25/08/08En la imagen industrial y científica, capturar objetos en rápido movimiento en condiciones de poca luz supone un reto constante. Aquí es donde entran en juego las cámaras con Integración de Retardo de Tiempo (TDI). La tecnología TDI combina la sincronización de movimiento y múltiples exposiciones para ofrecer una sensibilidad y una claridad de imagen excepcionales, especialmente en entornos de alta velocidad.
¿Qué es una cámara TDI?
Una cámara TDI es una cámara especializada de escaneo lineal 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 eficazmente el tiempo de exposición y mejora la intensidad de la señal sin generar desenfoque de 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?
El funcionamiento de una cámara TDI se ilustra en la Figura 1.
Figura 1: Funcionamiento de los sensores de integración de retardo de tiempo (TDI)
NOTA: Las cámaras TDI mueven las cargas adquiridas a través de múltiples etapas en sincronización con el sujeto en movimiento. Cada etapa ofrece una oportunidad adicional de exposición a la luz. Esto se ilustra mediante una "T" brillante que se mueve a través de una cámara, con un segmento de 5 columnas por 5 etapas de un sensor TDI. Tucsen Dhyana 9KTDI con movimiento de carga híbrido de tipo CCD, pero lectura paralela de tipo CMOS.
Las cámaras TDI son efectivamente cámaras de escaneo lineal, con una distinción importante: en lugar de una fila de píxeles que adquieren datos a medida que las cámaras escanean un sujeto, las cámaras TDI tienen múltiples filas, conocidas como "etapas", hasta típicamente 256.
Sin embargo, estas filas no forman una imagen bidimensional como 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 dentro de cada píxel se desplazan a la siguiente fila en sincronía con el movimiento del objeto, sin ser aún leídos. Cada fila adicional ofrece una oportunidad adicional para exponer el objeto a la luz. Solo cuando un corte de imagen llega a la última fila de píxeles del sensor, esa fila pasa al sistema de lectura para su medición.
Por lo tanto, a pesar de realizar múltiples mediciones en las 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 lo tanto, 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 inutilizaría la imagen.
¿Cuándo se puede utilizar el TDI?
Las cámaras TDI son una excelente solución para cualquier aplicación de imágenes donde el sujeto de la imagen está en movimiento con respecto a la cámara, siempre que el movimiento sea uniforme en todo el campo de visión de la cámara.
Las aplicaciones de la imagen TDI incluyen, por un lado, todas las de escaneo lineal, donde se forman imágenes bidimensionales, ofreciendo mayor velocidad, una sensibilidad considerablemente mejorada en condiciones de poca luz, mejor calidad de imagen o las tres a la vez. Por otro lado, existen numerosas técnicas de imagen que utilizan cámaras de escaneo de área donde se pueden usar cámaras TDI.
Para la TDI sCMOS de alta sensibilidad, la obtención de imágenes de "mosaico y puntada" en microscopía de fluorescencia biológica se puede realizar mediante un escaneo continuo de la platina en lugar de mosaico. La TDI completa también puede ser idónea 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 por una cámara mientras fluyen a través de un canal microfluídico.
Pros y contras del sCMOS TDI
Ventajas
● Puede capturar imágenes bidimensionales de tamaño arbitrario a alta velocidad al escanear un sujeto.
● Múltiples etapas TDI, bajo ruido y alto QE pueden generar una sensibilidad drásticamente mayor que las cámaras de escaneo lineal.
● Se pueden lograr velocidades de lectura muy altas, 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, los tiempos de exposición más largos, en comparación con el escaneo lineal, pueden suavizar el parpadeo causado por las fuentes de luz de CA.
● Se pueden adquirir imágenes en movimiento sin desenfoque de movimiento y con alta velocidad y sensibilidad.
●Escanear áreas grandes puede ser drásticamente más rápido que las cámaras de escaneo de área.
● Con software avanzado o configuraciones de activación, un modo "similar al escaneo de área" puede brindar una descripción general del escaneo de área para el enfoque y la alineación.
Contras
● El ruido es aún mayor que el de las cámaras sCMOS convencionales, lo que significa que las aplicaciones con luz ultrabaja están fuera de su alcance.
● Requiere configuraciones especializadas con activación avanzada para sincronizar el movimiento del sujeto de la imagen con el escaneo de la cámara, un control muy preciso sobre la velocidad del movimiento o una predicción precisa de la velocidad para permitir la sincronización.
● Como es una tecnología nueva, actualmente existen pocas soluciones para la implementación de hardware y software.
sCMOS TDI con capacidad para poca luz
Si bien la TDI como técnica de imágenes es anterior a la imagen digital y hace mucho tiempo que superó el escaneo lineal en rendimiento, recién en los últimos años las cámaras TDI adquirieron la sensibilidad requerida para llegar a aplicaciones con poca luz que normalmente requerirían la sensibilidad de un microscopio de grado científico.cámaras sCMOS.
La tecnología sCMOS TDI combina el movimiento de cargas a través del sensor, similar al de un CCD, con una lectura similar al de un sCMOS, con sensores retroiluminados disponibles. Las cámaras TDI anteriores, basadas en CCD o exclusivamente en CMOS*, presentaban 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 a través de la 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 largos 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 encuentran en muchas industrias donde la precisión y la velocidad son igualmente críticas:
● Inspección de obleas de semiconductores
● Prueba de pantalla plana (FPD)
● Inspección de bandas (papel, película, láminas, textiles)
● Escaneo de rayos X en diagnósticos médicos o inspección de equipaje
● Escaneo de portaobjetos y placas multipocillo en patología digital
● Imágenes hiperespectrales en teledetección o agricultura
● Inspección de PCB y electrónica en líneas SMT
Estas aplicaciones se benefician del contraste, la velocidad y la claridad mejorados que proporcionan las imágenes TDI en las limitaciones del mundo real.
Ejemplo: escaneo de portaobjetos y placas multipocillo
Como se mencionó, una aplicación muy prometedora para las cámaras sCMOS TDI es la unión de imágenes, incluyendo el escaneo de portaobjetos o placas multipocillo. El escaneo de grandes muestras de microscopía fluorescente o de campo claro con cámaras de área bidimensionales se basa en la unión de una cuadrícula de imágenes formada a partir de múltiples movimientos de una platina de microscopio XY. Cada imagen requiere que la platina se detenga, se estabilice y se reinicie, junto con cualquier retraso del obturador rotatorio. La TDI, por otro lado, puede adquirir imágenes mientras la platina está en movimiento. La imagen se forma entonces a partir de un pequeño número de "tiras" largas, cada una de las cuales cubre todo el ancho de la muestra. Esto puede potencialmente resultar en velocidades de adquisición y un rendimiento de datos drásticamente mayores en todas las aplicaciones de unión, dependiendo de las condiciones de la imagen.
La velocidad de movimiento de la platina es inversamente proporcional al tiempo total de exposición de la cámara TDI, por lo que 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 mayor en el tiempo total de adquisición. Para tiempos de exposición más largos (p. ej., > 100 ms), el escaneo de área generalmente puede conservar una ventaja de tiempo.
En la Figura 2 se muestra un ejemplo de una imagen de microscopía de fluorescencia muy grande (2 gigapíxeles) formada en solo diez segundos. Se podría esperar que una imagen equivalente formada con una cámara de escaneo de área demore varios minutos.
Figura 2: Imagen de 2 gigapíxeles formada en 10 segundos mediante escaneo y unión TDI
NOTA: Imagen de puntos de rotulador fluorescente, obtenida con el Tucsen Dhyana 9kTDI, con aumento de 10x, observada 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 fotografiado (con una precisión de un pequeño porcentaje) es esencial; una discrepancia en la velocidad provocará un efecto de desenfoque de movimiento. Esta sincronización puede realizarse de dos maneras:
ProféticoLa velocidad de la cámara se ajusta para que coincida con la velocidad del movimiento según 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.
MotivadoMuchas platinas, pórticos y otros equipos de microscopio para mover sujetos pueden incluir codificadores que envían un pulso de disparo a la cámara para una distancia de movimiento determinada. Esto permite que la platina/pórtico y la cámara permanezcan sincronizados independientemente de la velocidad de movimiento.
Cámaras TDI vs. cámaras de escaneo lineal y de área
Así es como TDI se compara con otras tecnologías de imágenes 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 |
| Mejor para | Alta velocidad, poca luz | objetos que se mueven rápidamente | Escenas estáticas o lentas |
TDI es la mejor opción cuando la escena se mueve rápidamente y la iluminación es limitada. El escaneo lineal ofrece una sensibilidad inferior, mientras que el escaneo de área es mejor para configuraciones simples o fijas.
Cómo elegir la cámara TDI adecuada
Al seleccionar una cámara TDI, tenga en cuenta lo siguiente:
● Número de etapas TDI: más etapas aumentan la relación señal-ruido (SNR), pero también el coste y la complejidad.
● Tipo de sensor: se prefiere sCMOS por su velocidad y bajo ruido; el CCD aún puede ser adecuado para algunos sistemas heredados.
● Interfaz: asegúrese de la compatibilidad con su sistema: Camera Link, CoaXPress y 10GigE son opciones comunes, 100G CoF y 40G CoF han surgido como nuevas tendencias.
● Respuesta espectral: elija entre monocromo, color o infrarrojo cercano (NIR) según las necesidades de la aplicación.
● Opciones de sincronización: busque características como entradas de codificador o compatibilidad con disparadores externos para una mejor alineación del movimiento.
Si su aplicación involucra muestras biológicas delicadas, inspección de alta velocidad o entornos con poca luz, es probable que sCMOS TDI sea la opción adecuada.
Conclusión
Las cámaras TDI representan una potente 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 claridad 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 ayudarlo 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 ser útil para tareas como el enfoque y la alineación.
Para iniciar una exposición de escaneo de área, primero se limpia el sensor avanzando el TDI al menos tantos pasos como etapas tenga la cámara, lo más rápido posible, y luego se detiene. Esto se logra mediante control de software o activación por hardware, y se realiza idealmente 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.
El tiempo de exposición deseado debe transcurrir con la cámara en reposo, antes de volver a avanzarla al menos el número de etapas, leyendo cada línea de la imagen recién adquirida. Idealmente, esta fase de lectura debería ocurrir 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 desenfoque mínimos debido a la operación TDI.
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