25/08/08Nell'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 Time Delay Integration (TDI). La tecnologia TDI combina la sincronizzazione del movimento e le esposizioni multiple per offrire sensibilità e nitidezza delle immagini eccezionali, soprattutto in ambienti ad alta velocità.
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 area standard che espongono un intero fotogramma in una sola volta, le telecamere TDI spostano la carica da una riga di pixel alla successiva in sincronia con il movimento dell'oggetto. Ogni riga di pixel accumula luce man mano che il soggetto si muove, aumentando efficacemente il tempo di esposizione e migliorando la potenza del segnale senza introdurre sfocature dovute al movimento.
Questa integrazione di carica aumenta notevolmente 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 1.
Figura 1: Funzionamento dei sensori Time Delay Integration (TDI)
NOTA: Le telecamere TDI spostano le cariche acquisite su più "stadi" in sincronia con un soggetto in movimento. Ogni stadio offre un'ulteriore possibilità di esposizione alla luce. Illustrato tramite una "T" luminosa che si muove attraverso una telecamera, con un segmento di 5 colonne per 5 stadi di un sensore TDI. Tucsen Dhyana 9KTDI con movimento di carica ibrido in stile CCD ma lettura parallela in stile CMOS.
Le telecamere TDI sono di fatto telecamere a scansione lineare, con una differenza importante: invece di una riga di pixel che acquisisce dati mentre le telecamere vengono scansionate su un soggetto da riprendere, le telecamere TDI hanno più righe, note come "stadi", fino a un massimo di 256.
Tuttavia, queste righe non formano un'immagine bidimensionale come una fotocamera a scansione d'area. Invece, mentre un soggetto scansionato si muove attraverso il sensore della fotocamera, i fotoelettroni rilevati all'interno di ciascun pixel si spostano sulla riga successiva in sincronia con il movimento del soggetto, senza ancora essere letti. Ogni riga aggiuntiva offre quindi un'ulteriore opportunità di esporre il soggetto alla luce. Solo quando una sezione dell'immagine raggiunge l'ultima riga di pixel del sensore, quella riga viene passata 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 256 volte più a lungo 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 area produrrebbe un'estrema sfocatura da movimento, rendendo l'immagine inutilizzabile.
Quando può essere utilizzato il TDI?
Le telecamere TDI rappresentano un'eccellente soluzione per qualsiasi applicazione di imaging in cui il soggetto da riprendere è in movimento rispetto alla telecamera, a condizione che il movimento sia uniforme su tutta la visuale della telecamera.
Le applicazioni dell'imaging TDI includono quindi, da un lato, tutte le tecniche di scansione lineare in cui vengono formate immagini bidimensionali, offrendo al contempo velocità maggiori, una sensibilità notevolmente migliorata in condizioni di scarsa illuminazione, una migliore qualità dell'immagine o tutte e tre le caratteristiche contemporaneamente. Dall'altro, esistono numerose tecniche di imaging che utilizzano telecamere a scansione area in cui è possibile utilizzare telecamere TDI.
Per la tecnologia sCMOS TDI ad alta sensibilità, l'imaging "tile and stitch" nella microscopia a fluorescenza biologica può essere eseguito utilizzando una scansione continua del tavolino al posto del tiling. In alternativa, la TDI può essere adatta 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 mentre fluiscono attraverso un canale microfluidico.
Pro e contro di sCMOS TDI
Professionisti
● Può catturare immagini bidimensionali di dimensioni arbitrarie ad alta velocità durante la scansione di un soggetto ripreso.
● Più stadi TDI, basso rumore e QE elevato possono portare a una sensibilità notevolmente più elevata 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 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 a corrente alternata.
● Le immagini in movimento possono essere acquisite senza sfocature da movimento e con elevata velocità e sensibilità.
●La scansione di aree estese può essere notevolmente più rapida rispetto alle telecamere per la scansione di aree.
● Con software avanzati o configurazioni di attivazione, una modalità "simile a scansione dell'area" può fornire una panoramica della scansione dell'area per la messa a fuoco e l'allineamento.
Contro
● Rumore ancora più elevato rispetto alle telecamere sCMOS convenzionali, il che significa che le applicazioni in condizioni di luce estremamente bassa sono fuori dalla portata.
● Richiede configurazioni specialistiche con trigger avanzato per sincronizzare il movimento del soggetto ripreso con la scansione della telecamera, un controllo molto preciso sulla velocità del movimento o una previsione accurata della velocità per consentire la sincronizzazione.
● Trattandosi di una nuova tecnologia, attualmente esistono poche soluzioni per l'implementazione hardware e software.
sCMOS TDI compatibile con scarsa illuminazione
Sebbene la TDI come tecnica di imaging sia precedente all'imaging digitale e abbia da tempo superato 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 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 telecamere TDI basate su CCD o puramente CMOS* avevano una lettura drasticamente più lenta, un numero di pixel inferiore, meno stadi e un rumore di lettura compreso tra 30 e >100 Ω. Al contrario, le telecamere sCMOS TDI come la TucsenFotocamera Dhyana 9KTDI sCMOSoffre un rumore di lettura di 7,2e-, combinato con una maggiore efficienza quantistica tramite retroilluminazione, consentendo l'uso di TDI in applicazioni con livelli di luce significativamente più bassi rispetto a quanto possibile in precedenza.
In molte applicazioni, i tempi di esposizione più lunghi consentiti dal processo TDI possono più che compensare l'aumento del rumore di lettura rispetto alle telecamere a scansione area sCMOS di alta qualità con rumore di lettura prossimo a 1e-.
Applicazioni comuni delle telecamere TDI
Le telecamere TDI sono presenti in molti settori in cui precisione e velocità sono altrettanto importanti:
● Ispezione di wafer semiconduttori
● Test del display a schermo piatto (FPD)
● Ispezione web (carta, pellicola, lamina, tessuti)
● Scansione a raggi X nella diagnostica medica o nel controllo dei bagagli
● Scansione di vetrini e piastre multi-pozzetto nella patologia digitale
● Immagini iperspettrali nel telerilevamento o nell'agricoltura
● Ispezione PCB ed elettronica nelle linee SMT
Queste applicazioni traggono vantaggio dal contrasto, dalla velocità e dalla chiarezza migliorati che l'imaging TDI offre in condizioni reali.
Esempio: scansione di vetrini e piastre multipozzetto
Come accennato, un'applicazione particolarmente promettente per le telecamere sCMOS TDI è lo stitching, che include la scansione di vetrini o piastre multi-pozzetto. La scansione di grandi campioni di microscopia a fluorescenza o in campo chiaro con telecamere bidimensionali si basa sullo stitching di una griglia di immagini formata da molteplici movimenti di un tavolino portaoggetti XY. Ogni immagine richiede che il tavolino si arresti, si stabilizzi e poi si riavvii, insieme a qualsiasi ritardo dell'otturatore rotante. Le telecamere TDI, invece, possono 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. Questo può potenzialmente portare a velocità di acquisizione e a una produttività dei dati notevolmente più elevate in tutte le applicazioni di stitching, a seconda delle condizioni di imaging.
La velocità di movimento del tavolino è inversamente proporzionale al tempo di esposizione totale della telecamera TDI, quindi tempi di esposizione brevi (1-20 ms) offrono il maggiore miglioramento nella velocità di imaging rispetto alle telecamere a scansione area, il che può quindi portare a una riduzione di un ordine di grandezza o superiore del tempo di acquisizione totale. Per tempi di esposizione più lunghi (ad esempio > 100 ms), la scansione area può solitamente mantenere un vantaggio temporale.
Un esempio di un'immagine di microscopia a fluorescenza molto grande (2 Gigapixel) formata in soli dieci secondi è mostrato nella Figura 2. Un'immagine equivalente formata con una telecamera a scansione d'area potrebbe richiedere fino a diversi minuti.
Figura 2: Immagine da 2 Gigapixel formata in 10 secondi tramite scansione e cucitura TDI
NOTA: Immagine con ingrandimento 10x acquisita con il Tucsen Dhyana 9kTDI di punti di evidenziatore visualizzati al microscopio a fluorescenza. Acquisita 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 (con una precisione di pochi punti percentuali) è essenziale: una discrepanza di velocità può causare un effetto "motion blur". Questa sincronizzazione può essere effettuata in due modi:
Predittivo: La velocità della telecamera viene impostata in modo da corrispondere alla velocità di movimento in base alla conoscenza della velocità di movimento del campione, dell'ottica (ingrandimento) e delle dimensioni dei pixel della telecamera. Oppure si procede per tentativi ed errori.
Innescato: Molti tavoli microscopici, portali e altre apparecchiature per lo spostamento dei soggetti da riprendere possono includere encoder che inviano un impulso di trigger alla telecamera per una determinata distanza di movimento. Ciò consente al tavolo/portale e alla telecamera di rimanere sincronizzati indipendentemente dalla velocità di movimento.
Telecamere TDI vs. Telecamere a scansione lineare e a scansione d'area
Ecco come TDI si confronta con altre tecnologie di imaging diffuse:
| Caratteristica | Fotocamera TDI | Telecamera a scansione lineare | Fotocamera per scansione dell'area |
| Sensibilità | Molto alto | Medio | Da basso a medio |
| Qualità dell'immagine (movimento) | Eccellente | Bene | Sfocato ad alta velocità |
| Requisiti di illuminazione | Basso | Medio | Alto |
| Compatibilità di movimento | Eccellente (se sincronizzato) | Bene | Povero |
| Ideale per | Alta velocità, scarsa illuminazione | oggetti in rapido movimento | Scene statiche o lente |
La scansione lineare (TDI) è la scelta ideale quando la scena si muove rapidamente e i livelli di luce sono limitati. La scansione lineare (Line Scan) è un gradino più bassa in termini di sensibilità, mentre la scansione area (Area Scan) è più indicata per configurazioni semplici o fisse.
Scegliere la telecamera TDI giusta
Quando si sceglie una telecamera TDI, tenere presente quanto segue:
● Numero di stadi TDI: più stadi aumentano l'SNR, ma anche i costi e la complessità.
● Tipo di sensore: si preferisce sCMOS per la sua velocità e il basso rumore; il CCD potrebbe comunque essere adatto per alcuni sistemi legacy.
● Interfaccia: assicurati la compatibilità con il tuo sistema: Camera Link, CoaXPress e 10GigE sono opzioni comuni, mentre 100G CoF e 40G CoF sono emersi come nuove tendenze.
● Risposta spettrale: scegli tra monocromatico, a colori o vicino infrarosso (NIR) in base alle esigenze dell'applicazione.
● Opzioni di sincronizzazione: cerca funzionalità come ingressi encoder o supporto trigger esterno per un migliore allineamento del movimento.
Se la tua applicazione prevede campioni biologici delicati, ispezioni ad alta velocità o ambienti con scarsa illuminazione, la tecnologia sCMOS TDI è probabilmente la soluzione giusta.
Conclusione
Le telecamere TDI rappresentano una potente evoluzione nella tecnologia di imaging, soprattutto se basate su sensori sCMOS. Combinando la sincronizzazione del movimento con l'integrazione multilinea, offrono sensibilità e nitidezza senza pari per scene dinamiche in condizioni di scarsa illuminazione.
Che tu stia ispezionando wafer, scansionando diapositive o eseguendo ispezioni ad alta velocità, capire come funziona TDI può aiutarti a scegliere la soluzione migliore trafotocamere scientificheper le tue sfide di imaging.
Domande frequenti
Le telecamere TDI possono funzionare in modalità di scansione dell'area?
Le telecamere TDI possono creare immagini bidimensionali (molto sottili) in una modalità "area-scan", ottenuta tramite un trucco nella temporizzazione dei sensori. Questo può essere utile per attività come la messa a fuoco e l'allineamento.
Per iniziare un'esposizione "area-scan", il sensore viene prima "pulito" facendo avanzare il TDI di almeno tanti passi quanti sono gli stadi della telecamera, il più velocemente possibile, quindi arrestandolo. Questa operazione viene eseguita tramite controllo software o trigger hardware e idealmente viene eseguita al buio. Ad esempio, una telecamera a 256 stadi dovrebbe leggere almeno 256 linee, quindi arrestarsi. Queste 256 linee di dati vengono scartate.
Finché la telecamera non viene attivata o non vengono lette linee, il sensore si comporta esattamente come un sensore di scansione dell'area che espone un'immagine.
Il tempo di esposizione desiderato dovrebbe quindi trascorrere con la fotocamera ferma, prima di farla avanzare di almeno il numero di scatti necessario, leggendo ogni riga dell'immagine appena acquisita. Ancora una volta, 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 dovute all'operazione TDI.
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