2025/09/30В промышленной и научной фотосъемке постоянная проблема заключается в съемке быстро движущихся объектов в условиях низкой освещенности. Именно здесь на помощь приходят камеры с технологией Time Delay Integration (TDI). Технология TDI сочетает синхронизацию движения и многократную экспозицию для обеспечения исключительной чувствительности и четкости изображения, особенно в условиях высоких скоростей.
Что такое камера TDI?
TDI-камера — это специализированная линейная сканирующая камера, которая захватывает изображения движущихся объектов. В отличие от стандартных камер с плоскостным сканированием, которые экспонируют весь кадр за один раз, TDI-камеры переносят заряд с одного ряда пикселей на другой синхронно с движением объекта. Каждый ряд пикселей накапливает свет по мере движения объекта, эффективно увеличивая время экспозиции и усиливая мощность сигнала без размытия изображения из-за движения.
Интеграция заряда значительно повышает отношение сигнал/шум (SNR), что делает камеры TDI идеальными для высокоскоростной съемки или съемки в условиях низкой освещенности.
Как работает камера TDI?
Принцип работы TDI-камеры показан на рисунке.
ПРИМЕЧАНИЕ:Камеры TDI перемещают накопленные заряды по нескольким «ступенькам» синхронно с движущимся объектом съемки. Каждая ступенька предоставляет дополнительную возможность подвергнуться воздействию света. Иллюстрируется яркой буквой «Т», движущейся по камере, с сегментом TDI-сенсора размером 5 столбцов на 5 ступеней. Камера Tucsen Dhyana 9KTDI с гибридным механизмом перемещения зарядов, как у ПЗС-матрицы, но параллельным считыванием, как у КМОП-матрицы.
Камеры TDI по сути являются линейными сканирующими камерами, но с одним важным отличием: вместо одного ряда пикселей, собирающих данные по мере сканирования объекта съемки, камеры TDI имеют несколько рядов, известных как «этапы», обычно до 256.
Однако эти ряды не образуют двумерное изображение, как в камерах с площадным сканированием. Вместо этого, по мере перемещения сканируемого объекта по сенсору камеры, обнаруженные фотоэлектроны в каждом пикселе перемещаются в следующий ряд синхронно с движением объекта, еще не считываясь. Каждый дополнительный ряд предоставляет дополнительную возможность облучить объект светом. Только когда срез изображения достигает последнего ряда пикселей сенсора, этот ряд передается в архитектуру считывания для измерения.
Следовательно, несмотря на проведение нескольких измерений на разных этапах камеры, вводится только один случай шума считывания камеры. 256-ступенчатая TDI-камера удерживает образец в поле зрения в 256 раз дольше и, следовательно, имеет в 256 раз большее время экспозиции, чем эквивалентная линейная сканирующая камера. Эквивалентное время экспозиции с камерой с площадным сканированием привело бы к сильному размытию изображения из-за движения, что сделало бы его непригодным для использования.
В каких случаях можно использовать TDI?
Камеры TDI — отличное решение для любых задач фотосъемки, где объект съемки находится в движении относительно камеры, при условии, что движение равномерно распределено по всему полю зрения камеры.
Таким образом, области применения TDI-изображений включают, с одной стороны, все области линейного сканирования, где формируются двухмерные изображения, обеспечивая при этом более высокую скорость, значительно улучшенную чувствительность при слабом освещении, лучшее качество изображения или все три преимущества одновременно. С другой стороны, существует множество методов получения изображений, использующих камеры с площадным сканированием, где также могут применяться TDI-камеры.
Для высокочувствительных sCMOS TDI можно использовать метод «плиточного» изображения в биологической флуоресцентной микроскопии, применяя непрерывное сканирование предметного столика вместо мозаичного изображения. Также TDI хорошо подходит для инспекционных задач. Еще одно важное применение TDI — проточная цитометрия, где флуоресцентные изображения клеток получают, когда они проходят мимо камеры, протекая через микрофлюидный канал.
Преимущества и недостатки sCMOS TDI
Плюсы
● Позволяет получать двухмерные изображения произвольного размера с высокой скоростью при сканировании объекта съемки.
● Многоступенчатая технология TDI, низкий уровень шума и высокая квантовая эффективность могут обеспечить значительно более высокую чувствительность, чем у камер линейного сканирования.
● Можно достичь очень высокой скорости считывания, например, до 510 000 Гц (строк в секунду) для изображения шириной 9072 пикселя.
● Освещение должно быть одномерным и не требовать коррекции плоского поля или других корректировок во втором (сканируемом) измерении. Кроме того, более длительная выдержка по сравнению с линейным сканированием может «сгладить» мерцание, вызванное источниками переменного тока.
● Можно получать движущиеся изображения без размытия, вызванного движением, с высокой скоростью и чувствительностью.
● Сканирование больших площадей может быть значительно быстрее, чем сканирование с помощью камер, работающих с плоскостным сканированием.
● При использовании продвинутого программного обеспечения или настроек запуска режим, аналогичный зональному сканированию, может обеспечить обзор зоны для фокусировки и выравнивания.
Минусы
● Уровень шума по-прежнему выше, чем у обычных sCMOS-камер, что делает их недоступными для использования в условиях сверхнизкой освещенности.
● Требуются специальные системы с расширенными возможностями синхронизации движения объекта съемки со сканированием камеры, очень точный контроль скорости движения или точное прогнозирование скорости для обеспечения синхронизации.
● Поскольку это новая технология, в настоящее время существует немного решений для ее аппаратной и программной реализации.
sCMOS TDI с возможностью работы в условиях низкой освещенности
Хотя технология TDI как метод получения изображений существовала задолго до появления цифровой обработки изображений и давно превзошла по производительности линейную развертку, лишь в последние несколько лет камеры TDI достигли чувствительности, необходимой для работы в условиях низкой освещенности, для которых обычно требуется чувствительность научных камер.sCMOS-камеры.
Технология sCMOS TDI сочетает в себе перемещение зарядов по сенсору, характерное для ПЗС-матриц, с считыванием в стиле sCMOS, при этом доступны сенсоры с задней подсветкой. Предыдущие камеры TDI на основе ПЗС-матриц или чисто CMOS-матриц* имели значительно более медленное считывание, меньшее количество пикселей, меньшее число ступеней и шум считывания от 30e- до >100e-. В отличие от них, sCMOS TDI, такие как Tucsen,sCMOS-камера Dhyana 9KTDIобеспечивает уровень шума считывания 7,2e- в сочетании с более высокой квантовой эффективностью за счет обратной подсветки, что позволяет использовать TDI в приложениях со значительно более низким уровнем освещенности, чем это было возможно ранее.
Во многих областях применения более длительное время экспозиции, обеспечиваемое процессом TDI, может более чем компенсировать увеличение шума считывания по сравнению с высококачественными sCMOS-камерами с поверхностным сканированием, шум считывания которых близок к 1e-.
Типичные области применения камер TDI
Камеры TDI используются во многих отраслях промышленности, где точность и скорость имеют одинаково важное значение:
●Контроль качества полупроводниковых пластин
●Плоский панельный дисплей(FPD)тестирование
● Веб-инспекция(бумага, пленка, фольга, текстиль)
● Рентгеновское сканирование в медицинской диагностике или досмотре багажа
● Сканирование предметных стекол и многолуночных планшетов в цифровой патологии
● Гиперспектральная съемка в дистанционном зондировании или сельском хозяйстве
● Проверка печатных плат и электроники на линиях поверхностного монтажа.
В этих приложениях преимущества обеспечиваются улучшенной контрастностью, скоростью и четкостью изображения, которые обеспечивает технология TDI-визуализации в условиях реальных ограничений.
Пример: сканирование предметных стекол и многолуночных планшетов.
Как уже упоминалось, одним из перспективных применений sCMOS TDI-камер является сшивание изображений, в том числе сканирование предметных стекол или многолуночных планшетов. Сканирование больших образцов флуоресцентной или светлопольной микроскопии с помощью двухмерных камер основано на сшивании сетки изображений, сформированных в результате многократных перемещений предметного столика XY-микроскопа. Для получения каждого изображения требуется остановка, стабилизация и последующий перезапуск столика, а также задержка, вызванная эффектом «скользящего затвора». TDI, с другой стороны, позволяет получать изображения во время движения столика. Изображение формируется из небольшого количества длинных «полос», каждая из которых покрывает всю ширину образца. Это потенциально может привести к значительному увеличению скорости получения и пропускной способности данных во всех приложениях сшивания, в зависимости от условий визуализации.
Скорость перемещения предметного столика обратно пропорциональна общему времени экспозиции камеры TDI, поэтому короткие выдержки (1-20 мс) обеспечивают наибольшее повышение скорости получения изображений по сравнению с камерами с площадным сканированием, что может привести к сокращению общего времени съемки на порядок или даже больше. При более длительных выдержках (например, > 100 мс) камера с площадным сканированием обычно сохраняет преимущество во времени.
На рисунке показан пример очень большого (2 гигапикселя) изображения, полученного с помощью флуоресцентной микроскопии всего за десять секунд. Для получения аналогичного изображения с помощью сканирующей камеры может потребоваться несколько минут.
ПРИМЕЧАНИЕ:Изображение с 10-кратным увеличением, полученное с помощью микроскопа Tucsen Dhyana 9kTDI, представляет собой точку, нарисованную маркером, и рассматривается под флуоресцентным микроскопом. Получено за 10 секунд с выдержкой 3,6 мс. Размеры изображения: 30 мм x 17 мм, 58 000 x 34 160 пикселей.
Синхронизация TDI
Синхронизация TDI-камеры с объектом съемки (с точностью до нескольких процентов) имеет решающее значение – несоответствие скоростей приведет к эффекту «размытия изображения из-за движения». Эту синхронизацию можно осуществить двумя способами:
Прогностический:Скорость камеры устанавливается в соответствии со скоростью движения на основе данных о скорости перемещения образца, характеристиках оптики (увеличении) и размере пикселя камеры. Или методом проб и ошибок.
Сработало:Многие предметные столики микроскопов, порталы и другое оборудование для перемещения объектов съемки могут включать энкодеры, которые посылают триггерный импульс в камеру при достижении заданного расстояния перемещения. Это позволяет предметному столику/порталу и камере оставаться синхронизированными независимо от скорости перемещения.
TDI-камеры против камер линейного и площадного сканирования
Вот как технология TDI соотносится с другими популярными технологиями визуализации:
| Особенность | Камера TDI | Линейная сканирующая камера | Камера сканирования области |
| Чувствительность | Очень высокий | Середина | Низкий до среднего |
| Качество изображения (в движении) | Отличный | Хороший | Размытое изображение на высоких скоростях |
| Требования к освещению | Низкий | Середина | Высокий |
| Совместимость с движением | Отлично (если синхронизировано). | Хороший | Бедный |
| Лучше всего подходит для | Высокоскоростной режим, низкая освещенность | Быстро движущиеся объекты | Статичные или замедленные сцены |
TDI — очевидный выбор, когда сцена быстро меняется и уровень освещенности ограничен. Линейная развертка имеет меньшую чувствительность, в то время как площадная развертка лучше подходит для простых или стационарных установок.
Выбор подходящей камеры TDI
При выборе TDI-камеры следует учитывать следующее:
●Количество этапов TDI:Увеличение количества этапов повышает отношение сигнал/шум, но также увеличивает стоимость и сложность.
●Тип датчика:Технология sCMOS предпочтительнее благодаря своей скорости и низкому уровню шума; CCD-матрица также может подходить для некоторых устаревших систем.
●Интерфейс:Убедитесь в совместимости с вашей системой — Camera Link, CoaXPress и 10GigE являются распространенными вариантами, а 100G CoF и 40G CoF стали новыми трендами.
●Спектральный отклик:В зависимости от потребностей приложения, выберите монохромный, цветной или ближний инфракрасный (БИК) режимы.
●Параметры синхронизации:Обратите внимание на такие функции, как входы для энкодера или поддержка внешнего триггера для более точной настройки движения.
Если ваше приложение связано с обработкой деликатных биологических образцов, высокоскоростным контролем или работой в условиях низкой освещенности, то sCMOS TDI, скорее всего, вам подойдет.
Заключение
Камеры TDI представляют собой мощный шаг вперед в технологии обработки изображений, особенно в сочетании с sCMOS-сенсорами. Благодаря синхронизации движения и многострочной интеграции, они обеспечивают непревзойденную чувствительность и четкость изображения в динамичных сценах с низкой освещенностью.
Независимо от того, проверяете ли вы кремниевые пластины, сканируете слайды или проводите высокоскоростные проверки, понимание принципа работы TDI поможет вам выбрать оптимальное решение.научные камерыдля решения ваших задач в области визуализации.
Часто задаваемые вопросы
Могут ли камеры TDI работать в режиме сканирования области?
Камеры TDI могут создавать (очень тонкие) двухмерные изображения в режиме, аналогичном сканированию по площади, благодаря хитрости синхронизации сенсора. Это может быть полезно для таких задач, как фокусировка и выравнивание.
Для начала «сканирующей экспозиции по области» сенсор сначала «очищается» путем продвижения TDI как минимум на столько шагов, сколько у камеры ступеней, как можно быстрее, а затем останавливается. Это достигается либо программным управлением, либо аппаратным запуском и в идеале выполняется в темноте. Например, 256-ступенчатая камера должна считать не менее 256 строк, а затем остановиться. Эти 256 строк данных отбрасываются.
В то время как камера не запускается и строки не считываются, датчик работает как площадной сканирующий датчик, создавая изображение.
Затем необходимо дождаться истечения желаемого времени экспозиции при неподвижном состоянии камеры, после чего камера должна снова продвинуться как минимум на количество ступеней, считывая каждую строку только что полученного изображения. В идеале, эта фаза считывания должна происходить в темноте.
Этот метод можно повторить для получения «предварительного просмотра в реальном времени» или последовательности изображений, полученных методом сканирования областей, с минимальными искажениями и размытием, возникающими в результате работы TDI.
Компания Tucsen Photonics Co., Ltd. Все права защищены. При цитировании, пожалуйста, указывайте источник:www.tucsen.com
