2023/10/10تقنية التأخير الزمني والتكامل (TDI) هي طريقة لالتقاط الصور تعتمد على مبدأ المسح الخطي، حيث يتم التقاط سلسلة من الصور أحادية البعد لتكوين صورة من خلال توقيت حركة العينة والتقاط شريحة الصورة عن طريق التشغيل. على الرغم من أن هذه التقنية موجودة منذ عقود، إلا أنها ارتبطت عادةً بالتطبيقات منخفضة الحساسية، مثل فحص الويب.
يجمع جيل جديد من الكاميرات بين حساسية مستشعر sCMOS وسرعة تقنية TDI، ليقدم صورًا بجودة مماثلة لمسح المساحة، ولكن مع إمكانية تحقيق سرعة معالجة أعلى بكثير. ويتضح هذا جليًا في الحالات التي تتطلب تصوير عينات كبيرة في ظروف الإضاءة المنخفضة. في هذه المذكرة الفنية، نوضح آلية عمل مسح TDI، ونقارن زمن التقاط الصور بتقنية مسح مساحة كبيرة مماثلة، وهي تقنية التصوير بالبلاط والدمج.
من المسح الخطي إلى TDI
التصوير بالمسح الخطي هو تقنية تصوير تستخدم خطًا واحدًا من البكسلات (يُشار إليه بالعمود أو المرحلة) لالتقاط جزء من الصورة أثناء حركة العينة. باستخدام آليات تشغيل كهربائية، يتم التقاط "جزء" واحد من الصورة عند مرور العينة أمام المستشعر. من خلال ضبط معدل تشغيل الكاميرا لالتقاط الصورة بالتزامن مع حركة العينة، واستخدام جهاز التقاط الإطارات لالتقاط هذه الصور، يمكن دمجها معًا لإعادة بناء الصورة.
تعتمد تقنية التصوير TDI على مبدأ التقاط صورة العينة، ولكنها تستخدم مراحل متعددة لزيادة عدد الإلكترونات الضوئية الملتقطة. عند مرور العينة بكل مرحلة، تُجمع معلومات إضافية وتُضاف إلى الإلكترونات الضوئية الملتقطة في المراحل السابقة، وتُعاد ترتيبها بطريقة مشابهة لأجهزة CCD. عند مرور العينة بالمرحلة الأخيرة، تُرسل الإلكترونات الضوئية المجمعة إلى وحدة قراءة، وتُستخدم الإشارة المتكاملة عبر النطاق لإنشاء شريحة صورة. يوضح الشكل 1 عملية التقاط الصورة على جهاز بخمسة أعمدة (مراحل) من تقنية TDI.
الشكل 1: مثال متحرك لالتقاط الصور باستخدام تقنية TDI. تُمرر عينة (اللون الأزرق T) فوق جهاز التقاط صور TDI (عمود من 5 بكسلات، 5 مراحل TDI)، وتُلتقط الإلكترونات الضوئية في كل مرحلة وتُضاف إلى مستوى الإشارة. ثم يقوم جهاز القراءة بتحويل هذه الإشارة إلى صورة رقمية.
1أ: يتم إدخال الصورة (حرف T أزرق) إلى المسرح؛ حرف T في حالة حركة كما هو موضح على الجهاز.
1ب: عندما يمر حرف T بالمرحلة الأولى، يتم تشغيل كاميرا TDI لالتقاط الإلكترونات الضوئية التي تلتقطها البكسلات عند اصطدامها بالمرحلة الأولى على مستشعر TDI. يحتوي كل عمود على سلسلة من البكسلات التي تلتقط الإلكترونات الضوئية بشكل فردي.
1ج: يتم نقل هذه الإلكترونات الضوئية الملتقطة إلى المرحلة الثانية، حيث يقوم كل عمود بدفع مستوى الإشارة الخاص به إلى المرحلة التالية.
في المرحلة الثانية، يتم التقاط مجموعة ثانية من الإلكترونات الضوئية بالتزامن مع حركة العينة بمسافة بكسل واحد، وتُضاف إلى المجموعة الملتقطة سابقًا، مما يزيد من قوة الإشارة. أما في المرحلة الأولى، فيتم التقاط مجموعة جديدة من الإلكترونات الضوئية، تتوافق مع الشريحة التالية من عملية التقاط الصورة.
1هـ: تتكرر عمليات التقاط الصورة الموضحة في المرحلة 1د أثناء مرور الصورة أمام المستشعر. ينتج عن ذلك إشارة من الإلكترونات الضوئية المنبعثة من المراحل. تُمرر هذه الإشارة إلى وحدة قراءة، والتي تحول إشارة الإلكترونات الضوئية إلى قراءة رقمية.
1f: يتم عرض القراءة الرقمية كصورة عمودًا تلو الآخر. وهذا يسمح بإعادة بناء الصورة رقميًا.
بما أن جهاز TDI قادر على تمرير الإلكترونات الضوئية من مرحلة إلى أخرى في آنٍ واحد، والتقاط إلكترونات ضوئية جديدة من المرحلة الأولى أثناء حركة العينة، فإن الصورة يمكن أن تكون بلا حدود فعلياً من حيث عدد الصفوف الملتقطة. ويمكن أن تصل معدلات التشغيل، التي تحدد عدد مرات التقاط الصورة (الشكل 1أ)، إلى مئات الكيلوهرتز.
في المثال الموضح في الشكل 2، تم التقاط صورة لشريحة مجهرية بأبعاد 29 × 17 مم في غضون 10.1 ثانية باستخدام كاميرا TDI بدقة بكسل 5 ميكرومتر. حتى عند مستويات التكبير العالية، يبقى مستوى التشويش ضئيلاً. وهذا يمثل تقدماً هائلاً مقارنةً بالأجيال السابقة من هذه التقنية.
للحصول على مزيد من التفاصيل، يوضح الجدول 1 وقت التصوير التمثيلي لسلسلة من أحجام العينات الشائعة عند تكبير 10 و 20 و 40 مرة.
الشكل 2: صورة لعينة فلورية تم التقاطها باستخدام جهاز Tucsen 9kTDI. زمن التعريض 10 مللي ثانية، زمن الالتقاط 10.1 ثانية.
الجدول 1: مصفوفة وقت التقاط أحجام العينات المختلفة (بالثواني) باستخدام كاميرا Tucsen 9kTDI على منصة Zaber MVR الآلية عند 10 و 20 و 40 مرة لفترة تعريض 1 و 10 مللي ثانية.
التصوير بالمسح المساحي
تتضمن تقنية التصوير بالمسح المساحي في كاميرات sCMOS التقاط صورة كاملة في وقت واحد باستخدام مصفوفة ثنائية الأبعاد من البكسلات. يلتقط كل بكسل الضوء، ويحوله إلى إشارات كهربائية للمعالجة الفورية، مما يُشكل صورة كاملة بدقة وسرعة عاليتين. يتحدد حجم الصورة التي يمكن التقاطها في تعريض واحد بحجم البكسل، والتكبير، وعدد البكسلات في المصفوفة، لكل (1)
بالنسبة للمصفوفة القياسية، يتم تحديد مجال الرؤية بواسطة (2)
في الحالات التي تكون فيها العينة كبيرة جدًا بالنسبة لمجال رؤية الكاميرا، يمكن إنشاء صورة بتقسيمها إلى شبكة من الصور بحجم مجال الرؤية. يتم التقاط هذه الصور وفق نمط محدد، حيث تتحرك المنصة إلى موضع معين على الشبكة، ثم تستقر، وبعدها يتم التقاط الصورة. في كاميرات الغالق الدوار، هناك فترة انتظار إضافية أثناء دوران الغالق. يمكن التقاط هذه الصور بتحريك موضع الكاميرا ودمجها معًا. يوضح الشكل 3 صورة كبيرة لخلية بشرية تحت المجهر الفلوري، تم تكوينها بدمج 16 صورة أصغر.
الشكل 3: شريحة لخلية بشرية يتم التقاطها بواسطة كاميرا مسح المنطقة باستخدام تقنية التصوير بالبلاط والدمج.
بشكل عام، يتطلب الحصول على تفاصيل أدق إنشاء المزيد من الصور ودمجها معًا بهذه الطريقة. أحد الحلول لذلك هو استخداممسح ضوئي بكاميرا كبيرة الحجم، والتي تحتوي على مستشعرات كبيرة ذات عدد بكسلات عالٍ، بالإضافة إلى بصريات متخصصة، مما يسمح بالتقاط قدر أكبر من التفاصيل.
مقارنة بين تقنية TDI وتقنية مسح المنطقة (البلاط والخياطة)
لإجراء مسح ضوئي لمساحات واسعة من العينات، يُعد كل من مسح Tile & Stitch ومسح TDI حلولاً مناسبة، ولكن باختيار الطريقة الأمثل، يُمكن تقليل وقت المسح بشكل ملحوظ. ويتحقق هذا التوفير في الوقت بفضل قدرة مسح TDI على التقاط صورة للعينة المتحركة، مما يُزيل التأخيرات المرتبطة بضبط المنصة وتوقيت الغالق الدوار في تصوير Tile & Stitch.
يوضح الشكل 4 مقارنة بين نقاط التوقف (باللون الأخضر) والحركات (بالخطوط السوداء) اللازمة لالتقاط صورة لخلية بشرية في كلٍ من تقنية المسح بالبلاط والدمج (يسارًا) وتقنية التصوير الزمني الديناميكي (يمينًا). وبفضل الاستغناء عن الحاجة إلى إيقاف الصورة وإعادة ضبطها في التصوير الزمني الديناميكي، يُمكن تقليل زمن التصوير بشكل ملحوظ، شريطة أن يكون زمن التعريض منخفضًا (أقل من 100 مللي ثانية).
يوضح الجدول 2 مثالاً عملياً للمسح الضوئي بين كاميرا TDI بدقة 9k وكاميرا sCMOS قياسية.
الشكل 4: نمط مسح لالتقاط خلية بشرية تحت الفلورة يظهر التجانب والخياطة (يسار) والتصوير TDI (يمين).
الجدول 2: مقارنة بين مسح المنطقة والتصوير بتقنية TDI لعينة بحجم 15 × 15 مم باستخدام عدسة موضوعية 10x ووقت تعريض 10 مللي ثانية.
على الرغم من أن تقنية التصوير الزمني الديناميكي (TDI) توفر إمكانات هائلة لزيادة سرعة التقاط الصور، إلا أن استخدامها ينطوي على بعض التفاصيل الدقيقة. ففي حالة أوقات التعريض الطويلة (أكثر من 100 مللي ثانية)، تقل أهمية الوقت الضائع في تحريك الكاميرا واستقرارها أثناء مسح المنطقة مقارنةً بوقت التعريض. في مثل هذه الحالات، قد توفر كاميرات مسح المنطقة أوقات مسح أقصر مقارنةً بتقنية التصوير الزمني الديناميكي. لمعرفة ما إذا كانت تقنية التصوير الزمني الديناميكي (TDI) تُقدم لك مزايا مقارنةً بإعداداتك الحالية،اتصل بناللحصول على حاسبة مقارنة.
تطبيقات أخرى
تتطلب العديد من الأسئلة البحثية معلومات أكثر من مجرد صورة واحدة، مثل الحصول على صور متعددة القنوات أو متعددة التركيز.
تتضمن تقنية التصوير متعدد القنوات في كاميرا المسح المساحي التقاط الصور باستخدام أطوال موجية متعددة في آنٍ واحد. تتوافق هذه القنوات عادةً مع أطوال موجية مختلفة للضوء، مثل الأحمر والأخضر والأزرق. تلتقط كل قناة معلومات طيفية أو طول موجي محدد من المشهد. ثم تجمع الكاميرا هذه القنوات لتوليد صورة ملونة كاملة أو متعددة الأطياف، مما يوفر رؤية أشمل للمشهد بتفاصيل طيفية واضحة. في كاميرات المسح المساحي، يتم تحقيق ذلك من خلال تعريضات منفصلة، ولكن في تقنية التصوير TDI، يمكن استخدام مُقسِّم لفصل المستشعر إلى أجزاء متعددة. سيظل تقسيم مستشعر 9kTDI (45 مم) إلى 3 مستشعرات بحجم 15.0 مم أكبر من عرض المستشعر القياسي (6.5 ميكرومتر عرض البكسل، 2048 بكسل) البالغ 13.3 مم. علاوة على ذلك، بما أن تقنية TDI لا تتطلب سوى الإضاءة على جزء العينة المراد تصويرها، يمكن إجراء عمليات المسح بشكل أسرع.
يُعدّ التصوير متعدد البؤر مجالًا آخر قد ينطبق عليه هذا الأمر. يتضمن التصوير متعدد البؤر في كاميرات المسح المساحي التقاط صور متعددة على مسافات بؤرية مختلفة ودمجها لإنشاء صورة مركبة تُظهر المشهد بأكمله بوضوح تام. يعالج هذا الأسلوب اختلاف المسافات في المشهد من خلال تحليل ودمج المناطق الواضحة من كل صورة، مما ينتج عنه تمثيل أكثر تفصيلًا للصورة. ومرة أخرى، باستخدام...مقسمبتقسيم مستشعر TDI إلى جزأين (22.5 مم) أو ثلاثة أجزاء (15.0 مم)، قد يكون من الممكن الحصول على صورة متعددة البؤر بسرعة أكبر من المسح المساحي المكافئ. مع ذلك، بالنسبة للصور متعددة البؤر ذات الرتبة الأعلى (مجموعات z من 6 أو أكثر)، من المرجح أن يظل المسح المساحي أسرع تقنية تصوير.
الاستنتاجات
توضح هذه المذكرة الفنية الفروقات بين تقنية المسح المساحي وتقنية التصوير المقطعي الزمني (TDI) للمسح المساحي واسع النطاق. من خلال دمج المسح الخطي وحساسية مستشعر sCMOS، تُحقق تقنية TDI تصويرًا سريعًا وعالي الجودة دون انقطاع، متفوقةً بذلك على طرق المسح المساحي التقليدية مثل تقنية التجانب والدمج. قيّم مزايا استخدام حاسبتنا الإلكترونية، مع مراعاة الافتراضات المختلفة الموضحة في هذه الوثيقة. تُعد تقنية TDI أداةً فعّالة للتصوير بكفاءة عالية، ولها إمكانات كبيرة في تقليل أوقات التصوير في كلٍ من تقنيات التصوير القياسية والمتقدمة.إذا كنت ترغب في معرفة ما إذا كانت كاميرا TDI أو كاميرا المسح المساحي تناسب تطبيقك وتحسن وقت الالتقاط، فاتصل بنا اليوم.
