13/07/2022La integración con retardo de tiempo (TDI) es una técnica de imagen anterior a la digital, pero que aún hoy ofrece enormes ventajas en la vanguardia de la imagen. Las cámaras TDI destacan especialmente en dos circunstancias, ambas cuando el sujeto a fotografiar está en movimiento:
1 – El objeto 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 – Objetos de imagen estáticos que pueden ser fotografiados por una cámara que se desplaza de un área a otra, ya sea moviendo el objeto o la cámara. Algunos ejemplos son el escaneo de portaobjetos de microscopio, la inspección de materiales y la inspección de paneles planos.
Si alguna de estas circunstancias pudiera aplicarse a sus imágenes, esta página web le ayudará a considerar si un cambio de cámaras convencionales de "escaneo de área" bidimensionales a cámaras Line Scan TDI podría mejorar sus imágenes.
El problema con el escaneo de área y los objetivos en movimiento
● Desenfoque de movimiento
Algunos objetos a fotografiar están necesariamente en movimiento, por ejemplo, en el flujo de fluidos o la inspección de bandas. En otras aplicaciones, como el escaneo de portaobjetos y la inspección de materiales, mantener el objeto en movimiento puede ser considerablemente más rápido y eficiente que detener el movimiento para cada imagen. Sin embargo, para las cámaras de escaneo de área, si el objeto a fotografiar se mueve con respecto a la cámara, esto puede suponer un reto.
El desenfoque de movimiento distorsiona la imagen de un vehículo en movimiento.
En situaciones con iluminación limitada o donde se requiere alta calidad de imagen, puede ser conveniente un tiempo de exposición prolongado. Sin embargo, el movimiento del sujeto dispersará la luz en múltiples píxeles de la cámara durante la exposición, lo que produce el efecto de desenfoque por movimiento. Esto se puede minimizar utilizando exposiciones muy cortas, inferiores al tiempo que tardaría un punto del sujeto en recorrer un píxel de la cámara.unusualmente a expensas de imágenes oscuras, ruidosas y, a menudo, inutilizables.
●Puntadas
Además, la obtención de imágenes de sujetos grandes o de imágenes continuas con cámaras de escaneo de área suele requerir la adquisición de múltiples imágenes, que luego se unen. Esta unión implica 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 sobre un área lo suficientemente grande para la cámara de escaneo de área, a menudo se requiere el uso de fuentes de luz de CC de alta potencia y alto costo.
Iluminación desigual en la unión de 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 convencionales de escaneo de área bidimensional, la adquisición de una imagen consta de tres fases: reinicio 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. Finalmente, los píxeles se reinician y se borran todas las cargas para comenzar la siguiente exposición.
Sin embargo, como se mencionó, si el sujeto fotografiado se mueve con respecto a la cámara, la luz que emite puede dispersarse en varios píxeles durante la exposición, lo que produce desenfoque por movimiento. Las cámaras TDI superan esta limitación mediante una técnica innovadora, como se muestra en la [Animación 1].
●Cómo funcionan las cámaras TDI
Las cámaras TDI funcionan de forma fundamentalmente distinta a las cámaras de escaneo de área. A medida que el sujeto se mueve frente a 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, a lo largo de la cámara, sincronizadas con el movimiento del sujeto. Conforme el sujeto se desplaza frente a 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 final de la cámara, los valores se leen y se almacenan como una sección unidimensional de la imagen. La imagen bidimensional se forma uniendo cada sección sucesiva a medida que la cámara las lee. Cada fila de píxeles en la imagen resultante sigue y captura la misma sección del sujeto, lo que significa que, a pesar del movimiento, no hay desenfoque.
●Exposición 256 veces más larga
Con las cámaras TDI, el tiempo de exposición efectivo de la imagen viene dado por 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 efectivamente 256 veces mayor que el que podría lograr una cámara de escaneo de área.
Esto puede ofrecer dos mejoras, o una combinación de 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 a capturar puede moverse hasta 256 veces más rápido, manteniendo la misma cantidad de señal, siempre que la velocidad de línea de la cámara sea lo suficientemente rápida.
Por otro lado, si se requiere una mayor sensibilidad, un tiempo de exposición más prolongado podría permitir obtener imágenes de mucha mayor calidad, una menor intensidad de iluminación o ambas cosas.
●Gran capacidad de procesamiento de datos sin unión
Dado que la cámara TDI genera una imagen bidimensional a partir de sucesivas secciones unidimensionales, la imagen resultante puede tener el tamaño que se requiera. Si bien 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 enorme rendimiento de datos.
Además, las cámaras TDI ofrecen 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 el mismo ancho de imagen con una cámara de escaneo de área de 5 µm, se necesitarían hasta tres cámaras 4K colocadas una al lado de la otra.
●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 una sola línea de píxeles, también sufren muchos de los mismos problemas con la intensidad de la iluminación y las 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 movimiento más rápidas que permiten las cámaras TDI posibilitan el uso de iluminación de menor intensidad y coste, mejorando así la eficiencia de la imagen. Por ejemplo, una línea de producción podría sustituir las costosas y potentes luces halógenas que requieren alimentación de CC por iluminación LED.
¿Cómo funcionan las cámaras TDI?
Existen tres estándares comunes sobre cómo lograr la obtención de imágenes TDI en un sensor de cámara.
● CCD TDILas cámaras CCD son el tipo de cámara digital más antiguo. Gracias a su diseño electrónico, lograr el comportamiento TDI en un CCD es relativamente sencillo, ya que muchos sensores de cámara son inherentemente capaces de funcionar de esta manera. Por lo tanto, los CCD TDI se han utilizado durante décadas.
Sin embargo, la tecnología CCD tiene sus limitaciones. El tamaño de píxel más pequeño disponible habitualmente para las cámaras CCD TDI es de aproximadamente 12 µm × 12 µm; esto, junto con el bajo número de píxeles, limita la capacidad de las cámaras para resolver 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 obtención de imágenes con poca luz— es elevado. El consumo de energía también es alto, lo cual es un factor crucial en algunas aplicaciones. Esto impulsó el desarrollo de cámaras TDI basadas en la arquitectura CMOS.
●TDI CMOS primitivo: Dominio de voltaje y suma digital
Las cámaras CMOS superan muchas de las limitaciones de ruido y velocidad de las cámaras CCD, consumiendo menos energía y ofreciendo píxeles más pequeños. Sin embargo, lograr un comportamiento TDI óptimo en las cámaras CMOS era mucho más difícil debido al diseño de sus píxeles. Mientras que los CCD mueven físicamente los fotoelectrones de un píxel a otro para controlar 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 estudiado 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 considerable. Dos métodos iniciales para la TDI en CMOS, que aún se utilizan en cámaras comerciales, son la acumulación en el dominio del voltaje y la suma digital de TDI en CMOS. En las cámaras con acumulación en el dominio del voltaje, a medida que se adquiere cada fila de señal al moverse el sujeto, 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 añadida, lo que limita las ventajas de dichas etapas. Los problemas de linealidad también dificultan el uso de estas cámaras para aplicaciones de alta precisión.
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 recorrer una fila de píxeles. Sin embargo, las filas de cada fotograma sucesivo se suman digitalmente para generar un efecto TDI. Dado que es necesario leer toda la información de la cámara para cada fila de píxeles de la imagen resultante, esta suma digital también introduce ruido de lectura en cada fila y limita la velocidad de adquisición.
●El estándar moderno: CMOS TDI de dominio de carga o CMOS TDI CCD.
Las limitaciones de la tecnología CMOS TDI mencionadas anteriormente se han superado recientemente gracias a la introducción de la tecnología CMOS TDI de acumulación en el dominio de carga, también conocida como CCD-on-CMOS TDI. 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 entre píxeles, acumulando señal en cada etapa TDI mediante la adición de fotoelectrones a nivel de cargas individuales. Esto resulta en una tecnología prácticamente libre de ruido. Sin embargo, las limitaciones de la tecnología CCD TDI se superan mediante el uso de la arquitectura de lectura CMOS, lo que permite obtener las altas velocidades, el bajo ruido y el bajo consumo de energía característicos de las cámaras CMOS.
Especificaciones TDI: ¿qué es lo importante?
●Tecnología:El factor más importante es la tecnología de sensores utilizada, como se mencionó anteriormente. La tecnología CMOS TDI de dominio de carga ofrece el mejor rendimiento.
●Etapas 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, podrá moverse más rápido el sujeto fotografiado, siempre que la cámara tenga una velocidad de línea suficiente.
●Velocidad de línea:Número de filas que la cámara puede leer por segundo. Esto determina la velocidad máxima de movimiento que la cámara puede seguir.
●Eficiencia cuánticaEsto indica la sensibilidad de la cámara a la luz en diferentes longitudes de onda, determinada por la probabilidad de que un fotón incidente sea detectado 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 sensibilidad hasta el extremo ultravioleta (UV) del espectro, alrededor de los 200 nm de longitud de onda.
●Ruido de lectura:El ruido de lectura es otro factor importante en la sensibilidad de una cámara, ya que determina la señal mínima detectable por encima del nivel de ruido de fondo. Con un ruido de lectura elevado, las zonas oscuras no se detectan y el rango dinámico se reduce drásticamente, lo que implica la necesidad de una iluminación más brillante o tiempos de exposición más largos y velocidades de movimiento más lentas.
Especificaciones TDI: ¿qué es lo importante?
Actualmente, las cámaras TDI se utilizan para la inspección web, la inspección de componentes electrónicos y de fabricación, y otras aplicaciones de visión artificial. Además, se emplean en aplicaciones exigentes con poca luz, como la obtención de imágenes de fluorescencia y el escaneo de portaobjetos.
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 mencionamos al inicio del artículo, las cámaras TDI pueden ser la mejor opción para lograr altas velocidades y alta calidad de imagen, ya sea para capturar sujetos en constante movimiento o para escanear sujetos estáticos.
Por ejemplo, en una aplicación de microscopía, podríamos comparar la velocidad de adquisición teórica de una cámara TDI de 9K píxeles y 256 etapas con píxeles de 5 µm con la de una cámara de escaneo de área de 12 MP con píxeles de 5 µm. Analicemos la adquisición de un área de 10 × 10 mm con un aumento de 20x mediante el movimiento de la platina.
1. El uso de un objetivo de 20x con la cámara de escaneo de área proporcionaría un campo de visión de imágenes de 1,02 x 0,77 mm.
2. Con la cámara TDI, se podría utilizar un objetivo de 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 el proceso de unión, un tiempo de desplazamiento de la plataforma de 0,5 segundos a una posición determinada y un tiempo de exposición de 10 ms, podemos calcular el tiempo que tardaría la cámara de escaneo de área. De forma similar, podemos calcular el tiempo que tardaría la cámara TDI si la plataforma se mantuviera en movimiento constante para escanear en el eje 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 un tiempo de desplazamiento de la plataforma de 63 segundos. La cámara TDI adquiriría solo 5 imágenes largas, con un tiempo de desplazamiento de la plataforma a la siguiente columna de tan solo 2 segundos.
5. El tiempo total empleado en adquirir el área de 10 x 10 mm sería64,4 segundos para la cámara de escaneo de área,y simplemente9,9 segundos para la cámara TDI.
Si desea comprobar si una cámara TDI podría ajustarse a su aplicación y satisfacer sus necesidades, póngase en contacto con nosotros hoy mismo.
