TDI-Kameras 101: Was sie sind und wie sie funktionieren |

In der industriellen und wissenschaftlichen Bildgebung stellt die Erfassung sich schnell bewegender Objekte bei schlechten Lichtverhältnissen eine ständige Herausforderung dar. Hier kommen Time Delay Integration (TDI)-Kameras ins Spiel. Die TDI-Technologie kombiniert Bewegungssynchronisation und Mehrfachbelichtung und sorgt so für außergewöhnliche Empfindlichkeit und Bildschärfe, insbesondere in Hochgeschwindigkeitsumgebungen.

Was ist eine TDI-Kamera?

Eine TDI-Kamera ist eine spezielle Zeilenkamera, die Bilder von bewegten Objekten aufnimmt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Flächenkameras, die ein ganzes Bild auf einmal belichten, verschieben TDI-Kameras die Ladung synchron zur Bewegung des Objekts von einer Pixelreihe zur nächsten. Jede Pixelreihe sammelt Licht, während sich das Motiv bewegt. Dadurch verlängert sich die Belichtungszeit und die Signalstärke, ohne dass Bewegungsunschärfe entsteht.

Diese Ladungsintegration steigert das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) erheblich und macht TDI-Kameras ideal für Hochgeschwindigkeits- oder Schwachlichtanwendungen.

Wie funktioniert eine TDI-Kamera?

Die Funktionsweise einer TDI-Kamera ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Funktionsweise von Time Delay Integration (TDI)-Sensoren

NOTIZ: TDI-Kameras bewegen die aufgenommenen Ladungen synchron mit einem bewegten Objekt über mehrere Stufen. Jede Stufe bietet eine zusätzliche Chance, Licht ausgesetzt zu werden. Dargestellt durch ein helles „T“, das sich über eine Kamera bewegt, mit einem 5-spaltigen und 5-stufigen Segment eines TDI-Sensors. Tucsen Dhyana 9KTDI mit hybrider Ladungsbewegung im CCD-Stil, aber paralleler Auslesung im CMOS-Stil.

TDI-Kameras sind im Grunde Zeilenkameras, mit einem wichtigen Unterschied: Anstelle einer Pixelreihe, die Daten erfasst, während die Kameras über ein Bildobjekt schwenken, verfügen TDI-Kameras über mehrere Reihen, sogenannte „Stufen“, normalerweise bis zu 256.

Diese Reihen bilden jedoch kein zweidimensionales Bild wie bei einer Flächenkamera. Stattdessen wandern die erfassten Photoelektronen in jedem Pixel synchron zur Bewegung des gescannten Objekts über den Kamerasensor zur nächsten Reihe, ohne vorher ausgelesen zu werden. Jede weitere Reihe bietet somit eine zusätzliche Möglichkeit, das Objekt zu belichten. Erst wenn ein Bildausschnitt die letzte Pixelreihe des Sensors erreicht, wird er zur Messung an die Auslesearchitektur weitergeleitet.

Obwohl mehrere Messungen über die Kamerastufen hinweg durchgeführt werden, tritt daher nur ein einziges Mal das Kamera-Leserauschen auf. Eine 256-stufige TDI-Kamera behält die Probe 256-mal länger im Blick und hat daher eine 256-mal längere Belichtungszeit als eine entsprechende Zeilenkamera. Eine entsprechende Belichtungszeit mit einer Flächenkamera würde zu extremer Bewegungsunschärfe führen und das Bild unbrauchbar machen.

Wann kann TDI eingesetzt werden?

TDI-Kameras sind eine hervorragende Lösung für alle Bildgebungsanwendungen, bei denen sich das zu fotografierende Objekt relativ zur Kamera bewegt, vorausgesetzt, dass die Bewegung im gesamten Sichtfeld der Kamera gleichmäßig ist.

Zu den Anwendungen der TDI-Bildgebung zählen daher einerseits alle Zeilenabtastverfahren, bei denen zweidimensionale Bilder erzeugt werden, die höhere Geschwindigkeiten, eine deutlich verbesserte Empfindlichkeit bei schwachem Licht, eine bessere Bildqualität oder alle drei Vorteile gleichzeitig bieten. Andererseits gibt es viele Bildgebungsverfahren mit Flächenkameras, bei denen TDI-Kameras zum Einsatz kommen können.

Mit hochempfindlichem sCMOS TDI kann die „Tile-and-Stitch“-Bildgebung in der biologischen Fluoreszenzmikroskopie durch einen Nonstop-Scan des Objekttischs anstelle der Kachelung durchgeführt werden. Darüber hinaus eignet sich TDI auch gut für Inspektionsanwendungen. Eine weitere wichtige Anwendung für TDI ist die bildgebende Durchflusszytometrie, bei der Fluoreszenzbilder von Zellen aufgenommen werden, während diese an einer Kamera vorbeifließen und durch einen mikrofluidischen Kanal fließen.

Vor- und Nachteile von sCMOS TDI

Vorteile

● Kann beim Scannen über ein Bildobjekt zweidimensionale Bilder beliebiger Größe mit hoher Geschwindigkeit aufnehmen.
● Mehrere TDI-Stufen, geringes Rauschen und hohe QE können zu einer deutlich höheren Empfindlichkeit als bei Zeilenkameras führen.
● Es können sehr hohe Auslesegeschwindigkeiten erreicht werden, beispielsweise bis zu 510.000 Hz (Zeilen pro Sekunde) bei einem 9.072 Pixel breiten Bild.
●Die Beleuchtung muss nur eindimensional sein und erfordert in der zweiten (gescannten) Dimension keine Flatfield- oder andere Korrekturen. Darüber hinaus können längere Belichtungszeiten im Vergleich zum Zeilenscan das durch Wechselstromlichtquellen verursachte Flimmern „glätten“.
● Bewegtbilder können ohne Bewegungsunschärfe und mit hoher Geschwindigkeit und Empfindlichkeit aufgenommen werden.
●Das Scannen großer Bereiche kann wesentlich schneller erfolgen als mit Flächenscankameras.
● Mit erweiterter Software oder Auslöse-Setups kann ein „Bereichsscan-ähnlicher“ Modus eine Bereichsscan-Übersicht für Fokus und Ausrichtung bereitstellen.

Nachteile

● Immer noch höheres Rauschen als bei herkömmlichen sCMOS-Kameras, was bedeutet, dass Anwendungen bei extrem schwachem Licht unerreichbar sind.
● Erfordert spezielle Setups mit erweiterter Auslösung, um die Bewegung des abzubildenden Objekts mit dem Scannen der Kamera zu synchronisieren, eine sehr genaue Kontrolle über die Bewegungsgeschwindigkeit oder eine genaue Vorhersage der Geschwindigkeit, um die Synchronisierung zu ermöglichen.
● Da es sich um eine neue Technologie handelt, gibt es derzeit nur wenige Lösungen für die Hardware- und Softwareimplementierung.

Schwachlichtfähiger sCMOS TDI

Obwohl TDI als Bildgebungsverfahren schon vor der digitalen Bildgebung existierte und die Leistung von Zeilenkameras schon lange übertraf, haben TDI-Kameras erst in den letzten Jahren die erforderliche Empfindlichkeit erreicht, um Anwendungen bei schwachem Licht zu erreichen, für die normalerweise die Empfindlichkeit wissenschaftlicher Kameras erforderlich wäre.sCMOS-Kameras.

sCMOS TDI kombiniert die CCD-ähnliche Ladungsbewegung über den Sensor mit der sCMOS-ähnlichen Auslesung und ist mit rückwärtig beleuchteten Sensoren erhältlich. Frühere CCD-basierte oder rein CMOS-basierte* TDI-Kameras hatten eine deutlich langsamere Auslesung, geringere Pixelzahlen, weniger Stufen und ein Leserauschen zwischen 30e- und >100e-. Im Gegensatz dazu bieten sCMOS TDI wie die TucsenDhyana 9KTDI sCMOS-Kamerabietet ein Lese-Rauschen von 7,2e-, kombiniert mit einer höheren Quanteneffizienz durch Hintergrundbeleuchtung, wodurch der Einsatz von TDI in Anwendungen mit deutlich geringerer Lichtintensität als bisher möglich ist.

In vielen Anwendungen können die durch den TDI-Prozess ermöglichten längeren Belichtungszeiten den Anstieg des Lese-Rauschens im Vergleich zu hochwertigen sCMOS-Flächenkameras mit einem Lese-Rauschen nahe 1e- mehr als ausgleichen.

Gängige Anwendungen von TDI-Kameras

TDI-Kameras finden sich in vielen Branchen, in denen Präzision und Geschwindigkeit gleichermaßen entscheidend sind:

● Inspektion von Halbleiterwafern
● Testen von Flachbildschirmen (FPD)
● Bahninspektion (Papier, Film, Folie, Textilien)
● Röntgenuntersuchungen in der medizinischen Diagnostik oder Gepäckkontrolle
● Scannen von Objektträgern und Multi-Well-Platten in der digitalen Pathologie
● Hyperspektrale Bildgebung in der Fernerkundung oder Landwirtschaft
● Leiterplatten- und Elektronikprüfung in SMT-Linien

Diese Anwendungen profitieren vom verbesserten Kontrast, der Geschwindigkeit und der Klarheit, die die TDI-Bildgebung unter realen Bedingungen bietet.

Beispiel: Scannen von Objektträgern und Multi-Well-Platten

Wie bereits erwähnt, ist Stitching-Anwendung, einschließlich des Scannens von Objektträgern oder Multi-Well-Platten, eine vielversprechende Anwendung für sCMOS-TDI-Kameras. Das Scannen großer Fluoreszenz- oder Hellfeldmikroskopieproben mit zweidimensionalen Flächenkameras basiert auf dem Stitching eines Bildrasters, das aus mehreren Bewegungen eines XY-Mikroskoptisches erstellt wird. Für jedes Bild muss der Tisch angehalten, zur Ruhe gebracht und anschließend neu gestartet werden, zusammen mit einer eventuellen Verzögerung des Rolling Shutters. TDI hingegen kann Bilder aufnehmen, während der Tisch in Bewegung ist. Das Bild wird dann aus einer kleinen Anzahl langer „Streifen“ zusammengesetzt, die jeweils die gesamte Breite der Probe abdecken. Dies kann je nach Bildgebungsbedingungen potenziell zu deutlich höheren Aufnahmegeschwindigkeiten und einem höheren Datendurchsatz bei allen Stitching-Anwendungen führen.

Die Geschwindigkeit, mit der sich der Tisch bewegen kann, ist umgekehrt proportional zur Gesamtbelichtungszeit der TDI-Kamera. Daher bieten kurze Belichtungszeiten (1–20 ms) die größte Verbesserung der Bildgeschwindigkeit im Vergleich zu Flächenkameras, was wiederum zu einer um ein Vielfaches oder mehr verkürzten Gesamtaufnahmezeit führen kann. Bei längeren Belichtungszeiten (z. B. > 100 ms) bleibt mit Flächenkameras in der Regel ein Zeitvorteil bestehen.

Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für ein sehr großes (2 Gigapixel) Fluoreszenzmikroskopiebild, das in nur zehn Sekunden erstellt wird. Die Erstellung eines entsprechenden Bildes mit einer Flächenkamera kann mehrere Minuten dauern.

Abbildung 2: 2-Gigapixel-Bild, das in 10 Sekunden durch TDI-Scannen und -Stitching erstellt wird

NOTIZ: 10-fach vergrößertes Bild von Textmarkerpunkten, aufgenommen mit dem Tucsen Dhyana 9kTDI, betrachtet mit Fluoreszenzmikroskopie. Aufgenommen in 10 Sekunden bei einer Belichtungszeit von 3,6 ms. Bildabmessungen: 30 mm x 17 mm, 58.000 x 34.160 Pixel.

TDI synchronisieren

Die Synchronisierung einer TDI-Kamera mit dem Aufnahmeobjekt (auf wenige Prozent genau) ist unerlässlich – Geschwindigkeitsabweichungen führen zu Bewegungsunschärfe. Diese Synchronisierung kann auf zwei Arten erfolgen:

Prädiktiv: Die Kamerageschwindigkeit wird basierend auf der Kenntnis der Bewegungsgeschwindigkeit des Beispiels, der Optik (Vergrößerung) und der Pixelgröße der Kamera an die Bewegungsgeschwindigkeit angepasst. Oder durch Ausprobieren.

Ausgelöst: Viele Mikroskoptische, Portale und andere Geräte zum Bewegen von Bildobjekten können Encoder enthalten, die für eine bestimmte Bewegungsdistanz 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

So schneidet TDI im Vergleich zu anderen gängigen Bildgebungstechnologien ab:

Besonderheit	TDI-Kamera	Zeilenkamera	Flächenkamera
Empfindlichkeit	Sehr hoch	Medium	Niedrig bis Mittel
Bildqualität (Bewegung)	Exzellent	Gut	Unscharf bei hohen Geschwindigkeiten
Beleuchtungsanforderungen	Niedrig	Medium	Hoch
Bewegungskompatibilität	Ausgezeichnet (wenn synchronisiert)	Gut	Arm
Am besten für	Hohe Geschwindigkeit, wenig Licht	Schnell bewegte Objekte	Statische oder langsame Szenen

TDI ist die klare Wahl, wenn sich die Szene schnell bewegt und die Lichtverhältnisse begrenzt sind. Zeilenscan weist eine geringere Empfindlichkeit auf, während Flächenscan für einfache oder stationäre Setups besser geeignet ist.

Auswahl der richtigen TDI-Kamera

Beachten Sie bei der Auswahl einer TDI-Kamera Folgendes:

● Anzahl der TDI-Stufen: Mehr Stufen erhöhen das SNR, aber auch die Kosten und die Komplexität.
● Sensortyp: sCMOS wird aufgrund seiner Geschwindigkeit und des geringen Rauschens bevorzugt; CCD kann für einige ältere Systeme noch 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 Reaktion: Wählen Sie je nach Anwendungsanforderungen zwischen Monochrom, Farbe oder Nahinfrarot (NIR).
● Synchronisierungsoptionen: Achten Sie auf Funktionen wie Encodereingängen oder externer Triggerunterstützung für eine bessere Bewegungsausrichtung.

Wenn Ihre Anwendung empfindliche biologische Proben, Hochgeschwindigkeitsinspektionen oder Umgebungen mit schwachem Licht umfasst, ist sCMOS TDI wahrscheinlich die richtige Wahl.

Abschluss

TDI-Kameras stellen eine leistungsstarke Weiterentwicklung der Bildtechnologie dar, insbesondere wenn sie auf sCMOS-Sensoren basieren. Durch die Kombination von Bewegungssynchronisation und Mehrzeilenintegration bieten sie unübertroffene Empfindlichkeit und Klarheit für dynamische Szenen mit wenig Licht.

Ob Sie Wafer prüfen, Objektträger scannen oder Hochgeschwindigkeitsprüfungen durchführen, das Verständnis der Funktionsweise von TDI kann Ihnen dabei helfen, die beste Lösung unterwissenschaftliche Kamerasfür Ihre Bildgebungsherausforderungen.

Häufig gestellte Fragen

Können TDI-Kameras im Flächenscanmodus betrieben werden?

TDI-Kameras können (sehr dünne) zweidimensionale Bilder in einem „flächenscanähnlichen“ Modus erzeugen, der durch einen Trick der Sensortaktung erreicht wird. Dies kann für Aufgaben wie Fokussierung und Ausrichtung hilfreich sein.

Um eine Flächenscan-Belichtung zu starten, wird der Sensor zunächst „gelöscht“, indem der TDI so schnell wie möglich mindestens so viele Schritte vorgeschoben wird, wie die Kamera Stufen hat, und dann angehalten wird. Dies geschieht entweder softwaregesteuert oder hardwaregesteuert und wird idealerweise bei Dunkelheit durchgeführt. Beispielsweise sollte eine 256-Stufen-Kamera mindestens 256 Zeilen lesen und dann anhalten. Diese 256 Datenzeilen werden verworfen.

Solange die Kamera nicht ausgelöst wird oder Zeilen ausgelesen werden, verhält sich der Sensor wie ein Flächensensor, der ein Bild belichtet.

Anschließend sollte die gewünschte Belichtungszeit im Ruhezustand der Kamera vergehen, bevor die Kamera erneut um mindestens die entsprechende Anzahl von Schritten weitergeschaltet wird und jede Zeile des gerade aufgenommenen Bildes ausgelesen wird. Auch diese Auslesephase sollte idealerweise im Dunkeln erfolgen.

Diese Technik kann wiederholt werden, um eine „Live-Vorschau“ oder eine Sequenz von Flächenscanbildern mit minimaler Verzerrung und Unschärfe durch den TDI-Vorgang bereitzustellen.