2025/09/30在工業和科學成像領域，在低光源條件下捕捉快速移動的物體始終是一項挑戰。而時間延遲積分（TDI）相機正能解決這一難題。 TDI 技術結合了運動同步和多次曝光，能夠提供卓越的靈敏度和影像清晰度，尤其是在高速運動環境下。
什麼是TDI相機？
TDI相機是一種專門用於拍攝運動物體的線掃描相機。與一次性曝光整個畫面的標準面掃描相機不同，TDI相機能夠根據物體的運動同步地將電荷從一行像素轉移到下一行。隨著被攝物體的移動，每一行像素都會累積光線，從而有效地延長曝光時間並增強訊號強度，而不會引入運動模糊。
這種電荷整合顯著提高了訊號雜訊比 (SNR)，使 TDI 相機成為高速或低光照應用的理想選擇。
TDI攝影機的工作原理是什麼？
TDI相機的工作原理如圖所示。
筆記：TDI相機將擷取的電荷與移動的成像物件同步地移動到多個「階段」。每個階段都提供一次額外的曝光機會。圖中展示了一個明亮的「T」字在相機上移動，以及TDI感測器5列×5階段的組成部分。 Tucsen Dhyana 9KTDI相機採用混合CCD式電荷移動方式及CMOS式平行讀出方式。
TDI 相機實際上是線掃描相機，但有一個重要的區別：線掃描相機在掃描成像對象時，不是像線掃描相機那樣只有一行像素獲取數據，而是有多行像素，稱為“平台”，通常可達 256 層。
然而，這些像素行並不像面陣掃描相機那樣形成二維影像。相反，當被掃描的成像物件在相機感測器上移動時，每個像素內偵測到的光電子會隨著成像物件的移動同步地移動到下一行，但此時這些光電子尚未被讀取。每一行都為成像物件提供了額外的曝光機會。只有當影像切片到達感測器的最後一行像素時，該行才會傳遞給讀出系統進行測量。
因此，儘管在相機各級進行多次測量，但只會引入一次相機讀出雜訊。 256級TDI相機使樣品在視野中的停留時間是同等線掃描相機的256倍，因此其曝光時間也是同等線掃描相機的256倍。如果使用面部掃描相機進行相同曝光，則會產生嚴重的動作模糊，導致影像無法使用。
TDI何時可以使用？
對於任何成像應用，只要成像物件相對於相機處於運動狀態，且運動在整個相機視野範圍內是均勻的，TDI 相機就是一個絕佳的解決方案。
因此，TDI成像技術的應用一方麵包括所有用於形成二維影像的線掃描技術，同時還能帶來更高的速度、更優異的低光照靈敏度、更好的影像質量，或三者兼備。另一方面，許多使用面掃描相機的成像技術也可以使用TDI相機。
對於高靈敏度sCMOS TDI，生物螢光顯微鏡中的「拼接」成像可以透過對載物台進行不間斷掃描來實現，而無需進行拼接。此外，所有TDI裝置都非常適合用於偵測應用。 TDI的另一個重要應用是成像流式細胞儀，其中細胞在流經微流控通道時，透過相機擷取其螢光影像。
sCMOS TDI 的優缺點
優點
● 在掃描成像物件時，可以高速擷取任意大小的二維影像。
● 多層TDI、低雜訊和高量子效率可帶來比線掃描相機更高的靈敏度。
● 可達到非常高的讀取速度，例如，對於 9,072 像素寬的影像，讀取速度可達 510,000Hz（每秒行數）。
● 照明只需是一維的，無需對第二維（掃描維）進行平場或其他校正。此外，與線掃描相比，更長的曝光時間可以「消除」交流光源引起的閃爍。
● 可高速、高靈敏度地取得無運動模糊的動態影像。
● 大面積掃描比面陣掃描相機速度快得多。
●借助高級軟體或觸發設置，「類似區域掃描」的模式可以提供區域掃描概覽，以便進行對焦和對準。
缺點
● 雜訊仍然比傳統的 sCMOS 相機高，這表示超低光應用無法實現。
● 需要專業的設置，具備進階觸發功能，可將影像物件的運動與相機的掃描同步，對運動速度進行非常精細的控制，或準確預測速度以實現同步。
● 作為一項新技術，目前硬體和軟體實現的解決方案還很少。
低光照性能的sCMOS TDI
雖然TDI成像技術早於數位成像技術出現，且其性能早已超越線掃描技術，但直到最近幾年，TDI相機才具備滿足低光應用所需的靈敏度，而這些應用通常需要科學級相機的靈敏度。sCMOS相機.
sCMOS TDI 技術結合了 CCD 式的電荷在感測器上的移動方式和 sCMOS 式的讀出方式，並可使用背照式感測器。以往基於 CCD 或純 CMOS 的 TDI 相機讀出速度極慢，像素數量較少，級數也更少，讀出雜訊介於 30e- 到 >100e- 之間。相比之下，像 Tucsen 這樣的 sCMOS TDI 相機則具有更高的解析度和解析度。Dhyana 9KTDI sCMOS相機讀出雜訊為 7.2e-，結合背光照明帶來的更高量子效率，使得 TDI 能夠在比以前低得多的光照水平應用中使用。
在許多應用中，TDI 製程實現的更長曝光時間可以彌補讀出雜訊的增加，而與讀出雜訊接近 1e- 的高品質 sCMOS 面掃描相機相比，讀出雜訊的增加則微乎其微。
TDI相機的常見應用
TDI攝影機廣泛應用於許多對精度和速度要求同樣高的行業：
●半導體晶圓檢測
●平面顯示器（FPD）測試
● 網路檢查（紙張、薄膜、箔材、紡織品）
● X 光掃描在醫療診斷或行李安檢的應用
● 數位病理學中的玻片和多孔板掃描
● 高光譜成像在遙感或農業的應用
● SMT生產線中的PCB和電子元件檢測
在實際應用的限制條件下，TDI 成像技術能夠提供更高的對比度、速度和清晰度，這些應用從中受益匪淺。
例如：載玻片和多孔板掃描
如前所述，sCMOS TDI 相機的一項極具應用前景的技術是影像拼接，例如玻片或多孔板掃描。使用二維面陣相機掃描大型螢光或明場顯微鏡樣本時，需要拼接一系列由 XY 顯微鏡載物台多次移動形成的影像。每次拍攝都需要載物台停止、穩定後再重新啟動，也需考慮捲簾快門的延遲。而 TDI 技術則可以在載物台移動的同時擷取影像。最終影像由少量長條狀「條帶」拼接而成，每條條帶覆蓋樣品的整個寬度。根據成像條件的不同，這有望在所有影像拼接應用中顯著提高擷取速度和資料吞吐量。
載物台的移動速度與TDI相機的總曝光時間成反比，因此，與面陣掃描相機相比，短曝光時間（1-20毫秒）能最大程度地提高成像速度，進而使總採集時間縮短一個數量級甚至更多。對於較長的曝光時間（例如>100毫秒），面陣掃描相機通常仍具有時間優勢。
圖中展示了一個僅用十秒鐘就形成的超大尺寸（2 吉像素）螢光顯微影像範例。而使用面掃描相機形成同等尺寸的影像則可能需要幾分鐘。
筆記：使用 Tucsen Dhyana 9kTDI 螢光顯微鏡，以 10 倍放大倍率擷取螢光筆點陣影像。採集時間為 10 秒，曝光時間為 3.6 毫秒。圖片尺寸：30 毫米 x 17 毫米，58,000 x 34,160 像素。
同步TDI
TDI相機與成像物件的同步（精確度達到幾個百分點以內）至關重要——速度不匹配會導致「運動模糊」效果。這種同步可以透過兩種方式實現：
預測性的：根據對樣本運動速度、光學元件（放大倍率）和相機像素尺寸的了解，將相機速度設定為與運動速度相符。或透過反覆試驗來確定。
觸發：許多顯微鏡載物台、龍門架和其他用於移動成像物件的設備都包含編碼器，當物體移動一定距離後，編碼器會向相機發送觸發脈衝。這樣，無論移動速度如何，載物台/龍門架和相機都能保持同步。
TDI攝影機與線掃描和臉部掃描攝影機的比較
以下是TDI與其他常用影像技術的比較：
| 特徵 | TDI相機 | 線掃描相機 | 臉部掃描相機 |
| 敏感度 | 非常高 | 中等的 | 低至中等 |
| 影像品質（動態） | 出色的 | 好的 | 高速行駛時畫面模糊 |
| 照明要求 | 低的 | 中等的 | 高的 |
| 運動相容性 | 極佳（如果同步的話） | 好的 | 貧窮的 |
| 最適合 | 高速、低光照 | 快速移動的物體 | 靜態或慢速場景 |
當場景快速移動且光線不足時，TDI 顯然是最佳選擇。線掃描的靈敏度稍低，而面掃描更適合簡單或靜止的場景。
選擇合適的TDI攝影機
選擇TDI攝影機時，請考慮以下因素：
●TDI階段數：多級電路可以提高訊號雜訊比，但也會增加成本和複雜性。
●感測器類型：sCMOS 因其速度快、噪音低而受到青睞；CCD 可能仍適用於某些舊式系統。
●介面:確保與您的系統相容——Camera Link、CoaXPress 和 10GigE 是常見的選擇，100G CoF 和 40G CoF 已成為新的趨勢。
●光譜響應：根據應用需求，選擇單色、彩色或近紅外線（NIR）成像方式。
●同步選項：尋找具有編碼器輸入或外部觸發支援等功能的設備，以便更好地進行運動對齊。
如果您的應用涉及易損生物樣本、高速偵測或低光源環境，那麼 sCMOS TDI 很可能是合適的選擇。
結論
TDI相機代表了成像技術的一次重大革新，尤其是在採用sCMOS感測器的情況下。透過將運動同步與多線積分相結合，它們為動態和低光照場景提供了無與倫比的靈敏度和清晰度。
無論您是偵測晶圓、掃描載玻片或進行高速偵測，了解 TDI 的工作原理都能幫助您選擇最佳解決方案。科學相機解決您的成像難題。
常問問題
TDI攝影機可以以面掃描模式運作嗎？
TDI相機可以透過巧妙的感光元件時序控制，以類似面掃描的方式產生（非常薄的）二維影像。這有助於對焦和對準等任務。
要開始“面掃描曝光”，首先要“清除”感測器，方法是將TDI（時間資料指示器）以盡可能快的速度推進至少與相機級數相同的步數，然後停止。這可以透過軟體控製或硬體觸發來實現，理想情況下應在黑暗環境中進行。例如，一台256級相機至少應讀取256行數據，然後停止。這256行數據將被丟棄。
當相機未被觸發或未讀取行時，感測器的行為就像面陣掃描感測器一樣，會曝光影像。
然後，在相機處於空閒狀態的情況下，等待所需的曝光時間過去，之後再次將相機前進至少其預設的檔位數，並逐行讀取剛剛採集的影像。同樣，理想情況下，此「讀取」階段應在黑暗環境中進行。
可以重複使用這種技術，以提供「即時預覽」或一系列面掃描影像，最大限度地減少 TDI 操作造成的失真和模糊。
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