30/09/2025En imagerie industrielle et scientifique, la capture d'objets en mouvement rapide dans des conditions de faible luminosité représente un défi constant. C'est là qu'interviennent les caméras à intégration de délai temporel (TDI). La technologie TDI combine la synchronisation de mouvement et les expositions multiples pour offrir une sensibilité et une netteté d'image exceptionnelles, notamment dans les environnements à grande vitesse.
Qu'est-ce qu'une caméra TDI ?
Une caméra TDI est une caméra linéaire spécialisée qui capture des images d'objets en mouvement. Contrairement aux caméras matricielles classiques qui exposent l'intégralité de l'image en une seule fois, les caméras TDI transfèrent la charge d'une rangée de pixels à l'autre en synchronisation avec le mouvement de l'objet. Chaque rangée de pixels accumule de la lumière au fur et à mesure que le sujet se déplace, ce qui augmente le temps d'exposition et renforce le signal sans introduire de flou de mouvement.
Cette intégration de charge augmente considérablement le rapport signal/bruit (SNR), ce qui rend les caméras TDI idéales pour les applications à haute vitesse ou en faible luminosité.
Comment fonctionne une caméra TDI ?
Le fonctionnement d'une caméra TDI est illustré sur la figure.
NOTE:Les caméras TDI répartissent les charges acquises sur plusieurs « étages » en synchronisation avec le mouvement du sujet photographié. Chaque étage offre une exposition supplémentaire à la lumière. Ceci est illustré par un « T » lumineux se déplaçant sur la caméra, avec un segment de 5 colonnes et 5 étages d'un capteur TDI. La caméra Tucsen Dhyana 9KTDI utilise un système hybride de transfert de charges de type CCD et une lecture parallèle de type CMOS.
Les caméras TDI sont en fait des caméras à balayage linéaire, avec une distinction importante : au lieu d’une seule rangée de pixels acquérant des données lorsque les caméras balayent un sujet à imager, les caméras TDI ont plusieurs rangées, appelées « étages », jusqu’à généralement 256.
Cependant, ces rangées ne forment pas une image bidimensionnelle comme avec une caméra à balayage matriciel. En effet, lorsqu'un sujet se déplace sur le capteur, les photoélectrons détectés dans chaque pixel passent à la rangée suivante, synchronisés avec le mouvement du sujet, sans être encore lus. Chaque rangée supplémentaire offre ainsi une nouvelle occasion d'exposer le sujet à la lumière. Ce n'est que lorsqu'une portion d'image atteint la dernière rangée de pixels du capteur que cette rangée est transmise au système de lecture pour la mesure.
Par conséquent, malgré les multiples mesures effectuées à travers les différents étages de la caméra, une seule occurrence du bruit de lecture est introduite. Une caméra TDI à 256 étages maintient l'échantillon dans le champ de vision 256 fois plus longtemps, et offre donc un temps d'exposition 256 fois supérieur à celui d'une caméra linéaire équivalente. Un temps d'exposition équivalent avec une caméra matricielle entraînerait un flou de mouvement extrême, rendant l'image inutilisable.
Quand peut-on utiliser le TDI ?
Les caméras TDI constituent une excellente solution pour toute application d'imagerie où le sujet est en mouvement par rapport à la caméra, à condition que ce mouvement soit uniforme dans le champ de vision de la caméra.
Les applications de l'imagerie TDI comprennent donc, d'une part, toutes celles du balayage linéaire avec formation d'images bidimensionnelles, tout en offrant des vitesses accrues, une sensibilité en basse lumière nettement améliorée, une meilleure qualité d'image, voire ces trois avantages simultanément. D'autre part, de nombreuses techniques d'imagerie utilisant des caméras matricielles peuvent également tirer parti des caméras TDI.
Pour les capteurs sCMOS TDI haute sensibilité, l'imagerie par assemblage de pièces (« tuilage and stitch ») en microscopie de fluorescence biologique peut être réalisée par un balayage continu de la platine, remplaçant ainsi l'assemblage par mosaïque. De plus, tous les capteurs TDI sont parfaitement adaptés aux applications d'inspection. Une autre application importante du TDI est la cytométrie de flux par imagerie, où des images de fluorescence de cellules sont acquises lors de leur passage devant une caméra, pendant leur circulation dans un canal microfluidique.
Avantages et inconvénients du sCMOS TDI
Avantages
● Peut capturer des images bidimensionnelles de taille arbitraire à grande vitesse lors du balayage d'un sujet d'imagerie.
● Plusieurs étages TDI, un faible bruit et un QE élevé peuvent conduire à une sensibilité considérablement plus élevée que les caméras à balayage linéaire.
● Des vitesses de lecture très élevées peuvent être atteintes, par exemple jusqu'à 510 000 Hz (lignes par seconde), pour une image de 9 072 pixels de large.
L'éclairage doit être unidimensionnel et ne nécessite aucune correction de champ plat ni autre correction dans la seconde dimension (scannée). De plus, des temps d'exposition plus longs qu'avec un balayage linéaire permettent d'atténuer le scintillement dû aux sources de lumière alternative.
● Il est possible d'acquérir des images en mouvement sans flou de mouvement, avec une vitesse et une sensibilité élevées.
● La numérisation de grandes surfaces peut être considérablement plus rapide qu'avec les caméras à balayage de zone.
● Grâce à des logiciels ou des configurations de déclenchement avancés, un mode de type « balayage de zone » peut fournir une vue d'ensemble du balayage de zone pour la mise au point et l'alignement.
Cons
● Un niveau de bruit encore plus élevé que celui des caméras sCMOS classiques, ce qui signifie que les applications en très faible luminosité sont hors de portée.
● Nécessite des configurations spécialisées avec un déclenchement avancé pour synchroniser le mouvement du sujet d'imagerie avec le balayage de la caméra, un contrôle très précis de la vitesse de mouvement ou une prédiction précise de la vitesse pour permettre la synchronisation.
● En tant que nouvelle technologie, il existe actuellement peu de solutions pour la mise en œuvre matérielle et logicielle.
Capteur sCMOS TDI compatible avec les faibles luminosités
Bien que la technique d'imagerie TDI soit antérieure à l'imagerie numérique et ait depuis longtemps surpassé l'imagerie linéaire en termes de performances, ce n'est que récemment que les caméras TDI ont acquis la sensibilité nécessaire pour les applications en faible luminosité qui exigeraient normalement une sensibilité de qualité scientifique.Caméras sCMOS.
La technologie « sCMOS TDI » combine le déplacement des charges sur le capteur, similaire à celui des capteurs CCD, avec une lecture de type sCMOS, et propose des capteurs rétroéclairés. Les caméras TDI précédentes, basées sur la technologie CCD ou exclusivement sur la technologie CMOS*, présentaient une lecture beaucoup plus lente, un nombre de pixels plus faible, moins d'étages et un bruit de lecture compris entre 30 e- et >100 e-. En revanche, les technologies sCMOS TDI, telles que la Tucsen, offrent des performances supérieures.Caméra sCMOS Dhyana 9KTDIoffre un bruit de lecture de 7,2e-, combiné à une efficacité quantique plus élevée grâce à la rétro-illumination, permettant l'utilisation de TDI dans des applications à niveau de lumière nettement inférieur à ce qui était possible auparavant.
Dans de nombreuses applications, les temps d'exposition plus longs permis par le procédé TDI peuvent largement compenser l'augmentation du bruit de lecture par rapport aux caméras à balayage de surface sCMOS de haute qualité dont le bruit de lecture est proche de 1e-.
Applications courantes des caméras TDI
On retrouve les caméras TDI dans de nombreux secteurs où la précision et la rapidité sont tout aussi essentielles :
●Inspection des plaquettes de semi-conducteurs
●écran plat(FPD)essai
● Inspection du Web(papier, film, feuille d'aluminium, textiles)
● Scanner à rayons X pour le diagnostic médical ou le contrôle des bagages
● Numérisation de lames et de plaques multipuits en pathologie numérique
● Imagerie hyperspectrale en télédétection ou en agriculture
● Inspection des circuits imprimés et des composants électroniques sur les lignes SMT
Ces applications bénéficient du contraste, de la vitesse et de la clarté améliorés qu'offre l'imagerie TDI dans des conditions réelles.
Exemple : Numérisation de lames et de plaques multipuits
Comme mentionné précédemment, l'une des applications les plus prometteuses des caméras sCMOS TDI réside dans l'assemblage d'images, notamment pour la numérisation de lames ou de plaques multipuits. La numérisation d'échantillons de grande taille en microscopie à fluorescence ou en fond clair avec des caméras matricielles 2D repose sur l'assemblage d'une grille d'images formées par les multiples mouvements de la platine XY d'un microscope. Chaque image nécessite l'arrêt, la stabilisation et le redémarrage de la platine, sans compter le délai d'obturation. La technologie TDI, quant à elle, permet d'acquérir des images pendant le déplacement de la platine. L'image est alors formée d'un petit nombre de longues « bandes », chacune couvrant toute la largeur de l'échantillon. Ceci peut potentiellement conduire à des vitesses d'acquisition et à un débit de données considérablement plus élevés pour toutes les applications d'assemblage, en fonction des conditions d'imagerie.
La vitesse de déplacement de la platine est inversement proportionnelle au temps d'exposition total de la caméra TDI. Par conséquent, les temps d'exposition courts (1 à 20 ms) offrent le gain de vitesse d'acquisition le plus important par rapport aux caméras matricielles, ce qui peut permettre de réduire le temps d'acquisition total d'un ordre de grandeur, voire plus. Pour des temps d'exposition plus longs (par exemple, supérieurs à 100 ms), la caméra matricielle conserve généralement un avantage en termes de gain de temps.
La figure montre un exemple d'image de microscopie à fluorescence de très grande taille (2 gigapixels) formée en seulement dix secondes. Une image équivalente, formée avec une caméra à balayage matriciel, pourrait prendre jusqu'à plusieurs minutes.
NOTE:Image à grossissement 10x acquise à l'aide du microscope à fluorescence Tucsen Dhyana 9kTDI, montrant des points de surligneur. Acquisition en 10 secondes avec un temps d'exposition de 3,6 ms. Dimensions de l'image : 30 mm × 17 mm, 58 000 × 34 160 pixels.
Synchronisation TDI
La synchronisation d'une caméra TDI avec le sujet photographié (à quelques pour cent près) est essentielle ; un décalage de vitesse entraînera un effet de flou de mouvement. Cette synchronisation peut être réalisée de deux manières :
Prédictif :La vitesse de la caméra est réglée en fonction de la vitesse de déplacement de l'échantillon, de l'optique (grossissement) et de la taille des pixels de la caméra. Ou par tâtonnement.
Déclenché:De nombreuses platines de microscope, portiques et autres équipements de déplacement de sujets d'imagerie peuvent inclure des codeurs qui envoient une impulsion de déclenchement à la caméra pour une distance de déplacement donnée. Cela permet à la platine/au portique et à la caméra de rester synchronisées quelle que soit la vitesse de déplacement.
Caméras TDI vs. Caméras linéaires et caméras matricielles
Voici comment la TDI se compare aux autres technologies d'imagerie populaires :
| Fonctionnalité | Caméra TDI | Caméra à balayage linéaire | Caméra de balayage de zone |
| Sensibilité | Très élevé | Moyen | Faible à moyen |
| Qualité d'image (mouvement) | Excellent | Bien | Flou à grande vitesse |
| Exigences en matière d'éclairage | Faible | Moyen | Haut |
| Compatibilité de mouvement | Excellent (si synchronisé) | Bien | Pauvre |
| Idéal pour | Haute vitesse, faible luminosité | Objets en mouvement rapide | Scènes statiques ou lentes |
Le mode TDI est le choix idéal lorsque la scène est en mouvement rapide et que la luminosité est faible. Le mode linéaire offre une sensibilité inférieure, tandis que le mode matriciel convient mieux aux configurations simples ou fixes.
Choisir la bonne caméra TDI
Lors du choix d'une caméra TDI, tenez compte des éléments suivants :
●Nombre d'étapes TDI :L'ajout d'étages augmente le rapport signal/bruit, mais aussi le coût et la complexité.
●Type de capteur :Le capteur sCMOS est privilégié pour sa rapidité et son faible bruit ; le capteur CCD peut encore convenir à certains systèmes anciens.
●Interface:Assurez-vous de la compatibilité avec votre système : Camera Link, CoaXPress et 10GigE sont des options courantes, 100G CoF et 40G CoF sont apparus comme de nouvelles tendances.
●Réponse spectrale :Choisissez entre monochrome, couleur ou proche infrarouge (NIR) en fonction des besoins de l'application.
●Options de synchronisation :Recherchez des fonctionnalités telles que les entrées d'encodeur ou la prise en charge d'un déclencheur externe pour un meilleur alignement des mouvements.
Si votre application implique des échantillons biologiques délicats, une inspection à grande vitesse ou des environnements peu éclairés, la technologie sCMOS TDI est probablement la solution idéale.
Conclusion
Les caméras TDI représentent une avancée majeure dans le domaine de l'imagerie, notamment grâce à leurs capteurs sCMOS. En combinant la synchronisation de mouvement et l'intégration multi-lignes, elles offrent une sensibilité et une netteté exceptionnelles pour les scènes dynamiques en faible luminosité.
Que vous inspectiez des plaquettes, scanniez des lames ou réalisiez des inspections à grande vitesse, comprendre le fonctionnement de la technologie TDI peut vous aider à choisir la meilleure solution parmi les options disponibles.caméras scientifiquespour vos défis en matière d'imagerie.
FAQ
Les caméras TDI peuvent-elles fonctionner en mode de balayage de zone ?
Les caméras TDI peuvent créer des images 2D (très fines) en mode « balayage de surface », grâce à une astuce de synchronisation du capteur. Ceci peut s'avérer utile pour des tâches telles que la mise au point et l'alignement.
Pour commencer une exposition par balayage de zone, le capteur est d'abord initialisé en faisant avancer le TDI d'au moins autant de pas que le nombre d'étages de la caméra, aussi rapidement que possible, puis en l'arrêtant. Cette opération est réalisée soit par commande logicielle, soit par déclenchement matériel, et idéalement dans l'obscurité. Par exemple, une caméra à 256 étages doit lire au moins 256 lignes, puis s'arrêter. Ces 256 lignes de données sont ensuite supprimées.
Lorsque la caméra n'est pas déclenchée ou que des lignes ne sont pas lues, le capteur se comporte exactement comme un capteur à balayage de surface exposant une image.
Le temps d'exposition souhaité doit ensuite s'écouler, l'appareil étant immobile, avant de faire avancer à nouveau l'appareil d'au moins le nombre de positions indiqué, en lisant chaque ligne de l'image qui vient d'être acquise. Idéalement, cette phase de lecture devrait se dérouler dans l'obscurité.
Cette technique peut être répétée pour fournir un « aperçu en direct » ou une séquence d'images de balayage de zone avec une distorsion et un flou minimaux dus à l'opération TDI.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Tous droits réservés. Veuillez citer la source :www.tucsen.com
