22/07/13La Integración de Retardo Temporal (TDI) es una técnica de imagen anterior a la digital, pero que aún ofrece enormes ventajas en la vanguardia de la imagen actual. Hay dos circunstancias en las que las cámaras TDI destacan: cuando el sujeto está en movimiento:
1 – El sujeto de la imagen está inherentemente en movimiento con una velocidad constante, como en la inspección web (como el escaneo de hojas de papel, plástico o tela en movimiento para detectar defectos y daños), líneas de montaje o microfluídica y flujos de fluidos.
2 – Imágenes estáticas de sujetos que pueden ser captadas por una cámara que se desplaza de un área a otra, ya sea moviendo el sujeto o la cámara. Ejemplos de ello son el escaneo de portaobjetos, la inspección de materiales, la inspección de pantallas planas, etc.
Si alguna de estas circunstancias pudiera aplicarse a sus imágenes, esta página web lo ayudará a considerar si un cambio de las cámaras de "escaneo de área" bidimensionales convencionales a las cámaras TDI de escaneo lineal podría mejorar sus imágenes.
El problema con el escaneo de área y los objetivos móviles
● Desenfoque de movimiento
Algunos objetos que se capturan en imágenes se mueven por necesidad, por ejemplo, en el flujo de fluidos o la inspección de bandas. En otras aplicaciones, como el escaneo de diapositivas y la inspección de materiales, mantener el objeto en movimiento puede ser considerablemente más rápido y eficiente que detener el movimiento para cada imagen adquirida. Sin embargo, para las cámaras de escaneo de área, si el objeto se mueve con respecto a la cámara, esto puede representar un desafío.
El desenfoque de movimiento distorsiona la imagen de un vehículo en movimiento
En situaciones con poca iluminación o donde se requiere una alta calidad de imagen, podría ser conveniente un tiempo de exposición prolongado. Sin embargo, el movimiento del sujeto dispersará su luz sobre varios píxeles de la cámara durante la exposición, lo que produce desenfoque de movimiento. Esto se puede minimizar manteniendo exposiciones muy cortas, por debajo del tiempo que tardaría un punto del sujeto en atravesar un píxel de la cámara. Esta es launGeneralmente a expensas de imágenes oscuras, ruidosas y a menudo inutilizables.
●Puntadas
Además, obtener imágenes de sujetos grandes o continuos con cámaras de escaneo de área suele requerir la adquisición de múltiples imágenes, que luego se unen. Esta unión requiere la superposición de píxeles entre imágenes adyacentes, lo que reduce la eficiencia y aumenta los requisitos de almacenamiento y procesamiento de datos.
●Iluminación desigual
Además, la iluminación rara vez será lo suficientemente uniforme como para evitar problemas y artefactos en los bordes entre las imágenes unidas. Asimismo, para proporcionar iluminación con la intensidad suficiente en un área lo suficientemente amplia para la cámara de escaneo de área, a menudo se requieren fuentes de luz de CC de alta potencia y alto coste.
Iluminación desigual al unir una adquisición de múltiples imágenes del cerebro de un ratón. Imagen de Watson et al. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
¿Qué es una cámara TDI y cómo ayuda?
En las cámaras de escaneo de área bidimensional convencionales, la adquisición de una imagen consta de tres fases: restablecimiento de píxeles, exposición y lectura. Durante la exposición, se detectan los fotones de la escena, lo que genera fotoelectrones que se almacenan en los píxeles de la cámara hasta el final de la exposición. A continuación, se leen los valores de cada píxel y se forma una imagen 2D. Los píxeles se restablecen y se liberan todas las cargas para comenzar la siguiente exposición.
Sin embargo, como se mencionó, si el sujeto se mueve con respecto a la cámara, su luz puede dispersarse por varios píxeles durante la exposición, lo que produce desenfoque de movimiento. Las cámaras TDI superan esta limitación mediante una técnica innovadora, como se muestra en [Animación 1].
●Cómo funcionan las cámaras TDI
Las cámaras TDI funcionan de forma fundamentalmente diferente a las cámaras de escaneo de área. A medida que el sujeto se mueve por la cámara durante la exposición, las cargas electrónicas que componen la imagen adquirida también se mueven, manteniéndose sincronizadas. Durante la exposición, las cámaras TDI pueden redistribuir todas las cargas adquiridas de una fila de píxeles a la siguiente, sincronizadas con el movimiento del sujeto. A medida que el sujeto se mueve por la cámara, cada fila (conocida como "etapa TDI") ofrece una nueva oportunidad para exponer la cámara al sujeto y acumular señal.
Una vez que una fila de cargas adquiridas llega al extremo de la cámara, solo entonces se leen los valores y se almacenan como un corte unidimensional de la imagen. La imagen bidimensional se forma uniendo cada corte sucesivo de la imagen a medida que la cámara los lee. Cada fila de píxeles de la imagen resultante sigue y captura el mismo "corte" del sujeto, lo que significa que, a pesar del movimiento, no hay borrosidad.
●Exposición 256 veces más larga
Con las cámaras TDI, el tiempo de exposición efectivo de la imagen se calcula mediante el tiempo total que tarda un punto del sujeto en recorrer cada fila de píxeles, con hasta 256 etapas disponibles en algunas cámaras TDI. Esto significa que el tiempo de exposición disponible es 256 veces mayor que el que podría alcanzar una cámara de escaneo de área.
Esto puede ofrecer dos mejoras, o un equilibrio entre ambas. En primer lugar, se puede lograr un aumento significativo en la velocidad de captura de imágenes. En comparación con una cámara de escaneo de área, el sujeto puede moverse hasta 256 veces más rápido mientras captura la misma cantidad de señal, siempre que la velocidad de línea de la cámara sea lo suficientemente rápida como para mantener el ritmo.
Por otro lado, si se requiere una mayor sensibilidad, un mayor tiempo de exposición podría permitir obtener imágenes de mucha mayor calidad, una menor intensidad de iluminación o ambas.
●Gran rendimiento de datos sin costura
Dado que la cámara TDI produce una imagen bidimensional a partir de cortes unidimensionales sucesivos, la imagen resultante puede ser tan grande como se requiera. Mientras que el número de píxeles en la dirección horizontal viene dado por el ancho de la cámara (por ejemplo, 9072 píxeles), el tamaño vertical de la imagen es ilimitado y depende simplemente del tiempo de funcionamiento de la cámara. Con velocidades de línea de hasta 510 kHz, esto permite un rendimiento de datos masivo.
Además, las cámaras TDI pueden ofrecer campos de visión muy amplios. Por ejemplo, una cámara de 9072 píxeles con píxeles de 5 µm proporciona un campo de visión horizontal de 45 mm con alta resolución. Para lograr la misma amplitud de imagen con una cámara de escaneo de área de 5 µm, se necesitarían hasta tres cámaras 4K en paralelo.
●Mejoras con respecto a las cámaras de escaneo lineal
Las cámaras TDI no solo ofrecen mejoras con respecto a las cámaras de escaneo de área. Las cámaras de escaneo lineal, que capturan solo una línea de píxeles, también presentan muchos de los mismos problemas de intensidad de la iluminación y exposiciones cortas que las cámaras de escaneo de área.
Aunque, al igual que las cámaras TDI, las cámaras de escaneo lineal ofrecen una iluminación más uniforme con una configuración más sencilla y evitan la necesidad de unir imágenes, a menudo requieren una iluminación muy intensa o un movimiento lento del sujeto para capturar suficiente señal y obtener una imagen de alta calidad. Las exposiciones más largas y las velocidades de sujeto más rápidas que permiten las cámaras TDI permiten utilizar una iluminación de menor intensidad y menor coste, mejorando así la eficiencia de la imagen. Por ejemplo, una línea de producción podría migrar de luces halógenas de alto coste y alto consumo que requieren alimentación de CC a iluminación LED.
¿Cómo funcionan las cámaras TDI?
Hay tres estándares comunes sobre cómo lograr imágenes TDI en un sensor de cámara.
● CCD TDILas cámaras CCD son el tipo más antiguo de cámaras digitales. Gracias a su diseño electrónico, lograr el comportamiento TDI en una CCD es relativamente sencillo, ya que muchos sensores de cámara son capaces de operar de esta manera. Por lo tanto, las CCD TDI se han utilizado durante décadas.
Sin embargo, la tecnología CCD tiene sus limitaciones. El tamaño de píxel más pequeño disponible para las cámaras CCD TDI ronda los 12 µm x 12 µm. Esto, sumado al reducido número de píxeles, limita la capacidad de las cámaras para captar detalles finos. Además, la velocidad de adquisición es menor que la de otras tecnologías, mientras que el ruido de lectura —un factor limitante importante en la captura de imágenes con poca luz— es elevado. El consumo de energía también es elevado, un factor clave en algunas aplicaciones. Esto motivó el desarrollo de cámaras TDI basadas en arquitectura CMOS.
●TDI CMOS temprano: dominio de voltaje y suma digital
Las cámaras CMOS superan muchas de las limitaciones de ruido y velocidad de las cámaras CCD, a la vez que consumen menos energía y ofrecen tamaños de píxel más pequeños. Sin embargo, el comportamiento TDI era mucho más difícil de lograr en las cámaras CMOS debido al diseño de sus píxeles. Mientras que los CCD desplazan físicamente los fotoelectrones de un píxel a otro para gestionar el sensor, las cámaras CMOS convierten las señales de los fotoelectrones en voltajes en cada píxel antes de la lectura.
El comportamiento de la TDI en un sensor CMOS se ha explorado desde 2001; sin embargo, el desafío de cómo gestionar la "acumulación" de señal a medida que la exposición pasa de una fila a la siguiente era significativo. Dos métodos tempranos para la TDI CMOS, aún utilizados en cámaras comerciales hoy en día, son la acumulación en el dominio del voltaje y la suma digital CMOS TDI. En las cámaras de acumulación en el dominio del voltaje, a medida que se adquiere cada fila de señal a medida que el sujeto se mueve, el voltaje adquirido se suma electrónicamente a la adquisición total de esa parte de la imagen. Esta acumulación de voltajes introduce ruido adicional por cada etapa TDI adicional que se agrega, lo que limita los beneficios de las etapas adicionales. Los problemas de linealidad también dificultan el uso de estas cámaras para aplicaciones precisas.
El segundo método es la suma digital (TDI). En este método, una cámara CMOS funciona en modo de escaneo de área con una exposición muy corta, ajustada al tiempo que tarda el sujeto en moverse por una sola fila de píxeles. Sin embargo, las filas de cada fotograma sucesivo se suman digitalmente para crear un efecto TDI. Dado que se debe leer toda la cámara para cada fila de píxeles de la imagen resultante, esta suma digital también añade el ruido de lectura de cada fila y limita la velocidad de adquisición.
●El estándar moderno: TDI CMOS de dominio de carga, o TDI CCD sobre CMOS
Las limitaciones de la TDI CMOS mencionadas anteriormente se han superado recientemente gracias a la introducción de la TDI CMOS con acumulación en el dominio de carga, también conocida como TDI CCD sobre CMOS. El funcionamiento de estos sensores se muestra en la [Animación 1]. Como su nombre indica, estos sensores ofrecen un movimiento de cargas similar al de un CCD de un píxel a otro, acumulando la señal en cada etapa de la TDI mediante la adición de fotoelectrones a nivel de cargas individuales. Esto se realiza de forma prácticamente libre de ruido. Sin embargo, las limitaciones de la TDI CCD se superan gracias al uso de la arquitectura de lectura CMOS, que permite las altas velocidades, el bajo nivel de ruido y el bajo consumo de energía característicos de las cámaras CMOS.
Especificaciones TDI: ¿qué importa?
●Tecnología:El factor más importante es la tecnología de sensor utilizada, como se mencionó anteriormente. El CMOS TDI de dominio de carga ofrece el mejor rendimiento.
●Etapas del TDI:Este es el número de filas del sensor en las que se puede acumular la señal. Cuantas más etapas TDI tenga una cámara, mayor será su tiempo de exposición efectivo. O bien, mayor será la velocidad de movimiento del sujeto, siempre que la cámara tenga suficiente velocidad de línea.
●Velocidad de línea:Cuántas filas puede leer la cámara por segundo. Esto determina la velocidad máxima de movimiento que puede mantener.
●Eficiencia cuánticaEsto indica la sensibilidad de la cámara a la luz en diferentes longitudes de onda, dada por la probabilidad de que un fotón incidente se detecte y produzca un fotoelectrón. Una mayor eficiencia cuántica puede ofrecer una menor intensidad de iluminación o un funcionamiento más rápido manteniendo los mismos niveles de señal.
Además, las cámaras difieren en el rango de longitud de onda en el que se puede lograr una buena sensibilidad; algunas cámaras ofrecen una sensibilidad hasta el extremo ultravioleta (UV) del espectro, alrededor de una longitud de onda de 200 nm.
●Leer ruido:El ruido de lectura es otro factor importante en la sensibilidad de una cámara, ya que determina la señal mínima que se puede detectar por encima del umbral de ruido de la cámara. Con un ruido de lectura alto, no se pueden detectar las características oscuras y el rango dinámico se reduce considerablemente, lo que implica utilizar una iluminación más brillante o tiempos de exposición más largos y velocidades de movimiento más lentas.
Especificaciones TDI: ¿qué importa?
Actualmente, las cámaras TDI se utilizan para la inspección de bandas, la inspección de electrónica y fabricación, y otras aplicaciones de visión artificial. Además, existen aplicaciones complejas con poca luz, como la obtención de imágenes por fluorescencia y el escaneo de diapositivas.
Sin embargo, con la introducción de cámaras CMOS TDI de alta velocidad, bajo ruido y alta sensibilidad, existe un gran potencial para aumentar la velocidad y la eficiencia en nuevas aplicaciones que anteriormente solo utilizaban cámaras de escaneo de área. Como se mencionó al principio del artículo, las cámaras TDI pueden ser la mejor opción para lograr altas velocidades y alta calidad de imagen, tanto para capturar imágenes de sujetos en constante movimiento como para escanear imágenes estáticas.
Por ejemplo, en una aplicación de microscopía, podríamos comparar la velocidad de adquisición teórica de una cámara TDI de 9K píxeles y 256 platinas con píxeles de 5 µm con la de una cámara de escaneo de área de 12 MP con píxeles de 5 µm. Examinemos la adquisición de un área de 10 x 10 mm con un aumento de 20x moviendo la platina.
1. El uso de un objetivo 20x con la cámara de escaneo de área proporcionaría un campo de visión de imagen de 1,02 x 0,77 mm.
2. Con la cámara TDI, se puede utilizar un objetivo 10x con un aumento adicional de 2x para superar cualquier limitación en el campo de visión del microscopio y ofrecer un campo de visión de imagen horizontal de 2,3 mm.
3. Suponiendo una superposición de píxeles del 2% entre las imágenes para la unión, 0,5 segundos para mover la platina a una ubicación determinada y un tiempo de exposición de 10 ms, podemos calcular el tiempo que tardaría la cámara de escaneo de área. De igual forma, podemos calcular el tiempo que tardaría la cámara TDI si la platina se mantuviera en movimiento constante para escanear en la dirección Y, con el mismo tiempo de exposición por línea.
4. En este caso, la cámara de escaneo de área requeriría la adquisición de 140 imágenes, con 63 segundos de desplazamiento de la platina. La cámara TDI adquiriría solo 5 imágenes largas, con solo 2 segundos de desplazamiento de la platina a la siguiente columna.
5. El tiempo total empleado para adquirir el área de 10 x 10 mm sería64,4 segundos para la cámara de escaneo de área,y solo9,9 segundos para la cámara TDI.
Si desea saber si una cámara TDI podría adaptarse a su aplicación y satisfacer sus necesidades, contáctenos hoy.
