22/07/13L'intégration temporelle (TDI) est une technique d'imagerie antérieure à l'imagerie numérique, mais qui offre encore aujourd'hui des avantages considérables à la pointe de l'imagerie. Les caméras TDI se distinguent dans deux cas, tous deux lorsque le sujet est en mouvement :
1 – Le sujet d’imagerie est intrinsèquement en mouvement avec une vitesse constante, comme dans l’inspection de bandes (comme la numérisation de feuilles de papier, de plastique ou de tissu en mouvement pour détecter des défauts et des dommages), les chaînes de montage ou la microfluidique et les écoulements de fluides.
2 – Sujets d'imagerie statiques pouvant être photographiés par une caméra déplacée d'une zone à l'autre, en déplaçant soit le sujet, soit la caméra. Exemples : numérisation de lames de microscope, inspection de matériaux, inspection d'écrans plats, etc.
Si l'une de ces circonstances peut s'appliquer à votre imagerie, cette page Web vous aidera à déterminer si le passage des caméras à balayage de zone bidimensionnelles conventionnelles 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 d'imagerie sont nécessairement en mouvement, par exemple lors de l'inspection d'écoulements de fluides ou de bandes. Dans d'autres applications, comme la numérisation de lames et l'inspection de matériaux, maintenir le sujet en mouvement peut être considérablement plus rapide et efficace que d'arrêter le mouvement à chaque image acquise. Cependant, pour les caméras matricielles, si le sujet est en mouvement par rapport à la caméra, cela peut poser problème.
Flou de mouvement déformant l'image d'un véhicule en mouvement
Dans les situations de faible luminosité ou nécessitant une qualité d'image élevée, un temps d'exposition long peut être souhaitable. Cependant, le mouvement du sujet répartit sa lumière sur plusieurs pixels de l'appareil photo pendant l'exposition, ce qui crée un flou de mouvement. Ce phénomène peut être minimisé en limitant les expositions à un temps très court, inférieur au temps nécessaire à un point du sujet pour traverser un pixel de l'appareil photo. C'est le cas.ungénéralement au détriment d’images sombres, bruyantes et souvent inutilisables.
●Piqûre
De plus, l'imagerie de sujets volumineux ou continus avec des caméras matricielles nécessite généralement l'acquisition de plusieurs images, qui sont ensuite assemblées. Cet assemblage nécessite 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 sera rarement suffisamment uniforme pour éviter les problèmes et les artefacts aux limites des images assemblées. De plus, pour éclairer une zone suffisamment grande pour la caméra matricielle avec une intensité suffisante, il faut souvent utiliser des sources lumineuses CC de forte puissance et coûteuses.
Éclairage inégal lors de l'assemblage d'une acquisition multi-images d'un cerveau de souris. Image de Watson et al. 2017 : http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Qu'est-ce qu'une caméra TDI et à quoi sert-elle ?
Dans les caméras matricielles bidimensionnelles conventionnelles, l'acquisition d'une image se déroule en trois phases : réinitialisation des pixels, exposition et lecture. Pendant l'exposition, les photons de 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 et une image 2D est formée. Les pixels sont ensuite réinitialisés et toutes leurs charges disparaissent pour permettre l'exposition suivante.
Cependant, comme mentionné précédemment, si le sujet photographié est en mouvement par rapport à l'appareil photo, sa lumière peut se propager sur plusieurs pixels lors de l'exposition, ce qui entraîne un flou de mouvement. Les appareils photo TDI surmontent cette limitation grâce à une technique innovante, illustrée dans [Animation 1].
●Comment fonctionnent les caméras TDI
Les caméras TDI fonctionnent fondamentalement différemment des caméras matricielles. Lorsque le sujet se déplace devant la caméra pendant l'exposition, les charges électroniques composant l'image acquise se déplacent également, restant synchronisées. Pendant l'exposition, les caméras TDI sont capables de déplacer toutes les charges acquises d'une rangée de pixels à la suivante, le long de la caméra, en synchronisation avec le mouvement du sujet. À mesure que le sujet se déplace devant la caméra, chaque rangée (appelée « étage TDI ») offre une nouvelle opportunité d'exposer la caméra au sujet et d'accumuler le signal.
Une fois qu'une ligne de charges acquises atteint l'extrémité de la caméra, les valeurs sont lues et stockées sous forme de tranche unidimensionnelle de l'image. L'image 2D est formée en assemblant les tranches successives 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, ce qui signifie que, malgré le mouvement, il n'y a pas de flou.
●Exposition 256x plus longue
Avec les caméras TDI, le temps d'exposition effectif de l'image est déterminé par le temps total nécessaire à un point du sujet pour parcourir chaque ligne de pixels, avec jusqu'à 256 étapes disponibles sur certaines caméras TDI. 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 équilibre entre les deux. Premièrement, la vitesse d'imagerie est considérablement accrue. Comparé à une caméra matricielle, le sujet peut se déplacer jusqu'à 256 fois plus vite tout en captant la même quantité de signal, à condition que la fréquence de transmission de la caméra soit suffisamment élevée pour suivre.
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.
●Débit de données important sans couture
Comme la caméra TDI produit une image bidimensionnelle à partir de tranches unidimensionnelles successives, l'image obtenue peut être aussi grande que nécessaire. Alors que le nombre de pixels horizontaux est déterminé par la largeur de la caméra (par exemple 9072 pixels), la taille verticale de l'image est illimitée et simplement déterminée par la durée de fonctionnement de la caméra. Avec des débits de ligne allant jusqu'à 510 kHz, ce système permet d'atteindre un débit de données considérable.
De plus, les caméras TDI offrent des champs de vision très larges. Par exemple, une caméra de 9072 pixels avec des pixels de 5 µm offre un champ de vision horizontal de 45 mm avec une haute résolution. Pour obtenir la même largeur d'image avec une caméra matricielle 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, présentent également les mêmes problèmes d'intensité lumineuse et de courtes expositions que les caméras matricielles.
Bien que, comme les caméras TDI, les caméras linéaires offrent un éclairage plus uniforme grâce à une configuration plus simple et évitent l'assemblage d'images, elles nécessitent souvent un éclairage très intense et/ou un mouvement lent du sujet pour capturer un signal suffisant pour une image de haute qualité. Les expositions plus longues et les vitesses de sujet plus rapides offertes par les caméras TDI permettent d'utiliser un éclairage plus faible et moins coûteux, tout en améliorant l'efficacité de l'imagerie. Par exemple, une chaîne de production peut passer d'un éclairage halogène coûteux et gourmand en énergie, nécessitant une alimentation CC, à un éclairage LED.
Comment fonctionnent les caméras TDI ?
Il existe trois normes courantes pour obtenir une imagerie TDI sur un capteur d'appareil photo.
● CCD TDILes caméras CCD sont les plus anciennes caméras 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 a ses limites. La plus petite taille de pixel couramment disponible pour les caméras CCD TDI est d'environ 12 µm x 12 µm. Ce facteur, combiné à un faible nombre de pixels, limite la capacité des caméras à reproduire les détails les plus fins. De plus, la vitesse d'acquisition est inférieure à celle des autres technologies, tandis que le bruit de lecture, facteur limitant majeur en imagerie basse lumière, est élevé. La consommation d'énergie est également élevée, ce qui constitue un facteur majeur dans certaines applications. C'est ce qui a conduit à l'idée de créer des caméras TDI basées sur l'architecture CMOS.
●Premiers CMOS TDI : domaine de tension et sommation 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 du TDI sur un capteur CMOS est étudié depuis 2001. Cependant, la gestion de l'accumulation du signal lors du passage d'une ligne à l'autre de l'exposition posait un défi majeur. Deux méthodes anciennes de TDI CMOS, encore utilisées aujourd'hui dans les caméras commerciales, sont l'accumulation dans le domaine de la tension et la sommation numérique. Dans les caméras à accumulation dans le domaine de la tension, à mesure que chaque ligne de signal est acquise au passage du sujet, la tension acquise est ajoutée électroniquement à l'acquisition totale de cette partie de l'image. Cette accumulation de tensions introduit du bruit supplémentaire pour chaque étage TDI ajouté, ce qui limite les avantages de ces étages. Les problèmes de linéarité compliquent également l'utilisation de ces caméras pour des applications de précision.
La deuxième méthode est la sommation numérique TDI. Dans cette méthode, une caméra CMOS fonctionne en mode matriciel avec une exposition très courte correspondant au temps de déplacement du sujet sur une seule ligne de pixels. Cependant, les lignes de chaque image successive sont additionnées numériquement de manière à produire un effet TDI. Comme l'intégralité de la caméra doit être lue pour chaque ligne de pixels de l'image résultante, cette addition numérique ajoute également du bruit de lecture pour chaque ligne et limite la vitesse d'acquisition.
●La norme moderne : CMOS TDI à domaine de charge, ou CCD sur CMOS TDI
Les limitations du CMOS TDI mentionnées ci-dessus ont été récemment surmontées grâce à l'introduction du CMOS TDI à accumulation de domaine de charge, également appelé CCD-on-CMOS TDI. Le fonctionnement de ces capteurs est illustré dans [Animation 1]. Comme leur nom l'indique, ces capteurs offrent un mouvement de charge similaire à celui du CCD d'un pixel à l'autre, accumulant le signal à chaque étape du TDI grâce à l'ajout de photoélectrons au niveau des charges individuelles. Ce procédé est pratiquement exempt de bruit. Cependant, les limitations du CCD TDI sont surmontées grâce à l'utilisation de l'architecture de lecture CMOS, qui permet d'obtenir les vitesses élevées, le faible bruit et la faible consommation d'énergie propres aux caméras CMOS.
Spécifications TDI : qu'est-ce qui compte ?
●Technologie:Le facteur le plus important est la technologie de capteur utilisée, comme indiqué précédemment. Le CMOS TDI à domaine de charge offrira les meilleures performances.
●Étapes du TDI :Il s'agit du nombre de lignes du capteur sur lesquelles le signal peut être accumulé. Plus un appareil photo possède d'étages TDI, plus son temps d'exposition effectif est long. Autrement dit, plus le sujet peut se déplacer rapidement, à condition que l'appareil photo dispose d'une fréquence de balayage suffisante.
●Débit de ligne :Nombre de lignes que la caméra peut lire par seconde. Cela détermine la vitesse de mouvement maximale que la caméra peut suivre.
●Efficacité quantiqueCela indique la sensibilité de la caméra à la lumière à différentes longueurs d'onde, donnée par la probabilité qu'un photon incident soit détecté et produise un photoélectron. Une efficacité quantique plus élevée peut offrir une intensité lumineuse plus faible ou un fonctionnement plus rapide tout en maintenant les mêmes niveaux de signal.
De plus, les caméras diffèrent sur la plage de longueurs d'onde à laquelle une bonne sensibilité peut être obtenue, certaines caméras 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'une caméra, déterminant le signal minimal détectable au-dessus du seuil de bruit de la caméra. Un bruit de lecture élevé empêche la détection des zones sombres et réduit considérablement la plage dynamique. Il est donc nécessaire d'utiliser 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 de composants électroniques et de fabrication, ainsi que pour d'autres applications de vision industrielle. Elles sont également utilisées pour des applications exigeantes en faible luminosité, comme l'imagerie par fluorescence et la numérisation de lames.
Cependant, l'arrivée des caméras CMOS TDI haute vitesse, faible bruit et haute sensibilité offre un potentiel considérable d'amélioration de la vitesse et de l'efficacité dans de nouvelles applications qui utilisaient auparavant exclusivement des caméras matricielles. Comme nous l'avons indiqué au début de cet article, les caméras TDI pourraient constituer la solution idéale pour obtenir des vitesses élevées et une qualité d'image élevée, que ce soit pour l'imagerie de sujets en mouvement constant ou pour l'imagerie de sujets statiques.
Par exemple, dans une application de microscopie, nous pourrions comparer la vitesse d'acquisition théorique d'une caméra TDI de 9 000 pixels, 256 platines et 5 µm, à celle d'une caméra matricielle de 12 MP et 5 µm. Examinons l'acquisition d'une zone de 10 x 10 mm avec un grossissement de 20 x en déplaçant la platine.
1. L'utilisation d'un objectif 20x avec la caméra à balayage de zone fournirait 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 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 pixels de 2 % entre les images pour l'assemblage, un déplacement de la platine à un emplacement précis en 0,5 seconde et un temps d'exposition de 10 ms, nous pouvons calculer le temps nécessaire à la caméra matricielle. De même, nous pouvons calculer le temps nécessaire à la caméra TDI si la platine était maintenue en mouvement constant pour effectuer un balayage dans la direction Y, avec le même temps d'exposition par ligne.
4. Dans ce cas, la caméra matricielle nécessiterait 140 images pour être acquises, avec 63 secondes de déplacement de la platine. La caméra TDI n'acquerrait que 5 images longues, avec seulement 2 secondes de déplacement de la platine vers la colonne suivante.
5. Le temps total passé à acquérir la zone de 10 x 10 mm serait64,4 secondes pour la caméra à balayage de zone,et juste9,9 secondes pour la caméra TDI.
Si vous souhaitez voir si une caméra TDI pourrait correspondre à votre application et répondre à vos besoins, contactez-nous dès aujourd'hui.
