30/09/2025Nell'ambito dell'imaging industriale e scientifico, catturare oggetti in rapido movimento in condizioni di scarsa illuminazione rappresenta una sfida costante. È qui che entrano in gioco le telecamere con integrazione a ritardo temporale (TDI). La tecnologia TDI combina la sincronizzazione del movimento e le esposizioni multiple per offrire una sensibilità e una nitidezza dell'immagine eccezionali, soprattutto in ambienti ad alta velocità.
Che cos'è una telecamera TDI?
Una telecamera TDI è una telecamera a scansione lineare specializzata che cattura immagini di oggetti in movimento. A differenza delle telecamere a scansione di area standard che espongono un'intera inquadratura in una sola volta, le telecamere TDI trasferiscono la carica da una riga di pixel all'altra in sincronia con il movimento dell'oggetto. Ogni riga di pixel accumula luce man mano che il soggetto si muove, aumentando di fatto il tempo di esposizione e migliorando l'intensità del segnale senza introdurre sfocature da movimento.
Questa integrazione della carica aumenta drasticamente il rapporto segnale/rumore (SNR), rendendo le telecamere TDI ideali per applicazioni ad alta velocità o in condizioni di scarsa illuminazione.
Come funziona una telecamera TDI?
Il funzionamento di una telecamera TDI è illustrato nella figura.
NOTA:Le telecamere TDI spostano le cariche acquisite attraverso più "stadi" in sincronia con il soggetto in movimento. Ogni stadio offre un'ulteriore possibilità di essere esposto alla luce. L'immagine è illustrata da una "T" luminosa che si muove attraverso la telecamera, con un segmento a 5 colonne per 5 stadi di un sensore TDI. La Tucsen Dhyana 9KTDI presenta un movimento di carica ibrido in stile CCD ma una lettura parallela in stile CMOS.
Le telecamere TDI sono di fatto telecamere a scansione lineare, con un'importante differenza: invece di una singola riga di pixel che acquisisce dati durante la scansione del soggetto, le telecamere TDI dispongono di più righe, note come "stadi", fino a un massimo di 256.
Tuttavia, queste righe non formano un'immagine bidimensionale come in una telecamera a scansione di area. Al contrario, quando un soggetto da scansionare si muove sul sensore della telecamera, i fotoelettroni rilevati all'interno di ciascun pixel si spostano alla riga successiva in sincronia con il movimento del soggetto, senza essere ancora stati letti. Ogni riga aggiuntiva offre quindi un'ulteriore opportunità di esporre il soggetto alla luce. Solo quando una porzione di immagine raggiunge l'ultima riga di pixel del sensore, tale riga viene trasmessa all'architettura di lettura per la misurazione.
Pertanto, nonostante le molteplici misurazioni effettuate sui vari stadi della telecamera, viene introdotto un solo caso di rumore di lettura. Una telecamera TDI a 256 stadi mantiene il campione in vista per un tempo 256 volte maggiore e, di conseguenza, ha un tempo di esposizione 256 volte più lungo rispetto a una telecamera a scansione lineare equivalente. Un tempo di esposizione equivalente con una telecamera a scansione di area produrrebbe un'eccessiva sfocatura da movimento, rendendo l'immagine inutilizzabile.
Quando si può utilizzare il TDI?
Le telecamere TDI rappresentano una soluzione eccellente per qualsiasi applicazione di imaging in cui il soggetto è in movimento rispetto alla telecamera, a condizione che il movimento sia uniforme nell'intero campo visivo della telecamera.
Le applicazioni dell'imaging TDI comprendono, da un lato, tutte quelle della scansione lineare in cui vengono formate immagini bidimensionali, offrendo al contempo maggiore velocità, una sensibilità in condizioni di scarsa illuminazione notevolmente migliorata, una migliore qualità dell'immagine, o tutte e tre le caratteristiche contemporaneamente. Dall'altro lato, esistono numerose tecniche di imaging che utilizzano telecamere a scansione di area in cui è possibile impiegare telecamere TDI.
Per la TDI sCMOS ad alta sensibilità, l'imaging "a mosaico e unione" nella microscopia a fluorescenza biologica può essere eseguito utilizzando una scansione continua del campione al posto della suddivisione in mosaico. In alternativa, tutte le TDI possono essere adatte ad applicazioni di ispezione. Un'altra importante applicazione della TDI è la citometria a flusso per immagini, in cui le immagini di fluorescenza delle cellule vengono acquisite mentre passano davanti a una telecamera durante il loro flusso attraverso un canale microfluidico.
Vantaggi e svantaggi del sCMOS TDI
Vantaggi
● È in grado di acquisire immagini bidimensionali di dimensioni arbitrarie ad alta velocità durante la scansione di un soggetto.
● L'utilizzo di più stadi TDI, il basso rumore e l'elevata efficienza quantica (QE) possono portare a una sensibilità nettamente superiore rispetto alle telecamere a scansione lineare.
● È possibile raggiungere velocità di lettura molto elevate, ad esempio fino a 510.000 Hz (linee al secondo), per un'immagine larga 9.072 pixel.
● L'illuminazione deve essere solo unidimensionale e non richiede correzioni di flat-field o di altro tipo nella seconda dimensione (scansionata). Inoltre, tempi di esposizione più lunghi rispetto alla scansione lineare possono "smussare" lo sfarfallio dovuto alle sorgenti luminose CA.
● È possibile acquisire immagini in movimento senza sfocatura, con elevata velocità e sensibilità.
● La scansione di aree estese può essere drasticamente più veloce rispetto alle telecamere a scansione d'area.
● Con software avanzati o configurazioni di attivazione particolari, una modalità "simile alla scansione di area" può fornire una panoramica della scansione di area per la messa a fuoco e l'allineamento.
Svantaggi
● Il rumore è ancora più elevato rispetto alle fotocamere sCMOS convenzionali, il che significa che le applicazioni in condizioni di luce estremamente scarsa sono fuori portata.
● Richiede configurazioni specializzate con trigger avanzati per sincronizzare il movimento del soggetto dell'immagine con la scansione della telecamera, un controllo molto preciso della velocità di movimento o una previsione accurata della velocità per consentire la sincronizzazione.
● Trattandosi di una tecnologia nuova, al momento esistono poche soluzioni per l'implementazione hardware e software.
sCMOS TDI in grado di funzionare in condizioni di scarsa illuminazione
Sebbene la tecnica di imaging TDI sia precedente all'imaging digitale e abbia superato da tempo la scansione lineare in termini di prestazioni, solo negli ultimi anni le telecamere TDI hanno acquisito la sensibilità necessaria per raggiungere le applicazioni in condizioni di scarsa illuminazione che normalmente richiederebbero la sensibilità di una telecamera di livello scientifico.telecamere sCMOS.
La tecnologia 'sCMOS TDI' combina il movimento delle cariche attraverso il sensore in stile CCD con la lettura in stile sCMOS, con sensori retroilluminati disponibili. Le precedenti fotocamere TDI basate su CCD o esclusivamente su CMOS* avevano una lettura drasticamente più lenta, un numero inferiore di pixel, meno stadi e un rumore di lettura compreso tra 30e- e >100e-. Al contrario, le fotocamere sCMOS TDI come la TucsenTelecamera sCMOS Dhyana 9KTDIOffre un rumore di lettura di 7,2e-, combinato con una maggiore efficienza quantica grazie alla retroilluminazione, consentendo l'utilizzo di TDI in applicazioni con livelli di luce significativamente inferiori rispetto a quanto fosse possibile in precedenza.
In molte applicazioni, i tempi di esposizione più lunghi consentiti dal processo TDI possono compensare ampiamente l'aumento del rumore di lettura rispetto alle telecamere sCMOS a scansione di area di alta qualità con rumore di lettura prossimo a 1e-.
Applicazioni comuni delle telecamere TDI
Le telecamere TDI trovano impiego in numerosi settori in cui precisione e velocità sono ugualmente cruciali:
●Ispezione dei wafer di semiconduttori
●Display a schermo piatto(FPD)test
● Ispezione del sito web(carta, pellicola, fogli di alluminio, tessuti)
● Scansione a raggi X nella diagnostica medica o nel controllo dei bagagli
● Scansione di vetrini e piastre multi-pozzetto in patologia digitale
● Imaging iperspettrale nel telerilevamento o in agricoltura
● Ispezione di PCB e componenti elettronici nelle linee SMT
Queste applicazioni traggono vantaggio dal contrasto, dalla velocità e dalla nitidezza migliorati offerti dall'imaging TDI in condizioni reali.
Esempio: scansione di vetrini e piastre multipozzetto
Come accennato, una delle applicazioni più promettenti per le telecamere sCMOS TDI è quella di unione di immagini, ad esempio per la scansione di vetrini o piastre multi-pozzetto. La scansione di grandi campioni per microscopia a fluorescenza o in campo chiaro con telecamere bidimensionali si basa sull'unione di una griglia di immagini formate da molteplici movimenti del tavolino portaoggetti di un microscopio XY. Ogni immagine richiede che il tavolino si fermi, si stabilizzi e poi riparta, oltre all'eventuale ritardo dell'otturatore a rullo. La tecnologia TDI, invece, può acquisire immagini mentre il tavolino è in movimento. L'immagine viene quindi formata da un piccolo numero di lunghe "strisce", ciascuna delle quali copre l'intera larghezza del campione. Ciò può potenzialmente portare a velocità di acquisizione e throughput dei dati drasticamente superiori in tutte le applicazioni di unione di immagini, a seconda delle condizioni di imaging.
La velocità di movimento del campione è inversamente proporzionale al tempo di esposizione totale della telecamera TDI, quindi tempi di esposizione brevi (1-20 ms) offrono il maggior miglioramento nella velocità di acquisizione delle immagini rispetto alle telecamere a scansione di area, il che può portare a una riduzione del tempo di acquisizione totale di un ordine di grandezza o superiore. Per tempi di esposizione più lunghi (ad esempio > 100 ms), la scansione di area può solitamente mantenere un vantaggio in termini di tempo.
La figura mostra un esempio di immagine di microscopia a fluorescenza di grandi dimensioni (2 Gigapixel) ottenuta in soli dieci secondi. Un'immagine equivalente, acquisita con una telecamera a scansione di area, potrebbe richiedere diversi minuti.
NOTA:Immagine a ingrandimento 10x acquisita con il Tucsen Dhyana 9kTDI di punti di evidenziatore osservati al microscopio a fluorescenza. Acquisizione in 10 secondi con un tempo di esposizione di 3,6 ms. Dimensioni dell'immagine: 30 mm x 17 mm, 58.000 x 34.160 pixel.
Sincronizzazione TDI
La sincronizzazione di una telecamera TDI con il soggetto ripreso (entro pochi punti percentuali) è essenziale: una mancata corrispondenza della velocità porterà a un effetto di sfocatura da movimento. Questa sincronizzazione può essere effettuata in due modi:
Predittivo:La velocità della telecamera viene impostata in modo da corrispondere alla velocità del movimento in base alla conoscenza della velocità del movimento di esempio, all'ottica (ingrandimento) e alla dimensione dei pixel della telecamera. Oppure per tentativi ed errori.
Innescato:Molti tavolini, portali e altre apparecchiature per il movimento dei soggetti di imaging nei microscopi possono includere encoder che inviano un impulso di trigger alla telecamera per una determinata distanza di movimento. Ciò consente al tavolino/portale e alla telecamera di rimanere sincronizzati indipendentemente dalla velocità di movimento.
Telecamere TDI vs. telecamere a scansione lineare e a scansione di area
Ecco un confronto tra TDI e altre tecnologie di imaging diffuse:
| Caratteristica | Telecamera TDI | Telecamera a scansione lineare | Telecamera a scansione di area |
| Sensibilità | Molto alto | Mezzo | Da basso a medio |
| Qualità dell'immagine (movimento) | Eccellente | Bene | Immagini sfocate ad alta velocità |
| Requisiti di illuminazione | Basso | Mezzo | Alto |
| Compatibilità di movimento | Eccellente (se sincronizzato) | Bene | Povero |
| Ideale per | Alta velocità, scarsa illuminazione | Oggetti in rapido movimento | Scene statiche o lente |
La modalità TDI è la scelta ideale quando la scena è in rapido movimento e la luminosità è limitata. La modalità a scansione lineare offre una sensibilità inferiore, mentre la modalità a scansione di area è più adatta a configurazioni semplici o statiche.
Scegliere la telecamera TDI giusta
Quando si sceglie una telecamera TDI, è opportuno considerare quanto segue:
●Numero di stadi TDI:Un maggior numero di stadi aumenta il rapporto segnale/rumore (SNR), ma anche i costi e la complessità.
●Tipo di sensore:La tecnologia sCMOS è preferibile per la sua velocità e il basso rumore; la tecnologia CCD può comunque essere adatta per alcuni sistemi meno recenti.
●Interfaccia:Assicurati la compatibilità con il tuo sistema: Camera Link, CoaXPress e 10GigE sono opzioni comuni, mentre 100G CoF e 40G CoF si sono affermati come nuove tendenze.
●Risposta spettrale:Scegli tra monocromatico, a colori o nel vicino infrarosso (NIR) in base alle esigenze dell'applicazione.
●Opzioni di sincronizzazione:Cerca funzionalità come ingressi encoder o supporto per trigger esterni per un migliore allineamento del movimento.
Se la tua applicazione prevede l'utilizzo di campioni biologici delicati, ispezioni ad alta velocità o ambienti con scarsa illuminazione, la tecnologia sCMOS TDI è probabilmente la soluzione ideale.
Conclusione
Le telecamere TDI rappresentano una significativa evoluzione nella tecnologia di imaging, soprattutto se basate su sensori sCMOS. Combinando la sincronizzazione del movimento con l'integrazione multilinea, offrono una sensibilità e una nitidezza senza pari per scene dinamiche in condizioni di scarsa illuminazione.
Che si tratti di ispezionare wafer, scansionare vetrini o eseguire ispezioni ad alta velocità, comprendere il funzionamento del TDI può aiutarti a scegliere la soluzione migliore tratelecamere scientificheper le vostre esigenze di imaging.
FAQ
Le telecamere TDI possono funzionare in modalità di scansione dell'area?
Le telecamere TDI possono creare immagini bidimensionali (molto sottili) in una modalità "simile alla scansione di area", ottenuta tramite un trucco di temporizzazione del sensore. Questo può essere utile per attività come la messa a fuoco e l'allineamento.
Per iniziare un'esposizione a scansione di area, il sensore viene prima "azzerato" facendo avanzare il TDI di almeno tanti passi quanti sono gli stadi della fotocamera, il più velocemente possibile, e poi fermandosi. Questo viene realizzato tramite controllo software o attivazione hardware e idealmente dovrebbe essere eseguito al buio. Ad esempio, una fotocamera a 256 stadi dovrebbe leggere almeno 256 linee, quindi fermarsi. Queste 256 linee di dati vengono scartate.
Quando la telecamera non viene attivata e non vengono lette linee, il sensore si comporta esattamente come un sensore a scansione di area, esponendo un'immagine.
Il tempo di esposizione desiderato deve quindi trascorrere con la fotocamera inattiva, prima di avanzare nuovamente di almeno il numero di scatti necessari, leggendo ogni riga dell'immagine appena acquisita. Anche in questo caso, idealmente, questa fase di lettura dovrebbe avvenire al buio.
Questa tecnica può essere ripetuta per fornire un'anteprima in tempo reale o una sequenza di immagini di scansione dell'area con distorsione e sfocatura minime derivanti dall'operazione TDI.
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