25/08/08En imagerie industrielle et scientifique, capturer des objets en mouvement rapide dans des conditions de faible luminosité représente un défi constant. C'est là qu'interviennent les caméras à intégration de temps de retard (TDI). La technologie TDI combine synchronisation des mouvements et expositions multiples pour offrir une sensibilité et une clarté d'image exceptionnelles, notamment dans les environnements à haute 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 une image entière en une seule fois, les caméras TDI déplacent la charge d'une rangée de pixels à la suivante en synchronisation avec le mouvement de l'objet. Chaque rangée de pixels accumule la lumière au fur et à mesure que le sujet se déplace, ce qui augmente le temps d'exposition et renforce la puissance du 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 grande vitesse ou à faible luminosité.
Comment fonctionne une caméra TDI ?
Le fonctionnement d’une caméra TDI est illustré dans la figure 1.
Figure 1 : Fonctionnement des capteurs à intégration de temps de propagation (TDI)
NOTE: Les caméras TDI déplacent les charges acquises sur plusieurs « étages » en synchronisation avec un sujet en mouvement. Chaque étage offre une exposition supplémentaire à la lumière. Illustré par un « T » lumineux se déplaçant sur une caméra, avec un segment de 5 colonnes par 5 étages d'un capteur TDI. Tucsen Dhyana 9KTDI avec mouvement de charge de type CCD hybride, mais affichage parallèle de type CMOS.
Les caméras TDI sont en fait des caméras à balayage linéaire, avec une distinction importante : au lieu d'une rangée de pixels acquérant des données lorsque les caméras balayent un sujet d'imagerie, les caméras TDI ont plusieurs rangées, appelées « étages », jusqu'à généralement 256.
Cependant, ces lignes ne forment pas une image bidimensionnelle comme une caméra matricielle. Au contraire, lorsqu'un sujet scanné se déplace devant le capteur, les photoélectrons détectés dans chaque pixel se déplacent vers la ligne suivante, synchronisés avec le mouvement du sujet, sans être lus. Chaque ligne supplémentaire offre alors une occasion supplémentaire d'exposer le sujet à la lumière. Ce n'est qu'une fois qu'une tranche d'image atteint la dernière ligne de pixels du capteur qu'elle est transmise à l'architecture de lecture pour mesure.
Ainsi, malgré les multiples mesures effectuées sur les différents étages de la caméra, un seul bruit de lecture est introduit. Une caméra TDI à 256 étages maintient l'échantillon en vue 256 fois plus longtemps et présente donc un temps d'exposition 256 fois plus long qu'une caméra linéaire équivalente. Un temps d'exposition équivalent avec une caméra matricielle produirait un flou de mouvement extrême, rendant l'image inutilisable.
Quand peut-on utiliser le TDI ?
Les caméras TDI sont une excellente solution pour toute application d'imagerie où le sujet d'imagerie est en mouvement par rapport à la caméra, à condition que le mouvement soit uniforme sur toute la vue de la caméra.
Les applications de l'imagerie TDI incluent donc, d'une part, toutes celles du balayage linéaire permettant de former des images bidimensionnelles, tout en offrant des vitesses plus élevées, une sensibilité nettement améliorée en basse lumière, une meilleure qualité d'image, ou les trois à la fois. D'autre part, de nombreuses techniques d'imagerie utilisant des caméras matricielles permettent l'utilisation de caméras TDI.
Pour le TDI sCMOS haute sensibilité, l'imagerie « tuile et assemblage » en microscopie à fluorescence biologique peut être réalisée grâce à un balayage continu de la platine au lieu du tuilage. Le TDI complet peut également convenir aux applications d'inspection. Une autre application importante du TDI est la cytométrie de flux par imagerie, où des images de fluorescence des cellules sont acquises lors de leur passage devant une caméra tout en s'écoulant dans un canal microfluidique.
Avantages et inconvénients du sCMOS TDI
Avantages
● Peut capturer des images bidimensionnelles de taille arbitraire à grande vitesse lors de la numérisation 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 (balayée). De plus, des temps d'exposition plus longs que ceux du balayage linéaire peuvent atténuer le scintillement dû aux sources lumineuses CA.
● Les images en mouvement peuvent être acquises sans flou de mouvement et avec une vitesse et une sensibilité élevées.
●La numérisation de grandes zones peut être considérablement plus rapide qu'avec les caméras de numérisation de zone.
● Avec un logiciel avancé ou des configurations de déclenchement, un mode de type « balayage de zone » peut fournir un aperçu du balayage de zone pour la mise au point et l'alignement.
Inconvénients
● Le bruit est toujours plus élevé que celui des caméras sCMOS conventionnelles, ce qui signifie que les applications à 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.
sCMOS TDI compatible avec les faibles luminosités
Bien que le TDI en tant que technique d'imagerie soit antérieur à l'imagerie numérique et ait depuis longtemps dépassé le balayage linéaire en termes de performances, ce n'est qu'au cours des dernières années que les caméras TDI ont acquis la sensibilité requise pour atteindre les applications à faible luminosité qui nécessiteraient normalement la sensibilité de qualité scientifique.caméras sCMOS.
Le « sCMOS TDI » combine le mouvement des charges de type CCD à travers le capteur avec une lecture de type sCMOS, avec des capteurs rétroéclairés disponibles. Les caméras TDI précédentes, à base de CCD ou purement CMOS*, présentaient une lecture nettement plus lente, un nombre de pixels plus faible, moins d'étages et un bruit de lecture compris entre 30 et > 100 e. En revanche, les sCMOS TDI comme le TucsenCaméra sCMOS Dhyana 9KTDIoffre un bruit de lecture de 7,2e-, combiné à une efficacité quantique plus élevée grâce au rétroéclairage, permettant l'utilisation du 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 processus TDI peuvent plus que compenser l'augmentation du bruit de lecture par rapport aux caméras à balayage de zone sCMOS de haute qualité avec un bruit de lecture proche de 1e-.
Applications courantes des caméras TDI
Les caméras TDI sont présentes dans de nombreuses industries où la précision et la vitesse sont tout aussi essentielles :
● Inspection des plaquettes de semi-conducteurs
● Test d'écran plat (FPD)
● Inspection de bandes (papier, film, feuille, textiles)
● Radiographie dans le cadre de diagnostics médicaux ou de contrôles de bagages
● Numérisation de lames et de plaques multipuits en pathologie numérique
● Imagerie hyperspectrale en télédétection ou en agriculture
● Inspection de circuits imprimés et d'électronique dans les lignes SMT
Ces applications bénéficient du contraste, de la vitesse et de la clarté améliorés que l’imagerie TDI offre dans des conditions réelles.
Exemple : Numérisation de lames et de plaques multipuits
Comme mentionné précédemment, l'assemblage d'images, notamment la numérisation de lames ou de plaques multipuits, est une application prometteuse pour les caméras sCMOS TDI. L'assemblage d'échantillons de grande taille, obtenus par microscopie à fluorescence ou à fond clair, avec des caméras bidimensionnelles, repose sur l'assemblage d'une grille d'images formée par les multiples mouvements de la platine du microscope XY. Chaque image nécessite l'arrêt, la stabilisation, puis le redémarrage de la platine, ainsi que le retard éventuel de l'obturateur roulant. La TDI, quant à elle, permet d'acquérir des images pendant que la platine est en mouvement. L'image est alors formée à partir d'un petit nombre de longues bandes, chacune couvrant toute la largeur de l'échantillon. Cela peut potentiellement accroître considérablement les vitesses d'acquisition et le débit de données dans toutes les applications d'assemblage, selon les conditions d'imagerie.
La vitesse de déplacement de la platine est inversement proportionnelle au temps d'exposition total de la caméra TDI. Ainsi, des temps d'exposition courts (1 à 20 ms) offrent une amélioration significative de la vitesse d'imagerie par rapport aux caméras matricielles, ce qui peut entraîner une réduction d'un ordre de grandeur, voire supérieure, du temps d'acquisition total. Pour des temps d'exposition plus longs (par exemple, > 100 ms), la matricielle conserve généralement un avantage temporel.
Un exemple d'une image de microscopie à fluorescence très grande (2 gigapixels) formée en seulement dix secondes est présenté dans la figure 2. On peut s'attendre à ce qu'une image équivalente formée avec une caméra à balayage de zone prenne jusqu'à plusieurs minutes.
Figure 2 : Image de 2 gigapixels formée en 10 secondes grâce à la numérisation et à l'assemblage TDI
NOTE: Image grossie 10x, acquise avec le Tucsen Dhyana 9kTDI, de points de surligneur observés en microscopie à fluorescence. Acquisition en 10 secondes avec un temps d'exposition de 3,6 ms. Dimensions de l'image : 30 mm x 17 mm, 58 000 x 34 160 pixels.
Synchronisation TDI
La synchronisation d'une caméra TDI avec le sujet photographié (à quelques pour cent près) est essentielle : une différence 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 pour correspondre à la vitesse de mouvement 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 essais et erreurs.
DéclenchéDe nombreuses platines, portiques et autres équipements de déplacement des sujets d'imagerie peuvent être équipés d'encodeurs qui envoient une impulsion de déclenchement à la caméra pour une distance de déplacement donnée. Cela permet à la platine/portique et à la caméra de rester synchronisés, quelle que soit la vitesse de déplacement.
Caméras TDI vs. Caméras à balayage linéaire et à balayage matriciel
Voici comment TDI se compare aux autres technologies d’imagerie populaires :
| Fonctionnalité | Caméra TDI | Caméra à balayage linéaire | Caméra à balayage de zone |
| Sensibilité | Très élevé | Moyen | Faible à moyen |
| Qualité de l'image (mouvement) | Excellent | Bien | Floue à grande vitesse |
| Exigences 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 TDI est le choix idéal lorsque la scène évolue rapidement et que les niveaux de lumière sont limités. Le balayage linéaire offre une sensibilité inférieure, tandis que le balayage matriciel est plus adapté aux configurations simples ou stationnaires.
Choisir la bonne caméra TDI
Lors de la sélection d'une caméra TDI, tenez compte des éléments suivants :
● Nombre d'étages TDI : Plus d'étages augmentent le rapport signal/bruit, mais aussi le coût et la complexité.
● Type de capteur : le sCMOS est préféré pour sa vitesse et son faible bruit ; le CCD peut encore convenir à certains systèmes existants.
● Interface : assurez 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 de déclencheurs externes pour un meilleur alignement des mouvements.
Si votre application implique des échantillons biologiques délicats, une inspection à grande vitesse ou des environnements à faible luminosité, le sCMOS TDI est probablement la solution idéale.
Conclusion
Les caméras TDI représentent une avancée majeure dans la technologie d'imagerie, notamment lorsqu'elles sont équipées de capteurs sCMOS. En combinant synchronisation de mouvement et intégration multiligne, elles offrent une sensibilité et une clarté inégalées pour les scènes dynamiques en basse lumière.
Que vous inspectiez des plaquettes, numérisiez des lames ou effectuiez des inspections à grande vitesse, comprendre le fonctionnement du TDI peut vous aider à choisir la meilleure solution parmicaméras scientifiquespour vos défis d'imagerie.
FAQ
Les caméras TDI peuvent-elles fonctionner en mode de balayage de zone ?
Les caméras TDI peuvent créer des images bidimensionnelles (très fines) en mode « balayage matriciel », grâce à une astuce de synchronisation du capteur. Cela peut s'avérer utile pour des tâches telles que la mise au point et l'alignement.
Pour lancer une exposition matricielle, le capteur est d'abord « nettoyé » en avançant le TDI d'au moins autant de pas que l'appareil photo possède de paliers, aussi vite que possible, puis en s'arrêtant. Cette opération est réalisée soit par contrôle logiciel, soit par déclenchement matériel, idéalement dans l'obscurité. Par exemple, un appareil photo à 256 paliers doit lire au moins 256 lignes, puis s'arrêter. Ces 256 lignes de données sont ignorées.
Lorsque la caméra n'est pas déclenchée ou que les lignes ne sont pas lues, le capteur se comporte comme un capteur de balayage de zone exposant une image.
Le temps d'exposition souhaité doit ensuite s'écouler, l'appareil étant au repos, avant de le faire avancer d'au moins son nombre de paliers, en lisant chaque ligne de l'image acquise. Idéalement, cette phase de « lecture » doit 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 minimes dus à l'opération TDI.
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