25/08/08Na imaxería industrial e científica, a captura de obxectos en movemento rápido en condicións de pouca luz presenta un desafío constante. É aí onde interveñen as cámaras con integración de retardo de tempo (TDI). A tecnoloxía TDI combina a sincronización de movemento e as exposicións múltiples para ofrecer unha sensibilidade e unha claridade de imaxe excepcionais, especialmente en contornas de alta velocidade.
Que é unha cámara TDI?
Unha cámara TDI é unha cámara de exploración lineal especializada que captura imaxes de obxectos en movemento. A diferenza das cámaras de exploración de área estándar que expoñen un fotograma completo á vez, as cámaras TDI cambian a carga dunha fila de píxeles a outra en sincronización co movemento do obxecto. Cada fila de píxeles acumula luz a medida que o suxeito se move, o que aumenta eficazmente o tempo de exposición e mellora a intensidade do sinal sen introducir desenfoque de movemento.
Esta integración de carga aumenta drasticamente a relación sinal-ruído (SNR), o que fai que as cámaras TDI sexan ideais para aplicacións de alta velocidade ou pouca luz.
Como funciona unha cámara TDI?
O funcionamento dunha cámara TDI ilústrase na Figura 1.
Figura 1: Funcionamento dos sensores de integración de retardo de tempo (TDI)
NOTA: As cámaras TDI moven as cargas adquiridas a través de múltiples "etapas" en sincronía cun suxeito de imaxe en movemento. Cada etapa ofrece unha oportunidade adicional de estar exposto á luz. Ilustrado mediante unha "T" brillante que se move a través dunha cámara, cun segmento de 5 columnas por 5 etapas dun sensor TDI. Tucsen Dhyana 9KTDI con movemento de carga híbrido de estilo CCD pero lectura paralela de estilo CMOS.
As cámaras TDI son en realidade cámaras de exploración lineal, cunha distinción importante: en lugar dunha fila de píxeles que adquiran datos mentres as cámaras exploran un suxeito que recibe unha imaxe, as cámaras TDI teñen varias filas, coñecidas como "etapas", ata un máximo de 256.
Non obstante, estas filas non forman unha imaxe bidimensional como unha cámara de exploración de área. Pola contra, a medida que un suxeito de imaxe escaneado se move polo sensor da cámara, os fotoelectróns detectados dentro de cada píxel desprázanse ata a seguinte fila en sincronía co movemento do suxeito da imaxe, sen ser lidos aínda. Cada fila adicional proporciona entón unha oportunidade adicional para expoñer o suxeito da imaxe á luz. Só unha vez que unha porción de imaxe chega á fila final de píxeles do sensor, esa fila pásase á arquitectura de lectura para a súa medición.
Polo tanto, a pesar de que se realizan múltiples medicións nas etapas da cámara, só se introduce unha instancia do ruído de lectura da cámara. Unha cámara TDI de 256 etapas mantén a mostra á vista 256 veces máis tempo e, polo tanto, ten un tempo de exposición 256 veces maior que a cámara de exploración lineal equivalente. Un tempo de exposición equivalente cunha cámara de exploración de área produciría un desenfoque de movemento extremo, facendo que a imaxe fose inútil.
Cando se pode usar o TDI?
As cámaras TDI son unha excelente solución para calquera aplicación de imaxe onde o suxeito da imaxe estea en movemento en relación coa cámara, sempre que o movemento sexa uniforme en todo o campo de visión da cámara.
Polo tanto, as aplicacións da imaxe TDI inclúen, por unha banda, todas as de dixitalización lineal onde se forman imaxes bidimensionais, ao tempo que ofrecen maiores velocidades, unha sensibilidade a pouca luz moito mellor, unha mellor calidade de imaxe ou as tres cousas á vez. Por outra banda, existen moitas técnicas de imaxe que empregan cámaras de dixitalización de área onde se poden empregar cámaras TDI.
Para a TDI sCMOS de alta sensibilidade, a imaxe de "mosaico e costura" en microscopía de fluorescencia biolóxica pode realizarse mediante unha exploración continua da platina en lugar do mosaico. Ou toda a TDI pode ser axeitada para aplicacións de inspección. Outra aplicación importante da TDI é a citometría de fluxo de imaxe, onde se adquiren imaxes de fluorescencia das células mentres pasan por unha cámara mentres flúen a través dun canal microfluídico.
Vantaxes e desvantaxes do sCMOS TDI
Vantaxes
● Pode capturar imaxes bidimensionais de tamaño arbitrario a alta velocidade ao escanear un suxeito de imaxe.
● Múltiples etapas TDI, baixo ruído e alta QE poden levar a unha sensibilidade drasticamente maior que as cámaras de varrido lineal.
● Pódense conseguir velocidades de lectura moi altas, por exemplo, de ata 510.000 Hz (liñas por segundo), para unha imaxe de 9.072 píxeles de ancho.
●A iluminación só precisa ser unidimensional e non pode requirir campo plano nin outras correccións na segunda dimensión (dixitalizada). Ademais, os tempos de exposición máis longos en comparación coa dixitalización lineal poden "suavizar" o parpadeo debido ás fontes de luz de CA.
● As imaxes en movemento pódense adquirir sen desenfoque de movemento e con alta velocidade e sensibilidade.
●A dixitalización de grandes áreas pode ser drasticamente máis rápida que as cámaras de dixitalización de área.
● Con software avanzado ou configuracións de disparo, un modo de "exploración de área" pode proporcionar unha visión xeral da exploración de área para o enfoque e a aliñación.
Contras
● Ruído aínda maior que as cámaras sCMOS convencionais, o que significa que as aplicacións con pouca luz están fóra do seu alcance.
● Require configuracións especializadas con disparos avanzados para sincronizar o movemento do suxeito da imaxe coa exploración da cámara, un control moi preciso da velocidade do movemento ou unha predición precisa da velocidade para permitir a sincronización.
● Ao ser unha tecnoloxía nova, existen actualmente poucas solucións para a implementación de hardware e software.
TDI sCMOS con capacidade para pouca luz
Aínda que a TDI como técnica de imaxe é anterior á imaxe dixital e superou hai moito tempo a exploración lineal en rendemento, só nos últimos anos as cámaras TDI adquiriron a sensibilidade necesaria para alcanzar as aplicacións con pouca luz que normalmente requirirían a sensibilidade de nivel científico.cámaras sCMOS.
O «sCMOS TDI» combina o movemento de cargas ao estilo CCD a través do sensor coa lectura ao estilo sCMOS, con sensores retroiluminados dispoñibles. As cámaras TDI baseadas en CCD ou totalmente baseadas en CMOS* anteriores tiñan unha lectura drasticamente máis lenta, un número de píxeles máis pequeno, menos etapas e ruído de lectura entre 30e e >100e. En contraste, os sCMOS TDI como o TucsenCámara Dhyana 9KTDI sCMOSOfrece un ruído de lectura de 7,2e-, combinado cunha maior eficiencia cuántica mediante a retroiluminación, o que permite o uso de TDI en aplicacións con niveis de luz significativamente máis baixos do que era posible anteriormente.
En moitas aplicacións, os tempos de exposición máis longos que permite o proceso TDI poden compensar con creces o aumento do ruído de lectura en comparación coas cámaras de exploración de área sCMOS de alta calidade con ruído de lectura próximo a 1e-.
Aplicacións comúns das cámaras TDI
As cámaras TDI atópanse en moitas industrias onde a precisión e a velocidade son igualmente críticas:
● Inspección de obleas de semicondutores
● Probas de pantallas planas (FPD)
● Inspección web (papel, película, lámina, téxtiles)
● Escáner de raios X en diagnósticos médicos ou control de equipaxes
● Exploración de láminas e placas multipozo en patoloxía dixital
● Imaxes hiperespectrais en teledetección ou agricultura
● Inspección de PCB e electrónica en liñas SMT
Estas aplicacións benefícianse do contraste, a velocidade e a claridade mellorados que proporcionan as imaxes TDI baixo restricións do mundo real.
Exemplo: dixitalización de portaobxectos e placas de varios pozos
Como se mencionou, unha aplicación moi prometedora para as cámaras sCMOS TDI son as aplicacións de unión, incluíndo a dixitalización de diapositivas ou placas de varios pozos. A dixitalización de mostras grandes de microscopía fluorescente ou de campo brillante con cámaras de área bidimensional baséase na unión dunha grella de imaxes formada a partir de múltiples movementos dunha platina de microscopio XY. Cada imaxe require que a platina pare, se estabilice e logo se reinicie, xunto con calquera atraso do obturador rodante. A TDI, por outra banda, pode adquirir imaxes mentres a platina está en movemento. A imaxe fórmase entón a partir dun pequeno número de "tiras" longas, cada unha das cales cobre todo o ancho da mostra. Isto pode levar a velocidades de adquisición e rendemento de datos drasticamente maiores en todas as aplicacións de unión, dependendo das condicións de imaxe.
A velocidade á que se pode mover a platina é inversamente proporcional ao tempo de exposición total da cámara TDI, polo que os tempos de exposición curtos (1-20 ms) ofrecen a maior mellora na velocidade de imaxe en comparación coas cámaras de exploración de área, o que pode levar a unha redución dunha orde de magnitude ou maior no tempo total de adquisición. Para tempos de exposición máis longos (por exemplo, > 100 ms), a exploración de área normalmente pode manter unha vantaxe de tempo.
Na Figura 2 móstrase un exemplo dunha imaxe de microscopía de fluorescencia moi grande (2 gigapíxeles) formada en só dez segundos. Espérase que unha imaxe equivalente formada cunha cámara de exploración de área tarde ata varios minutos.
Figura 2: Imaxe de 2 gigapíxeles formada en 10 segundos mediante dixitalización e unión TDI
NOTA: Imaxe cun aumento de 10x adquirida co Tucsen Dhyana 9kTDI de puntos de rotulador destacado observados con microscopía de fluorescencia. Adquirida en 10 segundos cun tempo de exposición de 3,6 ms. Dimensións da imaxe: 30 mm x 17 mm, 58.000 x 34.160 píxeles.
Sincronización de TDI
A sincronización dunha cámara TDI co suxeito da imaxe (cunha precisión duns poucos por cento) é esencial: a desaxuste de velocidade provocará un efecto de "desenfoque de movemento". Esta sincronización pódese facer de dúas maneiras:
PreditivoA velocidade da cámara establécese para coincidir coa velocidade do movemento en función do coñecemento da velocidade de movemento da mostra, a óptica (ampliación) e o tamaño dos píxeles da cámara. Ou por proba e erro.
ActivadoMoitas platinas, pórticos e outros equipos de microscopio para mover suxeitos de imaxe poden incluír codificadores que envían un pulso de disparo á cámara para unha distancia de movemento determinada. Isto permite que a platina/pórtico e a cámara permanezan sincronizados independentemente da velocidade de movemento.
Cámaras TDI fronte a cámaras de exploración lineal e de exploración de área
Así é como se compara o TDI con outras tecnoloxías de imaxe populares:
| Característica | Cámara TDI | Cámara de dixitalización lineal | Cámara de dixitalización de área |
| Sensibilidade | Moi alto | Medio | Baixo a medio |
| Calidade da imaxe (movemento) | Excelente | Bo | Borroso a altas velocidades |
| Requisitos de iluminación | Baixo | Medio | Alto |
| Compatibilidade de movemento | Excelente (se está sincronizado) | Bo | Pobre |
| Mellor para | Alta velocidade, pouca luz | Obxectos en movemento rápido | Escenas estáticas ou lentas |
A TDI é a mellor opción cando a escena se move rapidamente e os niveis de luz son limitados. A exploración lineal supón unha diminución da sensibilidade, mentres que a exploración de área é mellor para configuracións sinxelas ou estacionarias.
Escolla da cámara TDI axeitada
Ao elixir unha cámara TDI, teña en conta o seguinte:
● Número de etapas TDI: Máis etapas aumentan a SNR, pero tamén o custo e a complexidade.
● Tipo de sensor: o sCMOS é o preferido pola súa velocidade e baixo ruído; o CCD aínda pode ser axeitado para algúns sistemas herdados.
● Interface: asegúrate de que sexa compatible co teu sistema: Camera Link, CoaXPress e 10GigE son opcións habituais, e os modelos 100G CoF e 40G CoF xurdiron como novas tendencias.
● Resposta espectral: escolla entre monocromo, cor ou infravermello próximo (NIR) segundo as necesidades da aplicación.
● Opcións de sincronización: Busca funcións como entradas de codificador ou compatibilidade con disparadores externos para unha mellor aliñación do movemento.
Se a súa aplicación implica mostras biolóxicas delicadas, inspección de alta velocidade ou ambientes con pouca luz, é probable que o sCMOS TDI sexa a opción axeitada.
Conclusión
As cámaras TDI representan unha poderosa evolución na tecnoloxía de imaxe, especialmente cando se constrúen con sensores sCMOS. Ao combinar a sincronización de movemento coa integración multilínea, ofrecen unha sensibilidade e unha claridade inigualables para escenas dinámicas e con pouca luz.
Tanto se estás a inspeccionar obleas, escanear diapositivas ou realizar inspeccións de alta velocidade, comprender como funciona o TDI pode axudarche a escoller a mellor solución entrecámaras científicaspara os teus retos de imaxe.
Preguntas frecuentes
Poden as cámaras TDI funcionar en modo de exploración de área?
As cámaras TDI poden crear imaxes bidimensionais (moi finas) nun modo de "escaneado de área", conseguido mediante un truco de temporización do sensor. Isto pode ser útil para tarefas como o enfoque e a aliñación.
Para comezar unha "exposición de exploración de área", primeiro "límprase" o sensor avanzando o TDI polo menos tantos pasos como etapas teña a cámara, o máis rápido posible e despois parando. Isto conséguese mediante control de software ou activación por hardware e, idealmente, realízase na escuridade. Por exemplo, unha cámara de 256 etapas debería ler polo menos 256 liñas e despois parar. Estas 256 liñas de datos descártanse.
Mentres a cámara non se activa nin se len as liñas, o sensor compórtase como un sensor de exploración de área que expón unha imaxe.
O tempo de exposición desexado debería transcorrer coa cámara inactiva, antes de que a cámara volva avanzar polo menos o seu número de etapas, lendo cada liña da imaxe que acaba de adquirir. Unha vez máis, o ideal sería que esta fase de "lectura" ocorrese na escuridade.
Esta técnica pódese repetir para proporcionar unha "vista previa en directo" ou unha secuencia de imaxes de dixitalización de área con mínima distorsión e desenfoque da operación TDI.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Todos os dereitos reservados. Ao citar, indique a fonte:www.tucsen.com
