30/09/2025En la imagen industrial y científica, capturar objetos en movimiento rápido en condiciones de poca luz representa un desafío constante. Es ahí donde entran en juego las cámaras con integración de retardo de tiempo (TDI). La tecnología TDI combina la sincronización de movimiento y las exposiciones múltiples para ofrecer una sensibilidad y claridad de imagen excepcionales, especialmente en entornos de alta velocidad.
¿Qué es una cámara TDI?
Una cámara TDI es una cámara de escaneo lineal especializada que captura imágenes de objetos en movimiento. A diferencia de las cámaras de escaneo de área estándar, que exponen un fotograma completo de una sola vez, las cámaras TDI transfieren la carga de una fila de píxeles a la siguiente en sincronía con el movimiento del objeto. Cada fila de píxeles acumula luz a medida que el sujeto se mueve, lo que aumenta el tiempo de exposición y mejora la intensidad de la señal sin producir desenfoque por movimiento.
Esta integración de carga aumenta drásticamente la relación señal-ruido (SNR), lo que hace que las cámaras TDI sean ideales para aplicaciones de alta velocidad o con poca luz.
¿Cómo funciona una cámara TDI?
En la figura se ilustra el funcionamiento de una cámara TDI.
NOTA:Las cámaras TDI transfieren las cargas adquiridas a través de múltiples etapas, sincronizadas con el sujeto en movimiento. Cada etapa ofrece una oportunidad adicional de exposición a la luz. Esto se ilustra con una "T" brillante que se desplaza por la cámara, con un segmento de 5 columnas y 5 etapas de un sensor TDI. La Tucsen Dhyana 9KTDI cuenta con un sistema híbrido de transferencia de carga tipo CCD, pero con lectura paralela tipo CMOS.
Las cámaras TDI son, en esencia, cámaras de escaneo lineal, con una distinción importante: en lugar de una sola fila de píxeles que adquiere datos a medida que la cámara escanea el sujeto de la imagen, las cámaras TDI tienen varias filas, conocidas como "etapas", hasta un máximo de 256.
Sin embargo, estas filas no forman una imagen bidimensional como en una cámara de escaneo de área. En cambio, a medida que el objeto escaneado se mueve por el sensor de la cámara, los fotoelectrones detectados en cada píxel se desplazan a la siguiente fila en sincronía con el movimiento del objeto, sin haber sido leídos aún. Cada fila adicional proporciona una oportunidad más para exponer el objeto a la luz. Solo cuando una sección de la imagen alcanza la última fila de píxeles del sensor, dicha fila se transfiere a la arquitectura de lectura para su medición.
Por lo tanto, a pesar de que se realizan múltiples mediciones en las distintas etapas de la cámara, solo se introduce un caso de ruido de lectura. Una cámara TDI de 256 etapas mantiene la muestra a la vista 256 veces más tiempo y, por consiguiente, tiene un tiempo de exposición 256 veces mayor que una cámara de escaneo lineal equivalente. Un tiempo de exposición equivalente con una cámara de escaneo de área produciría un desenfoque de movimiento extremo, lo que haría que la imagen resultara inservible.
¿Cuándo se puede utilizar el TDI?
Las cámaras TDI son una excelente solución para cualquier aplicación de imagen en la que el sujeto de la imagen esté en movimiento con respecto a la cámara, siempre que ese movimiento sea uniforme en todo el campo de visión de la cámara.
Por lo tanto, las aplicaciones de la imagen TDI incluyen, por un lado, todas aquellas de escaneo lineal donde se forman imágenes bidimensionales, ofreciendo mayor velocidad, una sensibilidad a la luz mucho mejor, una mejor calidad de imagen o las tres a la vez. Por otro lado, existen muchas técnicas de imagen que utilizan cámaras de escaneo de área donde se pueden usar cámaras TDI.
Para la microscopía de fluorescencia biológica TDI de alta sensibilidad mediante sCMOS, se puede realizar la adquisición de imágenes mediante la técnica de "mosaico y unión" utilizando un escaneo continuo de la platina en lugar del mosaico. Asimismo, la tecnología TDI resulta muy adecuada para aplicaciones de inspección. Otra aplicación importante de la TDI es la citometría de flujo de imágenes, donde se adquieren imágenes de fluorescencia de las células a medida que pasan frente a una cámara mientras fluyen a través de un canal microfluídico.
Ventajas y desventajas de sCMOS TDI
Ventajas
● Puede capturar imágenes bidimensionales de tamaño arbitrario a alta velocidad al escanear un objeto de imagen.
● Las múltiples etapas TDI, el bajo nivel de ruido y la alta eficiencia cuántica pueden dar como resultado una sensibilidad drásticamente mayor que la de las cámaras de escaneo lineal.
● Se pueden alcanzar velocidades de lectura muy elevadas, por ejemplo, hasta 510.000 Hz (líneas por segundo), para una imagen de 9.072 píxeles de ancho.
● La iluminación solo necesita ser unidimensional y no requiere corrección de campo plano ni otras correcciones en la segunda dimensión (escaneada). Además, tiempos de exposición más prolongados en comparación con el escaneo lineal pueden atenuar el parpadeo causado por las fuentes de luz de corriente alterna.
● Es posible capturar imágenes en movimiento sin desenfoque por movimiento y con alta velocidad y sensibilidad.
● Escanear áreas grandes puede ser mucho más rápido que con las cámaras de escaneo de área.
● Con software avanzado o configuraciones de activación, un modo similar al de un escaneo de área puede proporcionar una visión general del escaneo de área para enfocar y alinear.
Desventajas
● Presenta un nivel de ruido aún mayor que las cámaras sCMOS convencionales, lo que significa que las aplicaciones con muy poca luz quedan fuera de su alcance.
● Requiere configuraciones especializadas con activación avanzada para sincronizar el movimiento del sujeto de imagen con el escaneo de la cámara, un control muy preciso de la velocidad de movimiento o una predicción precisa de la velocidad para permitir la sincronización.
● Al tratarse de una tecnología nueva, actualmente existen pocas soluciones para su implementación en hardware y software.
sCMOS TDI con capacidad para condiciones de poca luz
Si bien la técnica de imagen TDI es anterior a la imagen digital y hace tiempo que superó al escaneo lineal en rendimiento, solo en los últimos años las cámaras TDI han alcanzado la sensibilidad necesaria para aplicaciones con poca luz que normalmente requerirían la sensibilidad de las cámaras de grado científico.cámaras sCMOS.
La tecnología 'sCMOS TDI' combina el movimiento de cargas a través del sensor, al estilo CCD, con la lectura de tipo sCMOS, y ofrece sensores retroiluminados. Las cámaras TDI anteriores basadas en CCD o puramente CMOS* tenían una lectura mucho más lenta, menor número de píxeles, menos etapas y un ruido de lectura de entre 30e- y >100e-. En cambio, las cámaras sCMOS TDI, como la Tucsen,Cámara sCMOS Dhyana 9KTDIOfrece un ruido de lectura de 7,2e-, combinado con una mayor eficiencia cuántica mediante retroiluminación, lo que permite el uso de TDI en aplicaciones con niveles de luz significativamente más bajos de lo que era posible anteriormente.
En muchas aplicaciones, los tiempos de exposición más prolongados que permite el proceso TDI pueden compensar con creces el aumento del ruido de lectura en comparación con las cámaras de escaneo de área sCMOS de alta calidad con un ruido de lectura cercano a 1e-.
Aplicaciones comunes de las cámaras TDI
Las cámaras TDI se utilizan en muchos sectores industriales donde la precisión y la velocidad son igualmente importantes:
●Inspección de obleas semiconductoras
●Pantalla plana(FPD)pruebas
● Inspección web(papel, película, lámina, textiles)
● Escaneo de rayos X en diagnósticos médicos o inspección de equipaje
● Escaneo de portaobjetos y placas de múltiples pocillos en patología digital
● Imágenes hiperespectrales en teledetección o agricultura
● Inspección de PCB y componentes electrónicos en líneas SMT
Estas aplicaciones se benefician del mayor contraste, velocidad y claridad que proporciona la imagen TDI en condiciones reales.
Ejemplo: Escaneo de portaobjetos y placas de múltiples pocillos
Como ya se mencionó, una aplicación con gran potencial para las cámaras sCMOS TDI es la composición de imágenes, incluyendo el escaneo de portaobjetos o placas de múltiples pocillos. El escaneo de muestras grandes de microscopía de fluorescencia o de campo claro con cámaras de área bidimensionales se basa en la composición de una cuadrícula de imágenes formadas a partir de múltiples movimientos de la platina XY del microscopio. Cada imagen requiere que la platina se detenga, se estabilice y se reinicie, además del retardo del obturador rodante. En cambio, la tecnología TDI puede adquirir imágenes mientras la platina está en movimiento. La imagen se forma a partir de un pequeño número de "franjas" largas, cada una de las cuales cubre todo el ancho de la muestra. Esto puede conducir a velocidades de adquisición y rendimiento de datos considerablemente mayores en todas las aplicaciones de composición de imágenes, dependiendo de las condiciones de imagen.
La velocidad de desplazamiento de la platina es inversamente proporcional al tiempo total de exposición de la cámara TDI. Por ello, los tiempos de exposición cortos (1-20 ms) ofrecen la mayor mejora en la velocidad de captura de imágenes en comparación con las cámaras de escaneo de área, lo que puede resultar en una reducción de un orden de magnitud o incluso mayor en el tiempo total de adquisición. Para tiempos de exposición más largos (p. ej., > 100 ms), el escaneo de área generalmente conserva una ventaja en cuanto al tiempo de adquisición.
En la figura se muestra un ejemplo de una imagen de microscopía de fluorescencia de gran tamaño (2 gigapíxeles) obtenida en tan solo diez segundos. Se estima que una imagen equivalente, obtenida con una cámara de escaneo de área, tardaría varios minutos.
NOTA:Imagen con aumento de 10x obtenida con el Tucsen Dhyana 9kTDI de puntos de rotulador fluorescente observados mediante microscopía de fluorescencia. Adquirida en 10 segundos con un tiempo de exposición de 3,6 ms. Dimensiones de la imagen: 30 mm x 17 mm, 58 000 x 34 160 píxeles.
Sincronización de TDI
La sincronización de una cámara TDI con el sujeto de la imagen (con una precisión de unos pocos por ciento) es esencial; una discrepancia en la velocidad provocará un efecto de "desenfoque por movimiento". Esta sincronización se puede realizar de dos maneras:
Profético:La velocidad de la cámara se ajusta para que coincida con la velocidad del movimiento, basándose en el conocimiento de la velocidad de movimiento de la muestra, la óptica (aumento) y el tamaño de píxel de la cámara. O bien, mediante prueba y error.
Motivado:Muchas plataformas de microscopio, pórticos y otros equipos para el movimiento de objetos de imagen incluyen codificadores que envían un pulso de activación a la cámara para una distancia de desplazamiento determinada. Esto permite que la plataforma/pórtico y la cámara permanezcan sincronizadas independientemente de la velocidad de movimiento.
Cámaras TDI frente a cámaras de escaneo lineal y de área.
Así es como TDI se compara con otras tecnologías de imagen populares:
| Característica | Cámara TDI | Cámara de escaneo lineal | Cámara de escaneo de área |
| Sensibilidad | Muy alto | Medio | Bajo a medio |
| Calidad de imagen (movimiento) | Excelente | Bien | Borroso a altas velocidades |
| Requisitos de iluminación | Bajo | Medio | Alto |
| Compatibilidad de movimiento | Excelente (si está sincronizado) | Bien | Pobre |
| Lo mejor para | Alta velocidad, poca luz | objetos que se mueven rápidamente | Escenas estáticas o lentas |
La tecnología TDI es la opción ideal cuando la escena se desarrolla rápidamente y la iluminación es limitada. El escaneo lineal ofrece una sensibilidad menor, mientras que el escaneo de área es más adecuado para configuraciones sencillas o estáticas.
Cómo elegir la cámara TDI adecuada
Al seleccionar una cámara TDI, tenga en cuenta lo siguiente:
●Número de etapas TDI:Un mayor número de etapas aumenta la relación señal/ruido, pero también el coste y la complejidad.
●Tipo de sensor:La tecnología sCMOS es la preferida por su velocidad y bajo nivel de ruido; sin embargo, la tecnología CCD aún puede ser adecuada para algunos sistemas antiguos.
●Interfaz:Asegúrese de que sea compatible con su sistema: Camera Link, CoaXPress y 10GigE son opciones comunes, mientras que 100G CoF y 40G CoF han surgido como nuevas tendencias.
●Respuesta espectral:Según las necesidades de la aplicación, puede elegir entre monocromo, color o infrarrojo cercano (NIR).
●Opciones de sincronización:Busque funciones como entradas de codificador o compatibilidad con disparadores externos para una mejor alineación del movimiento.
Si su aplicación implica muestras biológicas delicadas, inspección de alta velocidad o entornos con poca luz, es probable que la tecnología sCMOS TDI sea la más adecuada.
Conclusión
Las cámaras TDI representan una importante evolución en la tecnología de imagen, especialmente cuando se basan en sensores sCMOS. Al combinar la sincronización de movimiento con la integración multilínea, ofrecen una sensibilidad y nitidez inigualables para escenas dinámicas con poca luz.
Ya sea que esté inspeccionando obleas, escaneando portaobjetos o realizando inspecciones de alta velocidad, comprender cómo funciona TDI puede ayudarle a elegir la mejor solución entrecámaras científicaspara sus desafíos de imagen.
Preguntas frecuentes
¿Pueden las cámaras TDI funcionar en modo de escaneo de área?
Las cámaras TDI pueden crear imágenes bidimensionales (muy finas) en un modo similar al escaneo de área, gracias a un truco de sincronización del sensor. Esto puede resultar útil para tareas como el enfoque y la alineación.
Para iniciar una exposición de escaneo de área, primero se borra el sensor haciendo avanzar el TDI al menos tantos pasos como etapas tenga la cámara, lo más rápido posible, y luego se detiene. Esto se logra mediante control por software o activación por hardware, y lo ideal es realizarlo en la oscuridad. Por ejemplo, una cámara de 256 etapas debería leer al menos 256 líneas y luego detenerse. Estas 256 líneas de datos se descartan.
Mientras la cámara no se activa ni se leen líneas, el sensor se comporta como un sensor de escaneo de área que expone una imagen.
A continuación, transcurrirá el tiempo de exposición deseado con la cámara inactiva, antes de avanzarla nuevamente al menos el número de etapas indicado, leyendo cada línea de la imagen recién capturada. Idealmente, esta fase de lectura debería realizarse en la oscuridad.
Esta técnica se puede repetir para proporcionar una "vista previa en vivo" o una secuencia de imágenes de escaneo de área con una distorsión y un desenfoque mínimos debido a la operación TDI.
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