13/07/2022L'intégration à délai temporel (TDI) est une technique d'imagerie antérieure à l'imagerie numérique, mais qui offre encore aujourd'hui des avantages considérables à la pointe de la technologie. Les caméras TDI excellent notamment dans deux situations, toutes deux lorsque le sujet est en mouvement :
1 – Le sujet d’imagerie est intrinsèquement en mouvement à vitesse constante, comme dans l’inspection de bande (comme le balayage de feuilles de papier, de plastique ou de tissu en mouvement pour détecter les défauts et les dommages), les chaînes de montage ou la microfluidique et les écoulements de fluides.
2 – Sujets d'imagerie statique pouvant être imagés par une caméra déplacée d'une zone à l'autre, soit en déplaçant le sujet, soit en déplaçant la caméra. Exemples : numérisation de lames microscopiques, inspection de matériaux, inspection d'écrans plats, etc.
Si l'une ou l'autre de ces situations peut s'appliquer à votre imagerie, cette page Web vous aidera à déterminer si le passage des caméras 2D classiques à balayage de surface aux caméras TDI à balayage linéaire pourrait améliorer votre imagerie.
Le problème avec le balayage de zone et les cibles mobiles
● Flou de mouvement
Certains sujets à imager sont nécessairement en mouvement, par exemple lors de l'étude d'un écoulement de fluide ou de l'inspection de bandes. Dans d'autres applications, comme la numérisation de lames et l'inspection de matériaux, maintenir le sujet en mouvement peut s'avérer considérablement plus rapide et plus efficace que de l'immobiliser pour chaque image acquise. Cependant, pour les caméras matricielles, si le sujet à imager est en mouvement par rapport à la caméra, cela peut constituer un défi.
Flou de mouvement déformant l'image d'un véhicule en mouvement
Dans des situations de faible luminosité ou lorsque des images de haute qualité sont requises, un temps d'exposition long peut être souhaitable. Cependant, le mouvement du sujet répartit la lumière sur plusieurs pixels de l'appareil photo pendant l'exposition, ce qui entraîne un flou de mouvement. Ce phénomène peut être minimisé en réduisant considérablement le temps d'exposition, c'est-à-dire en dessous du temps nécessaire à un point du sujet pour traverser un pixel de l'appareil photo.ungénéralement au détriment d'images sombres, bruitées et souvent inutilisables.
●Piqûre
De plus, l'imagerie de sujets de grande taille ou en continu à l'aide de caméras matricielles nécessite généralement l'acquisition de plusieurs images, qui sont ensuite assemblées. Cet assemblage implique un chevauchement des pixels entre les images voisines, ce qui réduit l'efficacité et augmente les besoins en stockage et en traitement des données.
●Éclairage inégal
De plus, l'éclairage est rarement assez uniforme pour éviter les problèmes et les artefacts aux limites des images assemblées. Par ailleurs, pour éclairer une zone suffisamment grande avec une intensité suffisante pour la caméra à balayage matriciel, il est souvent nécessaire d'utiliser des sources lumineuses CC haute puissance et coûteuses.
Éclairage inégal lors de l'assemblage d'une acquisition multi-images d'un cerveau de souris. Image tirée de Watson et al. 2017 : http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Qu'est-ce qu'une caméra TDI et comment est-elle utile ?
Dans les caméras matricielles bidimensionnelles classiques, l'acquisition d'une image se déroule en trois phases : la réinitialisation des pixels, l'exposition et la lecture. Lors de l'exposition, les photons émis par la scène sont détectés, produisant des photoélectrons qui sont stockés dans les pixels de la caméra jusqu'à la fin de l'exposition. Les valeurs de chaque pixel sont ensuite lues, formant ainsi une image 2D. Les pixels sont alors réinitialisés et leur charge effacée avant le début de l'exposition suivante.
Cependant, comme indiqué précédemment, si le sujet photographié est en mouvement par rapport à la caméra, la lumière qu'il émet peut se répartir sur plusieurs pixels pendant l'exposition, ce qui entraîne un flou de mouvement. Les caméras TDI pallient cette limitation grâce à une technique innovante, illustrée dans l'animation 1.
●Comment fonctionnent les caméras TDI
Les caméras TDI fonctionnent de manière fondamentalement différente des caméras matricielles. Lorsque le sujet se déplace devant la caméra pendant l'exposition, les charges électroniques constituant l'image acquise se déplacent également, de façon synchronisée. Pendant l'exposition, les caméras TDI sont capables de transférer toutes les charges acquises d'une rangée de pixels à l'autre, le long de la caméra, en synchronisation avec le mouvement du sujet. À chaque passage du sujet, une nouvelle rangée (appelée « étage TDI ») offre une nouvelle opportunité d'exposition et d'accumulation du signal.
Une fois qu'une série de charges acquises atteint l'extrémité de la caméra, les valeurs sont alors lues et stockées sous forme d'une tranche unidimensionnelle de l'image. L'image bidimensionnelle est formée par l'assemblage de chaque tranche successive au fur et à mesure de leur lecture par la caméra. Chaque ligne de pixels de l'image résultante suit et reproduit la même « tranche » du sujet photographié, ce qui signifie que malgré le mouvement, l'image reste nette.
●Exposition 256 fois plus longue
Avec les caméras TDI, le temps d'exposition effectif de l'image correspond au temps total nécessaire à un point du sujet pour parcourir chaque ligne de pixels, certaines caméras TDI pouvant effectuer jusqu'à 256 étapes. Cela signifie que le temps d'exposition disponible est 256 fois supérieur à celui d'une caméra matricielle.
Cela peut apporter deux améliorations, voire un compromis entre les deux. Premièrement, une augmentation significative de la vitesse d'acquisition d'images est possible. Comparée à une caméra matricielle, la vitesse de déplacement du sujet peut atteindre 256 fois supérieure tout en conservant la même quantité de signal, à condition que la fréquence d'acquisition de la caméra soit suffisamment élevée.
En revanche, si une plus grande sensibilité est requise, un temps d'exposition plus long pourrait permettre d'obtenir des images de bien meilleure qualité, une intensité d'éclairage plus faible, ou les deux.
●Traitement de données à haut débit sans assemblage
La caméra TDI, produisant une image bidimensionnelle à partir de tranches unidimensionnelles successives, permet d'obtenir une image de taille illimitée. Si le nombre de pixels dans le sens horizontal est déterminé par la largeur de la caméra (par exemple, 9 072 pixels), la hauteur de l'image est quant à elle illimitée et dépend uniquement de la durée d'acquisition. Avec des fréquences d'acquisition allant jusqu'à 510 kHz, ce système offre un débit de données massif.
Grâce à cela, les caméras TDI offrent des champs de vision très larges. Par exemple, une caméra de 9 072 pixels avec des pixels de 5 µm offre un champ de vision horizontal de 45 mm en haute résolution. Pour obtenir la même largeur d'image avec une caméra à balayage de zone de 5 µm, il faudrait jusqu'à trois caméras 4K côte à côte.
●Améliorations par rapport aux caméras à balayage linéaire
Les caméras TDI n'offrent pas seulement des améliorations par rapport aux caméras matricielles. Les caméras linéaires, qui ne capturent qu'une seule ligne de pixels, souffrent également de nombreux problèmes similaires liés à l'intensité lumineuse et aux temps d'exposition courts.
Bien que, comme les caméras TDI, les caméras linéaires offrent un éclairage plus uniforme et une configuration plus simple, et évitent le besoin d'assemblage d'images, elles peuvent souvent nécessiter un éclairage très intense et/ou des mouvements de sujet lents pour capturer un signal suffisant pour une image de haute qualité. Les temps d'exposition plus longs et les vitesses de déplacement du sujet plus rapides permis par les caméras TDI permettent d'utiliser un éclairage moins intense et moins coûteux tout en améliorant l'efficacité de l'imagerie. Par exemple, une chaîne de production peut passer de lampes halogènes coûteuses et énergivores fonctionnant en courant continu à un éclairage LED.
Comment fonctionnent les caméras TDI ?
Il existe trois normes communes pour obtenir une imagerie TDI sur un capteur d'appareil photo.
● CCD TDILes appareils photo CCD sont les plus anciens appareils photo numériques. Grâce à leur conception électronique, obtenir un comportement TDI sur un CCD est relativement simple, de nombreux capteurs étant intrinsèquement capables de fonctionner de cette manière. Les CCD TDI sont donc utilisés depuis des décennies.
Cependant, la technologie CCD présente des limitations. La plus petite taille de pixel couramment disponible pour les caméras TDI CCD est d'environ 12 µm x 12 µm ; cette caractéristique, associée à un faible nombre de pixels, limite la capacité des caméras à restituer les détails fins. De plus, la vitesse d'acquisition est inférieure à celle d'autres technologies, tandis que le bruit de lecture – un facteur limitant majeur en imagerie en basse lumière – est élevé. La consommation d'énergie est également importante, ce qui constitue un facteur déterminant dans certaines applications. C'est pourquoi le développement de caméras TDI basées sur une architecture CMOS a été entrepris.
●TDI CMOS de première génération : sommation dans le domaine de la tension et numérique
Les caméras CMOS surmontent de nombreuses limitations de bruit et de vitesse des caméras CCD, tout en consommant moins d'énergie et en offrant des pixels plus petits. Cependant, le comportement TDI était beaucoup plus difficile à obtenir sur les caméras CMOS, en raison de la conception de leurs pixels. Alors que les CCD déplacent physiquement les photoélectrons d'un pixel à l'autre pour gérer le capteur, les caméras CMOS convertissent les signaux des photoélectrons en tensions dans chaque pixel avant la lecture.
Le comportement TDI sur un capteur CMOS est étudié depuis 2001. Cependant, la gestion de l'accumulation du signal lors du passage d'une ligne d'exposition à l'autre représentait un défi majeur. Deux méthodes anciennes de TDI CMOS, encore utilisées dans les appareils photo commerciaux actuels, sont l'accumulation dans le domaine de la tension et la sommation numérique. Dans les appareils à accumulation dans le domaine de la tension, la tension acquise pour chaque ligne de signal lors du déplacement du sujet est ajoutée électroniquement à la tension totale correspondante. Cette accumulation de tensions introduit du bruit supplémentaire pour chaque étage TDI additionnel, limitant ainsi l'intérêt de ces ajouts. Les problèmes de linéarité constituent également un obstacle à l'utilisation de ces appareils pour des applications de précision.
La seconde méthode est la sommation numérique TDI. Dans cette méthode, une caméra CMOS fonctionne en mode de balayage de zone avec un temps d'exposition très court, correspondant au temps nécessaire au sujet photographié pour traverser une ligne de pixels. Les lignes de chaque image successive sont ensuite additionnées numériquement afin de produire un effet TDI. Comme l'ensemble de la caméra doit être lu pour chaque ligne de pixels de l'image résultante, cette addition numérique introduit également le bruit de lecture pour chaque ligne et limite la vitesse d'acquisition.
●La norme moderne : TDI CMOS à domaine de charge, ou TDI CCD sur CMOS
Les limitations de la technologie TDI CMOS décrites ci-dessus ont été récemment surmontées grâce à l'introduction de la technologie TDI CMOS à accumulation de domaines de charge, également appelée TDI CCD sur CMOS. Le fonctionnement de ces capteurs est illustré dans l'animation 1. Comme son nom l'indique, ces capteurs reproduisent le déplacement des charges d'un pixel à l'autre, à l'instar des capteurs CCD, en accumulant le signal à chaque étape TDI par l'ajout de photoélectrons au niveau des charges individuelles. Ce procédé est pratiquement exempt de bruit. Cependant, les limitations de la technologie TDI CCD sont surmontées grâce à l'utilisation d'une architecture de lecture CMOS, permettant ainsi d'atteindre les vitesses élevées, le faible bruit et la faible consommation d'énergie caractéristiques des caméras CMOS.
Spécifications TDI : qu’est-ce qui compte ?
●Technologie:Le facteur le plus important est la technologie de capteur utilisée, comme indiqué précédemment. La technologie CMOS TDI à domaine de charge offre les meilleures performances.
●Étapes du TDI :Il s'agit du nombre de lignes du capteur sur lesquelles le signal peut être accumulé. Plus une caméra possède d'étages TDI, plus son temps d'exposition effectif peut être long. Autrement dit, plus le sujet photographié peut se déplacer rapidement, à condition que la fréquence de balayage soit suffisante.
●Débit de la ligne :Le nombre de lignes que la caméra peut lire par seconde détermine la vitesse de déplacement maximale qu'elle peut suivre.
●Efficacité quantiqueCela indique la sensibilité de la caméra à la lumière à différentes longueurs d'onde, en fonction de la probabilité qu'un photon incident soit détecté et produise un photoélectron. Un rendement quantique plus élevé permet de réduire l'intensité lumineuse ou d'accélérer le fonctionnement tout en conservant le même niveau de signal.
De plus, les appareils photo diffèrent quant à la plage de longueurs d'onde à laquelle une bonne sensibilité peut être atteinte, certains appareils offrant une sensibilité jusqu'à l'extrémité ultraviolette (UV) du spectre, à une longueur d'onde d'environ 200 nm.
●Lire le bruit :Le bruit de lecture est l'autre facteur important de la sensibilité d'un appareil photo ; il détermine le signal minimal détectable au-dessus du bruit de fond. Un bruit de lecture élevé empêche la détection des détails sombres et réduit considérablement la plage dynamique, ce qui impose un éclairage plus intense, des temps d'exposition plus longs et des vitesses de déplacement plus lentes.
Spécifications TDI : qu’est-ce qui compte ?
Actuellement, les caméras TDI sont utilisées pour l'inspection de bandes, l'inspection électronique et de fabrication, ainsi que pour d'autres applications de vision industrielle. Elles sont également utilisées pour des applications exigeantes en faible luminosité, telles que l'imagerie par fluorescence et la numérisation de lames.
Cependant, l'arrivée des caméras CMOS TDI haute vitesse, à faible bruit et haute sensibilité ouvre de vastes perspectives d'amélioration de la vitesse et de l'efficacité pour de nouvelles applications qui utilisaient auparavant uniquement des caméras matricielles. Comme indiqué en introduction, les caméras TDI constituent un choix optimal pour obtenir des vitesses élevées et une excellente qualité d'image, que ce soit pour l'imagerie de sujets en mouvement constant ou pour l'imagerie de sujets statiques.
Par exemple, en microscopie, on pourrait comparer la vitesse d'acquisition théorique d'une caméra TDI 9K à 256 platines avec des pixels de 5 µm à celle d'une caméra matricielle 12 MP avec des pixels de 5 µm. Prenons l'exemple de l'acquisition d'une zone de 10 x 10 mm avec un grossissement de 20x par déplacement de la platine.
1. L'utilisation d'un objectif 20x avec la caméra à balayage de zone permettrait d'obtenir un champ de vision d'imagerie de 1,02 x 0,77 mm.
2. Avec la caméra TDI, un objectif 10x avec un grossissement supplémentaire de 2x pourrait être utilisé pour surmonter toute limitation du champ de vision du microscope, afin de fournir un champ de vision d'imagerie horizontal de 2,3 mm.
3. En supposant un chevauchement de 2 % entre les images pour l'assemblage, un temps de déplacement de la platine de 0,5 seconde jusqu'à une position définie et un temps d'exposition de 10 ms, nous pouvons calculer le temps d'acquisition de la caméra matricielle. De même, nous pouvons calculer le temps d'acquisition de la caméra TDI si la platine était maintenue en mouvement constant pour balayer l'axe Y, avec le même temps d'exposition par ligne.
4. Dans ce cas, la caméra à balayage matriciel nécessiterait l'acquisition de 140 images, avec un temps de déplacement de la platine de 63 secondes. La caméra TDI, quant à elle, n'acquerrait que 5 images longues, avec un temps de déplacement de la platine vers la colonne suivante de seulement 2 secondes.
5. Le temps total consacré à l'acquisition de la zone de 10 x 10 mm serait de64,4 secondes pour la caméra de balayage de zone,et juste9,9 secondes pour la caméra TDI.
Si vous souhaitez savoir si une caméra TDI pourrait convenir à votre application et répondre à vos besoins, contactez-nous dès aujourd'hui.
