25/08/08Em imagens industriais e científicas, capturar objetos em movimento rápido em condições de pouca luz representa um desafio constante. É aí que as câmeras com Integração de Atraso de Tempo (TDI) entram em cena. A tecnologia TDI combina sincronização de movimento e múltiplas exposições para proporcionar sensibilidade e nitidez de imagem excepcionais, especialmente em ambientes de alta velocidade.
O que é uma câmera TDI?
Uma câmera TDI é uma câmera de varredura linear especializada que captura imagens de objetos em movimento. Ao contrário das câmeras de varredura de área padrão, que expõem um quadro inteiro de uma só vez, as câmeras TDI transferem a carga de uma fileira de pixels para a próxima em sincronia com o movimento do objeto. Cada fileira de pixels acumula luz conforme o objeto se move, aumentando efetivamente o tempo de exposição e aprimorando a intensidade do sinal sem causar desfoque de movimento.
Essa integração de carga aumenta drasticamente a relação sinal-ruído (SNR), tornando as câmeras TDI ideais para aplicações de alta velocidade ou pouca luz.
Como funciona uma câmera TDI?
A operação de uma câmera TDI é ilustrada na Figura 1.
Figura 1: Operação de sensores de integração de atraso de tempo (TDI)
OBSERVAÇÃO: Câmeras TDI movem as cargas adquiridas por vários "estágios" em sincronia com um objeto de imagem em movimento. Cada estágio oferece uma chance adicional de exposição à luz. Ilustrado por um "T" brilhante movendo-se através da câmera, com um segmento de 5 colunas por 5 estágios de um sensor TDI. Tucsen Dhyana 9KTDI com movimento de carga híbrido no estilo CCD, mas leitura paralela no estilo CMOS.
As câmeras TDI são efetivamente câmeras de varredura de linha, com uma distinção importante: em vez de uma linha de pixels adquirindo dados conforme as câmeras varrem um objeto de imagem, as câmeras TDI têm várias linhas, conhecidas como "estágios", normalmente até 256.
No entanto, essas fileiras não formam uma imagem bidimensional como uma câmera de varredura de área. Em vez disso, à medida que o objeto da imagem escaneada se move pelo sensor da câmera, os fotoelétrons detectados em cada pixel se movem para a próxima fileira em sincronia com o movimento do objeto da imagem, sem ainda serem lidos. Cada fileira adicional oferece uma oportunidade adicional de expor o objeto da imagem à luz. Somente quando um corte da imagem atinge a fileira final de pixels do sensor, essa fileira é então passada para a arquitetura de leitura para medição.
Portanto, apesar de múltiplas medições serem realizadas em todos os estágios da câmera, apenas uma instância do ruído de leitura da câmera é introduzida. Uma câmera TDI de 256 estágios mantém a amostra visível por 256 vezes mais tempo e, portanto, tem um tempo de exposição 256 vezes maior do que uma câmera de varredura linear equivalente. Um tempo de exposição equivalente com uma câmera de varredura de área produziria um desfoque de movimento extremo, tornando a imagem inútil.
Quando o TDI pode ser usado?
As câmeras TDI são uma excelente solução para qualquer aplicação de imagem em que o objeto da imagem esteja em movimento em relação à câmera, desde que o movimento seja uniforme em toda a visão da câmera.
As aplicações da geração de imagens TDI incluem, portanto, por um lado, todas as de varredura linear, onde imagens bidimensionais são formadas, proporcionando velocidades maiores, sensibilidade à baixa luminosidade significativamente melhorada, melhor qualidade de imagem ou todos os três ao mesmo tempo. Por outro lado, existem muitas técnicas de geração de imagens que utilizam câmeras de varredura de área, nas quais câmeras TDI podem ser utilizadas.
Para TDI sCMOS de alta sensibilidade, a técnica de "tile and stitch" (em mosaico e costura) em microscopia de fluorescência biológica pode ser realizada usando uma varredura ininterrupta da platina em vez de "tileing" (em mosaico). Ou então, todo o TDI pode ser adequado para aplicações de inspeção. Outra aplicação importante para o TDI é a citometria de fluxo por imagem, na qual imagens de fluorescência de células são adquiridas à medida que elas passam por uma câmera enquanto fluem por um canal microfluídico.
Prós e contras do sCMOS TDI
Prós
● Pode capturar imagens bidimensionais de tamanho arbitrário em alta velocidade ao escanear um objeto de imagem.
● Vários estágios TDI, baixo ruído e alto QE podem levar a uma sensibilidade drasticamente maior do que as câmeras de varredura de linha.
● Velocidades de leitura muito altas podem ser alcançadas, por exemplo, até 510.000 Hz (linhas por segundo), para uma imagem de 9.072 pixels de largura.
●A iluminação precisa ser unidimensional e não requer campo plano ou outras correções na segunda dimensão (varrida). Além disso, tempos de exposição mais longos em comparação com a varredura linear podem "suavizar" a cintilação causada por fontes de luz CA.
● Imagens em movimento podem ser adquiridas sem desfoque de movimento e com alta velocidade e sensibilidade.
●A digitalização de grandes áreas pode ser drasticamente mais rápida do que com câmeras de digitalização de área.
● Com software avançado ou configurações de disparo, um modo 'semelhante à varredura de área' pode fornecer uma visão geral da varredura de área para foco e alinhamento.
Contras
● Ruído ainda maior do que as câmeras sCMOS convencionais, o que significa que aplicações com luminosidade ultrabaixa estão fora de alcance.
● Requer configurações especializadas com disparo avançado para sincronizar o movimento do objeto da imagem com a varredura da câmera, controle muito preciso sobre a velocidade do movimento ou previsão precisa da velocidade para permitir a sincronização.
● Como é uma tecnologia nova, atualmente existem poucas soluções para implementação de hardware e software.
sCMOS TDI com capacidade para pouca luz
Embora o TDI como técnica de imagem seja anterior à imagem digital e tenha superado há muito tempo a varredura de linha em desempenho, somente nos últimos anos as câmeras TDI ganharam a sensibilidade necessária para atingir as aplicações de baixa luminosidade que normalmente exigiriam a sensibilidade de nível científico.câmeras sCMOS.
O 'sCMOS TDI' combina o movimento de cargas no sensor no estilo CCD com a leitura no estilo sCMOS, com sensores retroiluminados disponíveis. Câmeras TDI anteriores baseadas em CCD ou puramente CMOS* apresentavam leituras drasticamente mais lentas, contagens de pixels menores, menos estágios e ruído de leitura entre 30e e >100e. Em contraste, câmeras sCMOS TDI, como a TucsenCâmera Dhyana 9KTDI sCMOSoferece ruído de leitura de 7,2e-, combinado com maior eficiência quântica por meio de retroiluminação, permitindo o uso de TDI em aplicações com níveis de luz significativamente mais baixos do que era possível anteriormente.
Em muitas aplicações, os tempos de exposição mais longos permitidos pelo processo TDI podem mais do que compensar o aumento do ruído de leitura em comparação com câmeras de varredura de área sCMOS de alta qualidade com ruído de leitura próximo a 1e-.
Aplicações comuns de câmeras TDI
Câmeras TDI são encontradas em muitos setores onde precisão e velocidade são igualmente críticas:
● Inspeção de wafers semicondutores
● Teste de tela plana (FPD)
● Inspeção de teias (papel, filme, folha metálica, têxteis)
● Exames de raio-X para diagnóstico médico ou triagem de bagagem
● Digitalização de lâminas e placas de múltiplos poços em patologia digital
● Imagem hiperespectral em sensoriamento remoto ou agricultura
● Inspeção de PCB e eletrônica em linhas SMT
Essas aplicações se beneficiam do contraste, da velocidade e da clareza aprimorados que a geração de imagens TDI proporciona sob restrições do mundo real.
Exemplo: Digitalização de lâminas e placas com múltiplos poços
Como mencionado, uma aplicação significativamente promissora para câmeras sCMOS TDI são as aplicações de costura, incluindo varredura de lâminas ou placas de múltiplos poços. A varredura de grandes amostras de microscopia fluorescente ou de campo claro com câmeras de área bidimensionais depende da costura de uma grade de imagens formada a partir de múltiplos movimentos de uma platina de microscópio XY. Cada imagem requer que a platina pare, se estabilize e reinicie, juntamente com qualquer atraso do obturador rolante. A TDI, por outro lado, pode adquirir imagens enquanto a platina está em movimento. A imagem é então formada a partir de um pequeno número de "tiras" longas, cada uma cobrindo toda a largura da amostra. Isso pode potencialmente levar a velocidades de aquisição e taxa de transferência de dados drasticamente maiores em todas as aplicações de costura, dependendo das condições de imagem.
A velocidade de movimentação da platina é inversamente proporcional ao tempo total de exposição da câmera TDI, portanto, tempos de exposição curtos (1-20 ms) oferecem a maior melhoria na velocidade de aquisição de imagens em comparação com câmeras de varredura de área, o que pode levar a uma redução de uma ordem de magnitude ou maior no tempo total de aquisição. Para tempos de exposição mais longos (por exemplo, > 100 ms), a varredura de área geralmente pode manter uma vantagem de tempo.
Um exemplo de uma imagem de microscopia de fluorescência muito grande (2 Gigapixels) formada em apenas dez segundos é mostrado na Figura 2. Uma imagem equivalente formada com uma câmera de varredura de área pode levar até vários minutos.
Figura 2: Imagem de 2 Gigapixels formada em 10 segundos por meio de varredura e costura TDI
OBSERVAÇÃO: Imagem com ampliação de 10x, obtida com o Tucsen Dhyana 9kTDI, de pontos de caneta marca-texto visualizados por microscopia de fluorescência. Obtida em 10 segundos, com tempo de exposição de 3,6 ms. Dimensões da imagem: 30 mm x 17 mm, 58.000 x 34.160 pixels.
Sincronizando TDI
A sincronização de uma câmera TDI com o objeto da imagem (com uma precisão de alguns pontos percentuais) é essencial – a incompatibilidade de velocidade causará um efeito de "borrão de movimento". Essa sincronização pode ser feita de duas maneiras:
Preditivo: A velocidade da câmera é definida para corresponder à velocidade do movimento com base no conhecimento da velocidade de movimento da amostra, da óptica (ampliação) e do tamanho do pixel da câmera. Ou tentativa e erro.
Provocado: Muitas platinas, pórticos e outros equipamentos de microscópio para mover objetos de imagem podem incluir codificadores que enviam um pulso de disparo para a câmera a uma determinada distância de movimento. Isso permite que a platina/pórtico e a câmera permaneçam sincronizados, independentemente da velocidade do movimento.
Câmeras TDI vs. Câmeras de Varredura de Linha e Varredura de Área
Veja como o TDI se compara a outras tecnologias de imagem populares:
| Recurso | Câmera TDI | Câmera de varredura de linha | Câmera de varredura de área |
| Sensibilidade | Muito alto | Médio | Baixo a médio |
| Qualidade da imagem (movimento) | Excelente | Bom | Desfocado em altas velocidades |
| Requisitos de iluminação | Baixo | Médio | Alto |
| Compatibilidade de movimento | Excelente (se sincronizado) | Bom | Pobre |
| Melhor para | Alta velocidade, pouca luz | Objetos em movimento rápido | Cenas estáticas ou lentas |
O TDI é a escolha certa quando a cena se move rapidamente e os níveis de luz são limitados. A varredura de linha é um passo à frente em termos de sensibilidade, enquanto a varredura de área é mais indicada para configurações simples ou estáticas.
Escolhendo a câmera TDI certa
Ao selecionar uma câmera TDI, considere o seguinte:
● Número de estágios TDI: mais estágios aumentam o SNR, mas também o custo e a complexidade.
● Tipo de sensor: sCMOS é preferido por sua velocidade e baixo ruído; CCD ainda pode ser adequado para alguns sistemas legados.
● Interface: garanta a compatibilidade com seu sistema — Camera Link, CoaXPress e 10GigE são opções comuns, 100G CoF e 40G CoF surgiram como novas tendências.
● Resposta espectral: escolha entre monocromático, colorido ou infravermelho próximo (NIR) com base nas necessidades da aplicação.
● Opções de sincronização: procure recursos como entradas de codificador ou suporte a gatilho externo para melhor alinhamento de movimento.
Se sua aplicação envolve amostras biológicas delicadas, inspeção de alta velocidade ou ambientes com pouca luz, o sCMOS TDI provavelmente é a opção certa.
Conclusão
As câmeras TDI representam uma evolução poderosa na tecnologia de imagem, especialmente quando construídas com sensores sCMOS. Combinando sincronização de movimento com integração multilinha, elas oferecem sensibilidade e nitidez incomparáveis para cenas dinâmicas e com pouca iluminação.
Quer você esteja inspecionando wafers, digitalizando lâminas ou realizando inspeções de alta velocidade, entender como o TDI funciona pode ajudá-lo a escolher a melhor solução entrecâmeras científicaspara seus desafios de imagem.
Perguntas frequentes
As câmeras TDI podem operar no modo de varredura de área?
Câmeras TDI podem criar imagens bidimensionais (muito finas) em um modo "semelhante à varredura de área", obtido por meio de um truque de sincronização do sensor. Isso pode ser útil para tarefas como foco e alinhamento.
Para iniciar uma "exposição de varredura de área", o sensor é primeiro "limpo" avançando o TDI pelo menos tantos passos quantos os estágios da câmera, o mais rápido possível, e então parando. Isso é feito por controle de software ou acionamento por hardware, e é idealmente realizado no escuro. Por exemplo, uma câmera de 256 estágios deve ler pelo menos 256 linhas e então parar. Essas 256 linhas de dados são descartadas.
Enquanto a câmera não está sendo acionada ou as linhas não estão sendo lidas, o sensor se comporta como um sensor de varredura de área, expondo uma imagem.
O tempo de exposição desejado deve então transcorrer com a câmera ociosa, antes de avançar a câmera novamente em pelo menos o número de estágios necessário, lendo cada linha da imagem recém-adquirida. Novamente, o ideal é que essa fase de "leitura" ocorra no escuro.
Essa técnica pode ser repetida para fornecer uma "visualização ao vivo" ou sequência de imagens de varredura de área com distorção e desfoque mínimos da operação TDI.
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