30-09-2025In industriële en wetenschappelijke beeldvorming is het vastleggen van snel bewegende objecten bij weinig licht een constante uitdaging. Dat is waar Time Delay Integration (TDI)-camera's van pas komen. TDI-technologie combineert bewegingssynchronisatie en meerdere belichtingen om uitzonderlijke gevoeligheid en beeldhelderheid te leveren, met name in omgevingen met hoge snelheden.
Wat is een TDI-camera?
Een TDI-camera is een gespecialiseerde lijnscancamera die beelden vastlegt van bewegende objecten. In tegenstelling tot standaard vlakscancamera's die een volledig beeld in één keer belichten, verschuiven TDI-camera's lading van de ene rij pixels naar de volgende synchroon met de beweging van het object. Elke pixelrij accumuleert licht naarmate het onderwerp beweegt, waardoor de belichtingstijd effectief wordt verlengd en de signaalsterkte wordt verbeterd zonder bewegingsonscherpte te veroorzaken.
Deze geïntegreerde laadstroom verbetert de signaal-ruisverhouding (SNR) aanzienlijk, waardoor TDI-camera's ideaal zijn voor toepassingen met hoge snelheid of bij weinig licht.
Hoe werkt een TDI-camera?
De werking van een TDI-camera wordt in de afbeelding geïllustreerd.
OPMERKING:TDI-camera's verplaatsen verworven ladingen over meerdere 'fasen' synchroon met een bewegend beeldobject. Elke fase biedt een extra kans om aan licht te worden blootgesteld. Dit wordt geïllustreerd door een heldere 'T' die over een camera beweegt, met een segment van 5 kolommen bij 5 fasen van een TDI-sensor. Tucsen Dhyana 9KTDI met hybride CCD-achtige ladingsverplaatsing maar CMOS-achtige parallelle uitlezing.
TDI-camera's zijn in feite lijnscancamera's, met één belangrijk verschil: in plaats van één rij pixels die gegevens verzamelt terwijl de camera over een onderwerp beweegt, hebben TDI-camera's meerdere rijen, ook wel 'stages' genoemd, tot wel 256.
Deze rijen vormen echter geen tweedimensionaal beeld zoals bij een area-scan camera. In plaats daarvan bewegen de gedetecteerde foto-elektronen in elke pixel, terwijl een gescand object over de camerasensor beweegt, synchroon met de beweging van het object naar de volgende rij, zonder dat ze nog worden uitgelezen. Elke volgende rij biedt een extra mogelijkheid om het object aan licht bloot te stellen. Pas wanneer een beeldsegment de laatste rij pixels van de sensor bereikt, wordt die rij doorgegeven aan de uitleesarchitectuur voor meting.
Ondanks dat er meerdere metingen plaatsvinden in de verschillende camerastappen, wordt er dus slechts één keer ruis van de camera-uitlezing geïntroduceerd. Een TDI-camera met 256 stappen houdt het monster 256 keer langer in beeld en heeft daardoor een 256 keer langere belichtingstijd dan een vergelijkbare lijnsensorcamera. Een vergelijkbare belichtingstijd met een vlaksensorcamera zou extreme bewegingsonscherpte opleveren, waardoor de afbeelding onbruikbaar wordt.
Wanneer kan TDI worden gebruikt?
TDI-camera's zijn een uitstekende oplossing voor elke beeldvormingstoepassing waarbij het onderwerp ten opzichte van de camera beweegt, mits die beweging uniform is over het gehele beeldveld van de camera.
De toepassingen van TDI-beeldvorming omvatten enerzijds alle lijnscantechnieken waarbij tweedimensionale beelden worden gevormd, met als resultaat hogere snelheden, een veel betere gevoeligheid bij weinig licht, een betere beeldkwaliteit, of een combinatie van deze drie. Anderzijds zijn er veel beeldvormingstechnieken die gebruikmaken van vlakscancamera's, waar TDI-camera's ook ingezet kunnen worden.
Bij zeer gevoelige sCMOS TDI kan 'tile and stitch'-beeldvorming in biologische fluorescentiemicroscopie worden uitgevoerd door de preparatietafel continu te scannen in plaats van de preparatie in secties te verdelen. TDI is bovendien zeer geschikt voor inspectietoepassingen. Een andere belangrijke toepassing van TDI is beeldvormende flowcytometrie, waarbij fluorescentiebeelden van cellen worden vastgelegd terwijl ze langs een camera stromen door een microfluïdisch kanaal.
Voordelen en nadelen van sCMOS TDI
Voordelen
● Kan tweedimensionale beelden van willekeurige grootte met hoge snelheid vastleggen tijdens het scannen van een onderwerp.
● Meerdere TDI-trappen, lage ruis en een hoge QE kunnen leiden tot een aanzienlijk hogere gevoeligheid dan lijnscancamera's.
● Er kunnen zeer hoge uitleessnelheden worden bereikt, bijvoorbeeld tot 510.000 Hz (lijnen per seconde), voor een afbeelding van 9.072 pixels breed.
● De belichting hoeft slechts 1-dimensionaal te zijn en vereist geen flat-field-correctie of andere correcties in de tweede (gescande) dimensie. Bovendien kunnen langere belichtingstijden in vergelijking met lijnscans flikkeringen als gevolg van wisselstroomlichtbronnen 'gladstrijken'.
● Bewegende beelden kunnen zonder bewegingsonscherpte en met hoge snelheid en gevoeligheid worden vastgelegd.
● Het scannen van grote gebieden kan aanzienlijk sneller zijn dan met gebiedsscancamera's.
● Met geavanceerde software of triggerinstellingen kan een modus die lijkt op een gebiedsscan een overzicht van het gebied bieden voor scherpstelling en uitlijning.
Nadelen
● Nog steeds meer ruis dan conventionele sCMOS-camera's, waardoor toepassingen bij extreem weinig licht niet mogelijk zijn.
● Vereist specialistische opstellingen met geavanceerde triggering om de beweging van het te fotograferen onderwerp te synchroniseren met de scan van de camera, zeer fijne controle over de bewegingssnelheid of nauwkeurige voorspelling van de snelheid om synchronisatie mogelijk te maken.
● Omdat het een nieuwe technologie is, bestaan er momenteel nog maar weinig oplossingen voor de hardware- en software-implementatie.
sCMOS TDI met goede prestaties bij weinig licht
Hoewel TDI als beeldvormingstechniek ouder is dan digitale beeldvorming en lijnscantechnologie al lang geleden in prestaties heeft overtroffen, hebben TDI-camera's pas de laatste jaren de gevoeligheid bereikt die nodig is voor toepassingen bij weinig licht, waarvoor normaal gesproken de gevoeligheid van wetenschappelijke camera's vereist zou zijn.sCMOS-camera's.
'sCMOS TDI' combineert de CCD-achtige beweging van ladingen over de sensor met een sCMOS-achtige uitlezing, waarbij sensoren met achtergrondverlichting beschikbaar zijn. Eerdere CCD-gebaseerde of puur CMOS-gebaseerde* TDI-camera's hadden een aanzienlijk tragere uitlezing, een kleiner aantal pixels, minder stappen en een uitleesruis tussen 30e- en >100e-. In tegenstelling hiermee biedt sCMOS TDI, zoals de Tucsen, een veel betere uitlezing.Dhyana 9KTDI sCMOS-cameraDit biedt een uitleesruis van 7,2e-, gecombineerd met een hogere kwantumrendement door achtergrondverlichting, waardoor TDI kan worden gebruikt bij aanzienlijk lagere lichtniveaus dan voorheen mogelijk was.
In veel toepassingen kunnen de langere belichtingstijden die mogelijk zijn dankzij het TDI-proces de toename van de uitleesruis ruimschoots compenseren in vergelijking met hoogwaardige sCMOS-vlakscancamera's met een uitleesruis van bijna 1e-.
Veelvoorkomende toepassingen van TDI-camera's
TDI-camera's worden in veel industrieën gebruikt waar precisie en snelheid even belangrijk zijn:
●inspectie van halfgeleiderwafels
●Plat beeldscherm(FPD)testen
● Webinspectie(papier, film, folie, textiel)
● Röntgenonderzoek bij medische diagnostiek of bagagecontrole
● Scannen van objectglaasjes en meerputjesplaten in de digitale pathologie
● Hyperspectrale beeldvorming in teledetectie of landbouw
● Inspectie van printplaten en elektronica in SMT-lijnen
Deze toepassingen profiteren van het verbeterde contrast, de snelheid en de helderheid die TDI-beeldvorming biedt onder realistische omstandigheden.
Voorbeeld: Scannen van objectglaasjes en meerputjesplaten
Zoals gezegd, is één veelbelovende toepassing voor sCMOS TDI-camera's het samenvoegen van beelden, waaronder het scannen van objectglaasjes of multi-well platen. Het scannen van grote fluorescentie- of helderveldmicroscopiemonsters met 2D-vlakcamera's is gebaseerd op het samenvoegen van een raster van beelden die gevormd worden door meerdere bewegingen van een XY-microscooptafel. Voor elk beeld moet de tafel stoppen, stabiliseren en vervolgens weer starten, inclusief eventuele vertraging van de rolling shutter. TDI daarentegen kan beelden vastleggen terwijl de tafel in beweging is. Het beeld wordt vervolgens gevormd uit een klein aantal lange 'stroken', die elk de volledige breedte van het monster bedekken. Dit kan, afhankelijk van de beeldvormingsomstandigheden, potentieel leiden tot aanzienlijk hogere acquisitiesnelheden en dataverwerkingssnelheden in alle toepassingen voor het samenvoegen van beelden.
De snelheid waarmee het platform kan bewegen is omgekeerd evenredig met de totale belichtingstijd van de TDI-camera. Korte belichtingstijden (1-20 ms) bieden daarom de grootste verbetering in beeldsnelheid ten opzichte van area scan-camera's, wat vervolgens kan leiden tot een tienvoudige of zelfs grotere verkorting van de totale opnametijd. Bij langere belichtingstijden (bijvoorbeeld > 100 ms) behoudt een area scan-camera doorgaans nog steeds een tijdsvoordeel.
Een voorbeeld van een zeer grote (2 gigapixel) fluorescentiemicroscopieafbeelding die in slechts tien seconden is gevormd, is in de afbeelding te zien. Het maken van een vergelijkbare afbeelding met een area-scan camera zou naar verwachting enkele minuten in beslag nemen.
OPMERKING:Afbeelding met 10x vergroting, verkregen met de Tucsen Dhyana 9kTDI, van stippen van een markeerstift, bekeken onder een fluorescentiemicroscoop. Opname gemaakt in 10 seconden met een belichtingstijd van 3,6 ms. Afmetingen van de afbeelding: 30 mm x 17 mm, 58.000 x 34.160 pixels.
Synchroniseren van TDI
De synchronisatie van een TDI-camera met het te fotograferen onderwerp (tot op enkele procenten nauwkeurig) is essentieel – een snelheidsverschil leidt tot een bewegingsonscherpte. Deze synchronisatie kan op twee manieren worden uitgevoerd:
Voorspellend:De sluitertijd van de camera wordt aangepast aan de bewegingssnelheid op basis van kennis van de bewegingssnelheid van het voorbeeld, de optiek (vergroting) en de pixelgrootte van de camera. Of door middel van vallen en opstaan.
Geactiveerd:Veel microscooptafels, portaalconstructies en andere apparatuur voor het verplaatsen van beeldvormende objecten kunnen encoders bevatten die een triggerpuls naar de camera sturen voor een bepaalde bewegingsafstand. Hierdoor blijven de tafel/portaalconstructie en de camera synchroon, ongeacht de bewegingssnelheid.
TDI-camera's versus lijnscan- en vlakscancamera's
Hieronder een vergelijking van TDI met andere populaire beeldvormingstechnologieën:
| Functie | TDI-camera | Lijnscancamera | Gebiedsscancamera |
| Gevoeligheid | Zeer hoog | Medium | Laag tot gemiddeld |
| Beeldkwaliteit (beweging) | Uitstekend | Goed | Vervaging bij hoge snelheden |
| Verlichtingsvereisten | Laag | Medium | Hoog |
| Bewegingscompatibiliteit | Uitstekend (indien gesynchroniseerd) | Goed | Arm |
| Het beste voor | Hoge snelheid, weinig licht | Snel bewegende objecten | Statische of langzame scènes |
TDI is de beste keuze wanneer de scène snel beweegt en er weinig licht is. Line scan is een stapje minder gevoelig, terwijl area scan beter geschikt is voor eenvoudige of statische opstellingen.
De juiste TDI-camera kiezen
Houd bij de keuze van een TDI-camera rekening met het volgende:
●Aantal TDI-trappen:Meer trappen verhogen de signaal-ruisverhouding (SNR), maar ook de kosten en de complexiteit.
●Sensortype:sCMOS heeft de voorkeur vanwege de snelheid en lage ruis; CCD kan nog steeds geschikt zijn voor sommige oudere systemen.
●Interface:Zorg voor compatibiliteit met uw systeem. Camera Link, CoaXPress en 10GigE zijn veelvoorkomende opties, terwijl 100G CoF en 40G CoF nieuwe trends zijn geworden.
●Spectrale respons:Kies tussen monochroom, kleur of nabij-infrarood (NIR), afhankelijk van de toepassingsvereisten.
●Synchronisatieopties:Zoek naar functies zoals encoder-ingangen of ondersteuning voor externe triggers voor een betere bewegingsuitlijning.
Als uw toepassing delicate biologische monsters, snelle inspectie of omgevingen met weinig licht betreft, is sCMOS TDI waarschijnlijk de juiste keuze.
Conclusie
TDI-camera's vertegenwoordigen een krachtige evolutie in beeldtechnologie, vooral wanneer ze zijn gebouwd met sCMOS-sensoren. Door bewegingssynchronisatie te combineren met multi-line integratie bieden ze ongeëvenaarde gevoeligheid en helderheid voor dynamische scènes bij weinig licht.
Of u nu wafers inspecteert, slides scant of hogesnelheidsinspecties uitvoert, inzicht in de werking van TDI kan u helpen de beste oplossing te kiezen.wetenschappelijke camera'svoor uw beeldvormingsuitdagingen.
Veelgestelde vragen
Kunnen TDI-camera's in de gebiedsscanmodus werken?
TDI-camera's kunnen (zeer dunne) tweedimensionale beelden maken in een modus die lijkt op een gebiedsscan, dankzij een slimme truc met de sensortiming. Dit kan handig zijn voor taken zoals scherpstellen en uitlijnen.
Om een 'area-scan'-opname te starten, wordt de sensor eerst 'gewist' door de TDI zo snel mogelijk minstens evenveel stappen te laten doorlopen als het aantal cameratrappen, en vervolgens te stoppen. Dit gebeurt via softwarebesturing of hardwarematige triggering en wordt idealiter in het donker uitgevoerd. Een camera met 256 trappen moet bijvoorbeeld minstens 256 regels lezen en dan stoppen. Deze 256 regels data worden weggegooid.
Zolang de camera niet geactiveerd wordt of er geen lijnen worden uitgelezen, gedraagt de sensor zich als een vlakscansensor die een beeld vastlegt.
De gewenste belichtingstijd moet vervolgens verstrijken terwijl de camera inactief is, waarna de camera opnieuw minstens het aangegeven aantal stappen moet worden doorgeschoven om elke regel van de zojuist opgenomen afbeelding uit te lezen. Idealiter vindt deze 'uitleesfase' in het donker plaats.
Deze techniek kan worden herhaald om een 'live preview' of een reeks gebiedsscans te verkrijgen met minimale vervorming en onscherpte als gevolg van de TDI-bewerking.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rechten voorbehouden. Vermeld bij citatie de bron:www.tucsen.com
