschaftlicher Kameras erfordern würden.sCMOS-Kameras.
„sCMOS TDI“ kombiniert die CCD-ähnliche Ladungsbewegung über den Sensor mit der sCMOS-typischen Auslesetechnologie und ist auch mit rückseitig belichteten Sensoren möglich. Frühere CCD-basierte oder rein CMOS-basierte* TDI-Kameras wiesen deutlich langsamere Auslesezeiten, geringere Pixelanzahlen, weniger Stufen und ein Ausleserauschen zwischen 30e- und >100e- auf. Im Gegensatz dazu bietet sCMOS TDI, wie beispielsweise die Tucsen, deutlich mehr Möglichkeiten.Dhyana 9KTDI sCMOS-Kamerabietet ein Ausleserauschen von 7,2e-, kombiniert mit einer höheren Quanteneffizienz durch Rückbeleuchtung, wodurch der Einsatz von TDI bei deutlich geringeren Lichtstärken als bisher möglich ist.
In vielen Anwendungen können die durch das TDI-Verfahren ermöglichten längeren Belichtungszeiten den Anstieg des Ausleserauschens im Vergleich zu hochwertigen sCMOS-Flächenabtastkameras mit einem Ausleserauschen nahe 1e- mehr als kompensieren.
Häufige Anwendungsbereiche von TDI-Kameras
TDI-Kameras finden in vielen Branchen Anwendung, in denen Präzision und Geschwindigkeit gleichermaßen entscheidend sind:
●Halbleiterwafer-Inspektion
●Flachbildschirm(FPD)Testen
● Webinspektion(Papier, Film, Folie, Textilien)
● Röntgenuntersuchungen in der medizinischen Diagnostik oder Gepäckkontrolle
● Scannen von Objektträgern und Mikrotiterplatten in der digitalen Pathologie
● Hyperspektrale Bildgebung in der Fernerkundung oder Landwirtschaft
● Leiterplatten- und Elektronikprüfung in SMT-Linien
Diese Anwendungen profitieren von dem verbesserten Kontrast, der höheren Geschwindigkeit und der besseren Bildschärfe, die die TDI-Bildgebung unter realen Bedingungen bietet.
Beispiel: Scannen von Objektträgern und Multiwellplatten
Wie bereits erwähnt, bietet die Anwendung von sCMOS-TDI-Kameras großes Potenzial im Bereich des Stitchings, beispielsweise beim Scannen von Objektträgern oder Mikrotiterplatten. Das Scannen großer Proben für die Fluoreszenz- oder Hellfeldmikroskopie mit zweidimensionalen Flächenkameras basiert auf dem Zusammenfügen eines Rasters von Bildern, die durch die mehrfache Bewegung eines XY-Mikroskoptisches entstehen. Jedes Bild erfordert, dass der Tisch anhält, sich stabilisiert und anschließend wieder startet, zuzüglich der Verzögerung durch den Rolling Shutter. TDI hingegen kann Bilder aufnehmen, während sich der Tisch bewegt. Das Bild wird dann aus wenigen langen Streifen zusammengesetzt, die jeweils die gesamte Breite der Probe abdecken. Dies kann – abhängig von den Aufnahmebedingungen – potenziell zu deutlich höheren Aufnahmegeschwindigkeiten und einem höheren Datendurchsatz in allen Stitching-Anwendungen führen.
Die Bewegungsgeschwindigkeit des Objekttisches ist umgekehrt proportional zur Gesamtbelichtungszeit der TDI-Kamera. Daher bieten kurze Belichtungszeiten (1–20 ms) die größte Verbesserung der Bildgebungsgeschwindigkeit im Vergleich zu Flächenkameras, was wiederum zu einer Reduzierung der gesamten Aufnahmezeit um eine Größenordnung oder mehr führen kann. Bei längeren Belichtungszeiten (z. B. > 100 ms) behält die Flächenabtastung in der Regel ihren Zeitvorteil.
Die Abbildung zeigt ein Beispiel für ein sehr großes (2 Gigapixel) Fluoreszenzmikroskopiebild, das in nur zehn Sekunden aufgenommen wurde. Die Aufnahme eines vergleichbaren Bildes mit einer Flächenkamera würde voraussichtlich mehrere Minuten dauern.
NOTIZ:Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme von Textmarkerpunkten mit 10-facher Vergrößerung, aufgenommen mit dem Tucsen Dhyana 9kTDI. Aufnahmedauer: 10 Sekunden, Belichtungszeit: 3,6 ms. Bildgröße: 30 mm × 17 mm, 58.000 × 34.160 Pixel.
TDI synchronisieren
Die Synchronisation einer TDI-Kamera mit dem abgebildeten Objekt (bis auf wenige Prozent genau) ist unerlässlich – Geschwindigkeitsabweichungen führen zu Bewegungsunschärfe. Diese Synchronisation kann auf zwei Arten erfolgen:
Vorhersage:Die Kamerageschwindigkeit wird anhand der Bewegungsgeschwindigkeit des Beispiels, der Optik (Vergrößerung) und der Pixelgröße der Kamera angepasst. Oder durch Ausprobieren.
Ausgelöst:Viele Mikroskoptische, Portale und andere Geräte zur Bewegung von Bildobjekten können mit Encodern ausgestattet sein, die bei einer bestimmten Bewegungsstrecke einen Triggerimpuls an die Kamera senden. Dadurch bleiben Tisch/Portal und Kamera unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit synchron.
TDI-Kameras im Vergleich zu Zeilen- und Flächenkameras
Hier ein Vergleich von TDI mit anderen gängigen Bildgebungstechnologien:
| Besonderheit | TDI-Kamera | Zeilenkamera | Flächenscankamera |
| Empfindlichkeit | Sehr hoch | Medium | Niedrig bis mittel |
| Bildqualität (Bewegung) | Exzellent | Gut | Bei hohen Geschwindigkeiten verschwommen |
| Beleuchtungsanforderungen | Niedrig | Medium | Hoch |
| Bewegungskompatibilität | Hervorragend (falls synchronisiert) | Gut | Arm |
| Am besten geeignet für | Hohe Geschwindigkeit, schwaches Licht | sich schnell bewegende Objekte | Statische oder langsame Szenen |
TDI ist die optimale Wahl bei sich schnell bewegenden Szenen und geringen Lichtverhältnissen. Zeilenscan bietet eine geringere Empfindlichkeit, während Flächenscan besser für einfache oder stationäre Setups geeignet ist.
Die richtige TDI-Kamera auswählen
Bei der Auswahl einer TDI-Kamera sollten Sie Folgendes beachten:
●Anzahl der TDI-Stufen:Mehr Stufen erhöhen zwar das Signal-Rausch-Verhältnis, aber auch die Kosten und die Komplexität.
●Sensortyp:sCMOS wird aufgrund seiner Geschwindigkeit und des geringen Rauschens bevorzugt; CCD kann für einige ältere Systeme weiterhin geeignet sein.
●Schnittstelle:Stellen Sie die Kompatibilität mit Ihrem System sicher – Camera Link, CoaXPress und 10GigE sind gängige Optionen, 100G CoF und 40G CoF haben sich als neue Trends herauskristallisiert.
●Spektrale Empfindlichkeit:Je nach Anwendungsbedarf können Sie zwischen Monochrom, Farbe oder Nahinfrarot (NIR) wählen.
●Synchronisierungsoptionen:Achten Sie auf Funktionen wie Encoder-Eingänge oder Unterstützung für externe Trigger, um eine bessere Bewegungsausrichtung zu gewährleisten.
Wenn Ihre Anwendung empfindliche biologische Proben, Hochgeschwindigkeitsinspektionen oder Umgebungen mit wenig Licht umfasst, ist sCMOS TDI wahrscheinlich die richtige Wahl.
Abschluss
TDI-Kameras stellen eine bedeutende Weiterentwicklung der Bildgebungstechnologie dar, insbesondere wenn sie auf sCMOS-Sensoren basieren. Durch die Kombination von Bewegungssynchronisation mit Mehrzeilenintegration bieten sie eine unübertroffene Empfindlichkeit und Bildschärfe für dynamische Szenen bei schwachem Licht.
Ob Sie Wafer prüfen, Objektträger scannen oder Hochgeschwindigkeitsinspektionen durchführen – das Verständnis der Funktionsweise von TDI kann Ihnen bei der Auswahl der besten Lösung helfen.wissenschaftliche Kamerasfür Ihre Bildgebungsherausforderungen.
Häufig gestellte Fragen
Können TDI-Kameras im Flächenscanmodus betrieben werden?
TDI-Kameras können (sehr dünne) zweidimensionale Bilder in einem flächenabtastähnlichen Modus erzeugen, was durch einen Trick bei der Sensorsteuerung erreicht wird. Dies kann für Aufgaben wie Fokussieren und Ausrichten hilfreich sein.
Um eine Flächenaufnahme zu starten, wird der Sensor zunächst „gelöscht“, indem der TDI-Sensor so schnell wie möglich um mindestens so viele Schritte vorgeschoben wird, wie die Kamera Stufen hat. Anschließend wird der Vorgang gestoppt. Dies geschieht entweder softwaregesteuert oder hardwareseitig ausgelöst und idealerweise in Dunkelheit. Beispielsweise sollte eine Kamera mit 256 Stufen mindestens 256 Zeilen erfassen und dann stoppen. Diese 256 Datenzeilen werden verworfen.
Solange die Kamera nicht ausgelöst wird oder keine Zeilen ausgelesen werden, verhält sich der Sensor wie ein Flächensensor, der ein Bild belichtet.
Die gewünschte Belichtungszeit sollte dann bei stillstehender Kamera vergehen, bevor die Kamera mindestens um die entsprechende Anzahl an Stufen weiterbewegt wird, um jede Zeile des soeben aufgenommenen Bildes auszulesen. Idealerweise sollte diese Auslesephase im Dunkeln erfolgen.
Dieses Verfahren kann wiederholt werden, um eine „Live-Vorschau“ oder eine Sequenz von Flächenscanbildern mit minimaler Verzerrung und Unschärfe durch den TDI-Vorgang zu erzeugen.
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