25/08/08In industriële en wetenschappelijke beeldvorming vormt het vastleggen van snel bewegende objecten bij weinig licht een constante uitdaging. Daar komen Time Delay Integration (TDI)-camera's om de hoek kijken. TDI-technologie combineert bewegingssynchronisatie en meervoudige belichting voor uitzonderlijke gevoeligheid en beeldhelderheid, vooral in omgevingen met hoge snelheid.
Wat is een TDI-camera?
Een TDI-camera is een gespecialiseerde lijnscancamera die beelden van bewegende objecten vastlegt. In tegenstelling tot standaard area scancamera's die een heel frame in één keer belichten, verplaatsen TDI-camera's de lading van de ene rij pixels naar de volgende, synchroon met de beweging van het object. Elke pixelrij verzamelt licht terwijl het onderwerp beweegt, wat de belichtingstijd effectief verlengt en de signaalsterkte verbetert zonder bewegingsonscherpte te veroorzaken.
Deze ladingsintegratie verbetert de signaal-ruisverhouding (SNR) aanzienlijk, waardoor TDI-camera's ideaal zijn voor toepassingen met hoge snelheid of weinig licht.
Hoe werkt een TDI-camera?
De werking van een TDI-camera wordt geïllustreerd in Figuur 1.
Figuur 1: Werking van Time Delay Integration (TDI)-sensoren
OPMERKING: TDI-camera's verplaatsen opgenomen ladingen over meerdere 'trappen', synchroon met een bewegend onderwerp. Elke trap biedt een extra kans om aan licht blootgesteld te worden. Geïllustreerd met een heldere 'T' die over een camera beweegt, met een segment van 5 kolommen bij 5 trappen van een TDI-sensor. Tucsen Dhyana 9KTDI met hybride CCD-achtige ladingsbeweging, 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 verzamelen terwijl de camera's over een beeldonderwerp scannen, hebben TDI-camera's meerdere rijen, ook wel 'stages' genoemd, die doorgaans oplopen tot 256.
Deze rijen vormen echter geen tweedimensionaal beeld zoals een area-scancamera. In plaats daarvan schuiven 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 al zijn uitgelezen. Elke extra rij biedt vervolgens een extra mogelijkheid om het object aan licht bloot te stellen. Pas zodra een beeldfragment de laatste rij pixels van de sensor bereikt, wordt die rij doorgegeven aan de uitleesarchitectuur voor meting.
Ondanks meerdere metingen op de verschillende camerastages, wordt er slechts één keer camera-leesruis geïntroduceerd. Een TDI-camera met 256 stages houdt het monster 256 keer langer in beeld en heeft daardoor een 256 keer langere belichtingstijd dan de equivalente lijnscancamera. Een equivalente belichtingstijd met een area scancamera zou extreme bewegingsonscherpte opleveren, waardoor de afbeelding onbruikbaar wordt.
Wanneer kan TDI gebruikt worden?
TDI-camera's vormen een uitstekende oplossing voor alle beeldtoepassingen waarbij het te fotograferen onderwerp ten opzichte van de camera beweegt, op voorwaarde dat de beweging gelijkmatig is over het gehele camerabeeld.
De toepassingen van TDI-beeldvorming omvatten daarom enerzijds alle toepassingen van lijnscanning waarbij tweedimensionale beelden worden gevormd, terwijl ze hogere snelheden, een sterk verbeterde gevoeligheid bij weinig licht en een betere beeldkwaliteit bieden, of alle drie tegelijk. Anderzijds zijn er veel beeldvormingstechnieken die gebruikmaken van area-scancamera's, waarbij TDI-camera's kunnen worden ingezet.
Voor hooggevoelige sCMOS TDI kan 'tile and stitch'-beeldvorming in biologische fluorescentiemicroscopie worden uitgevoerd met een non-stop scan van het object in plaats van tiling. Alle TDI-toepassingen zijn eveneens zeer geschikt voor inspectietoepassingen. Een andere belangrijke toepassing voor TDI is beeldvormende flowcytometrie, waarbij fluorescentiebeelden van cellen worden gemaakt terwijl ze door een microfluïdisch kanaal stromen en een camera passeren.
Voor- en nadelen van sCMOS TDI
Voordelen
● Kan 2-dimensionale afbeeldingen van willekeurige grootte met hoge snelheid vastleggen bij het scannen van een beeldonderwerp.
● Meerdere TDI-fasen, weinig ruis en een hoge QE kunnen leiden tot een aanzienlijk hogere gevoeligheid dan bij lijnscancamera's.
● Er kunnen zeer hoge uitleessnelheden worden bereikt, bijvoorbeeld tot 510.000 Hz (lijnen per seconde) voor een afbeelding met een breedte van 9.072 pixels.
●De belichting hoeft slechts 1-dimensionaal te zijn en vereist geen flat-field- of andere correcties in de tweede (gescande) dimensie. Bovendien kunnen langere belichtingstijden in vergelijking met lijnscans flikkering door wisselstroomlichtbronnen 'verzachten'.
● Bewegende beelden kunnen worden vastgelegd zonder bewegingsonscherpte en met hoge snelheid en gevoeligheid.
●Het scannen van grote gebieden kan aanzienlijk sneller gaan dan met gebiedsscancamera's.
● Met geavanceerde software of triggerinstellingen kan een 'gebiedsscan-achtige' modus een gebiedsscanoverzicht bieden voor focus en uitlijning.
Nadelen
● Nog steeds hogere ruis dan bij conventionele sCMOS-camera's, wat betekent dat toepassingen bij zeer weinig licht buiten bereik zijn.
● Vereist gespecialiseerde opstellingen met geavanceerde triggering om de beweging van het afgebeelde onderwerp te synchroniseren met de scanning van de camera, zeer nauwkeurige controle over de bewegingssnelheid of nauwkeurige voorspelling van de snelheid om synchronisatie mogelijk te maken.
● Aangezien het een nieuwe technologie betreft, bestaan er momenteel weinig oplossingen voor de implementatie van hardware en software.
sCMOS TDI geschikt voor weinig licht
Hoewel TDI als beeldvormingstechniek al ouder is dan digitale beeldvorming en al lang geleden de lijnscan in prestaties heeft overtroffen, hebben TDI-camera's pas de laatste paar jaar de gevoeligheid gekregen die nodig is om de toepassingen bij weinig licht te bereiken die normaal gesproken de gevoeligheid van wetenschappelijke kwaliteit zouden vereisen.sCMOS-camera's.
'sCMOS TDI' combineert de CCD-achtige beweging van ladingen over de sensor met een sCMOS-achtige uitlezing, waarbij back-illuminated sensoren beschikbaar zijn. Eerdere CCD-gebaseerde of puur CMOS-gebaseerde* TDI-camera's hadden een drastisch tragere uitlezing, een kleiner aantal pixels, minder stages en leesruis tussen 30e en >100e. Daarentegen hebben sCMOS TDI's zoals de TucsenDhyana 9KTDI sCMOS-camerabiedt een leesruis van 7,2e-, gecombineerd met een hogere kwantumefficiëntie door achtergrondverlichting, waardoor TDI kan worden gebruikt in toepassingen met aanzienlijk lagere lichtniveaus dan voorheen mogelijk was.
In veel toepassingen kunnen de langere belichtingstijden die het TDI-proces mogelijk maakt, de toename in leesruis ruimschoots compenseren in vergelijking met hoogwaardige sCMOS-gebiedscancamera's met leesruis van bijna 1e-.
Veelvoorkomende toepassingen van TDI-camera's
TDI-camera's worden gebruikt in veel sectoren waar precisie en snelheid even belangrijk zijn:
● Inspectie van halfgeleiderwafers
● Testen van platte beeldschermen (FPD's)
● Webinspectie (papier, film, folie, textiel)
● Röntgenscans bij medische diagnostiek of bagagecontrole
● Scannen van dia's en multi-well platen in digitale pathologie
● Hyperspectrale beeldvorming bij remote sensing of landbouw
● PCB- en elektronica-inspectie in SMT-lijnen
Deze toepassingen profiteren van het verbeterde contrast, de snelheid en de helderheid die TDI-beeldvorming biedt onder realistische omstandigheden.
Voorbeeld: Dia- en multi-well-plaatscanning
Zoals gezegd is een veelbelovende toepassing voor sCMOS TDI-camera's stitching, waaronder het scannen van objectglaasjes of multiwell-platen. Het scannen van grote fluorescentie- of helderveldmicroscopiemonsters met 2D-camera's is afhankelijk van het samenvoegen van een raster van beelden, gevormd door meerdere bewegingen van een XY-microscooptafel. Voor elk beeld moet de tafel stoppen, tot rust komen en vervolgens weer opstarten, inclusief eventuele vertragingen van de rolling shutter. TDI kan daarentegen 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 beslaan. Dit kan potentieel leiden tot drastisch hogere acquisitiesnelheden en datadoorvoer in alle stitchingtoepassingen, afhankelijk van de beeldvormingsomstandigheden.
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 in vergelijking met area scan-camera's, wat vervolgens kan leiden tot een orde van grootte of meer reductie van de totale acquisitietijd. Bij langere belichtingstijden (bijv. > 100 ms) kan area scan doorgaans een tijdsvoordeel behouden.
Een voorbeeld van een zeer groot (2 Gigapixel) fluorescentiemicroscopiebeeld dat in slechts tien seconden is gevormd, wordt weergegeven in Figuur 2. Een gelijkwaardig beeld dat met een area scan camera is gevormd, kan naar verwachting enkele minuten in beslag nemen.
Figuur 2: 2 Gigapixel-afbeelding gevormd in 10 seconden door TDI-scanning en stitching
OPMERKING: 10x vergroting van de Tucsen Dhyana 9kTDI, gemaakt met markeerstiftstippen, bekeken met fluorescentiemicroscopie. Verkregen in 10 seconden met een belichtingstijd van 3,6 ms. Beeldafmetingen: 30 mm x 17 mm, 58.000 x 34.160 pixels.
TDI synchroniseren
Synchronisatie van een TDI-camera met het onderwerp (tot op enkele procenten nauwkeurig) is essentieel – een snelheidsverschil leidt tot een 'bewegingsonscherpte'. Deze synchronisatie kan op twee manieren worden bereikt:
Voorspellend: De camerasnelheid wordt ingesteld op basis van de bewegingssnelheid van het monster, de optica (vergroting) en de pixelgrootte van de camera. Ofwel, trial and error.
GeactiveerdVeel microscooptafels, portaalsystemen en andere apparatuur om beeldobjecten te verplaatsen, kunnen encoders bevatten die een triggerpuls naar de camera sturen voor een bepaalde bewegingsafstand. Hierdoor blijven de tafel/portaal en de camera synchroon, ongeacht de bewegingssnelheid.
TDI-camera's versus lijnscan- en gebiedsscancamera's
Hier ziet u hoe TDI zich verhoudt tot andere populaire beeldtechnologieën:
| Functie | TDI-camera | Lijnscancamera | Gebiedsscancamera |
| Gevoeligheid | Zeer hoog | Medium | Laag tot gemiddeld |
| Beeldkwaliteit (beweging) | Uitstekend | Goed | Vervaagd 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 de lichtniveaus beperkt zijn. Lijnscan is een stap lager in gevoeligheid, terwijl gebiedscan beter is voor eenvoudige of stationaire opstellingen.
De juiste TDI-camera kiezen
Bij het selecteren van een TDI-camera moet u rekening houden met het volgende:
● Aantal TDI-trappen: Meer trappen verhogen de signaal-ruisverhouding, maar ook de kosten en de complexiteit.
● Sensortype: sCMOS heeft de voorkeur vanwege de snelheid en het lage ruisniveau; CCD is mogelijk nog steeds geschikt voor sommige oudere systemen.
● Interface: Zorg voor compatibiliteit met uw systeem: Camera Link, CoaXPress en 10GigE zijn gangbare opties, 100G CoF en 40G CoF zijn de nieuwe trends geworden.
● Spectrale respons: Kies tussen monochroom, kleur of nabij-infrarood (NIR) op basis van de toepassingsbehoeften.
● Synchronisatieopties: Zoek naar functies zoals encoderingangen of ondersteuning voor externe triggers voor betere bewegingsuitlijning.
Als uw toepassing delicate biologische monsters, inspecties met hoge snelheid of omgevingen met weinig licht omvat, is sCMOS TDI waarschijnlijk de juiste keuze.
Conclusie
TDI-camera's vertegenwoordigen een krachtige evolutie in beeldtechnologie, vooral wanneer ze zijn gebaseerd op sCMOS-sensoren. Door bewegingssynchronisatie te combineren met multi-line integratie bieden ze ongeëvenaarde gevoeligheid en helderheid voor dynamische scènes met weinig licht.
Of u nu wafers inspecteert, dia's scant of inspecties met hoge snelheid uitvoert, als u begrijpt hoe TDI werkt, kunt u de beste oplossing kiezen uitwetenschappelijke camera'svoor uw beelduitdagingen.
Veelgestelde vragen
Kunnen TDI-camera's in de gebiedsscanmodus werken?
TDI-camera's kunnen (zeer dunne) tweedimensionale beelden creëren in een 'area-scan'-achtige modus, bereikt door een trucje met sensortiming. Dit kan handig zijn voor taken zoals scherpstellen en uitlijnen.
Om een 'area-scan'-belichting te starten, wordt de sensor eerst 'geschoond' door de TDI zo snel mogelijk minstens zoveel stappen te laten doorlopen als de camera heeft, en vervolgens te stoppen. Dit wordt bereikt door softwarematige besturing of hardwarematige triggering, en gebeurt idealiter in het donker. Een camera met 256 stappen zou bijvoorbeeld minstens 256 lijnen moeten lezen en dan stoppen. Deze 256 lijnen aan data worden verwijderd.
Zolang de camera niet wordt geactiveerd en er geen lijnen worden uitgelezen, gedraagt de sensor zich als een area-scansensor die een beeld belicht.
De gewenste belichtingstijd moet vervolgens verstrijken terwijl de camera inactief is, waarna de camera opnieuw minstens het aantal stappen vooruitgaat en elke regel van de zojuist opgenomen afbeelding wordt uitgelezen. Ook deze 'uitlees'-fase zou idealiter in het donker moeten plaatsvinden.
Deze techniek kan worden herhaald om een 'live preview' of een reeks gebiedsscanbeelden te bieden met minimale vervorming en vervaging door de TDI-bewerking.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rechten voorbehouden. Vermeld bij het citeren de bron:www.tucsen.com
