23/10/10تقنية التأخير الزمني والتكامل (TDI) هي طريقة لالتقاط الصور مبنية على مبدأ المسح الخطي، حيث تُلتقط سلسلة من الصور أحادية البعد لتوليد صورة عن طريق توقيت حركة العينة والتقاط شريحة الصورة عن طريق التشغيل. على الرغم من أن هذه التقنية موجودة منذ عقود، إلا أنها عادةً ما تُربط بالتطبيقات منخفضة الحساسية، مثل فحص الويب.
جمع جيل جديد من الكاميرات حساسية sCMOS وسرعة TDI لتوفير التقاط صور بجودة مساوية لمسح المساحة، مع إمكانية تحقيق إنتاجية أسرع بكثير. ويتجلى هذا بشكل خاص في الحالات التي تتطلب تصوير عينات كبيرة في ظروف الإضاءة المنخفضة. في هذه المذكرة الفنية، نوضح آلية عمل مسح TDI، ونقارن وقت التقاط الصورة بتقنية مسح مساحة كبيرة مماثلة، وهي التصوير بالبلاط والغرز.
من مسح الخط إلى TDI
التصوير المسحي الخطي هو تقنية تصوير تستخدم خطًا واحدًا من وحدات البكسل (يُشار إليه بالعمود أو المرحلة) لالتقاط شريحة من الصورة أثناء حركة العينة. باستخدام آليات التشغيل الكهربائي، تُلتقط شريحة واحدة من الصورة أثناء مرور العينة بالمستشعر. بضبط معدل تشغيل الكاميرا لالتقاط الصورة بالتزامن مع حركة العينة، واستخدام مُلتقط إطارات لالتقاط هذه الصور، يمكن دمجها معًا لإعادة بناء الصورة.
يعتمد تصوير TDI على مبدأ التقاط صورة العينة، ولكنه يستخدم مراحل متعددة لزيادة عدد الإلكترونات الضوئية الملتقطة. مع اجتياز العينة لكل مرحلة، تُجمع معلومات إضافية وتُضاف إلى الإلكترونات الضوئية الموجودة الملتقطة في المراحل السابقة، وتُخلط بطريقة مشابهة لأجهزة CCD. مع اجتياز العينة للمرحلة النهائية، تُرسل الإلكترونات الضوئية المجمعة إلى شاشة القراءة، وتُستخدم الإشارة المدمجة عبر النطاق لتوليد شريحة صورة. يوضح الشكل 1 عملية التقاط الصورة على جهاز بخمسة أعمدة (مراحل) TDI.
الشكل 1: مثال متحرك لالتقاط الصور باستخدام تقنية TDI. تُمرَّر عينة (رمز T أزرق) عبر جهاز التقاط صور TDI (عمود من 5 بكسلات، 5 مراحل TDI)، وتُلتقط الإلكترونات الضوئية في كل مرحلة وتُضاف إلى مستوى الإشارة. تُحوِّل القراءة هذه الصورة إلى صورة رقمية.
1أ: يتم تقديم الصورة (T باللون الأزرق) إلى المسرح؛ ويكون الحرف T في حالة حركة كما هو موضح على الجهاز.
١ب: عند اجتياز T المرحلة الأولى، تُحفَّز كاميرا TDI لاستقبال الإلكترونات الضوئية التي تلتقطها البكسلات عند وصولها إلى المرحلة 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 إشارته إلى المرحلة التالية.
١د: بالتزامن مع حركة العينة لمسافة بكسل واحد، تُلتقط مجموعة ثانية من الإلكترونات الضوئية في المرحلة الثانية، وتُضاف إلى تلك الملتقطة سابقًا، مما يزيد من قوة الإشارة. في المرحلة الأولى، تُلتقط مجموعة جديدة من الإلكترونات الضوئية، تتوافق مع الشريحة التالية من التقاط الصورة.
١هـ: تتكرر عمليات التقاط الصورة الموضحة في المرحلة ١د أثناء مرور الصورة عبر المستشعر. يؤدي هذا إلى بناء إشارة من الإلكترونات الضوئية من المراحل. تُمرر الإشارة إلى قارئ، والذي بدوره يُحوّل إشارة الإلكترونات الضوئية إلى قراءة رقمية.
١ف: تُعرض القراءة الرقمية كصورة عمودًا تلو الآخر. هذا يسمح بإعادة بناء الصورة رقميًا.
بما أن جهاز TDI قادر على تمرير إلكترونات ضوئية من مرحلة إلى أخرى في آنٍ واحد، والتقاط إلكترونات ضوئية جديدة من المرحلة الأولى أثناء حركة العينة، يمكن أن تكون الصورة الملتقطة لا نهائية فعليًا من حيث عدد الصفوف. يمكن أن تصل معدلات التحفيز، التي تحدد عدد مرات التقاط الصورة (الشكل 1أ)، إلى مئات الكيلوهرتز.
في المثال الموضح في الشكل 2، تم التقاط شريحة مجهر بأبعاد 29 × 17 مم في 10.1 ثانية باستخدام كاميرا TDI بدقة 5 ميكرومتر. حتى عند مستويات تكبير عالية، يكون مستوى التشويش ضئيلاً. وهذا يمثل تقدماً هائلاً مقارنةً بالأجيال السابقة من هذه التقنية.
لمزيد من التفاصيل، يوضح الجدول 1 وقت التصوير التمثيلي لسلسلة من أحجام العينات الشائعة عند تكبير 10 و20 و40 ×.
الشكل ٢: صورة لعينة فلورية مُلتقطة باستخدام كاميرا Tucsen 9kTDI. مدة التعرض ١٠ مللي ثانية، وزمن الالتقاط ١٠.١ ثانية.
الجدول 1: مصفوفة وقت التقاط أحجام عينات مختلفة (ثواني) باستخدام كاميرا Tucsen 9kTDI على مرحلة آلية من سلسلة Zaber MVR عند 10 و20 و40 × لمدة تعرض 1 و10 مللي ثانية.
تصوير مسح المنطقة
يتضمن تصوير مسح المنطقة في كاميرات sCMOS التقاط صورة كاملة في آنٍ واحد باستخدام مصفوفة ثنائية الأبعاد من وحدات البكسل. تلتقط كل وحدة بكسل الضوء، وتحوله إلى إشارات كهربائية للمعالجة الفورية، وتكوين صورة كاملة بدقة وسرعة عاليتين. ويعتمد حجم الصورة التي يمكن التقاطها في تعريض واحد على حجم البكسل، والتكبير، وعدد وحدات البكسل 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. يتبع التقاط هذه الصور نمطًا معينًا، حيث تتحرك المنصة إلى موضع على الشبكة، ثم تستقر، ثم تُلتقط الصورة. في كاميرات الغالق الدوار، هناك وقت انتظار إضافي أثناء دوران الغالق. يمكن التقاط هذه الصور بتحريك موضع الكاميرا وربطها معًا. يوضح الشكل 3 صورة كبيرة لخلية بشرية تحت المجهر الفلوري، مُكوّنة من ربط 16 صورة أصغر معًا.
الشكل 3: شريحة من خلية بشرية تم التقاطها بواسطة كاميرا مسح المنطقة باستخدام تقنية التصوير بالبلاط والغرز.
بشكل عام، يتطلب حل التفاصيل الكبيرة إنشاء المزيد من الصور ودمجها معًا بهذه الطريقة. أحد الحلول لذلك هو استخداممسح الكاميرا ذات التنسيق الكبير، والتي تحتوي على أجهزة استشعار كبيرة مع عدد كبير من وحدات البكسل، جنبًا إلى جنب مع البصريات المتخصصة، مما يسمح بالتقاط كمية أكبر من التفاصيل.
مقارنة بين TDI ومسح المنطقة (Tile & Stitch)
لمسح مساحات واسعة للعينات، يُعدّ مسح البلاط والخياطة (TDI) ومسح TDI حلين مناسبين. ومع ذلك، باختيار الطريقة الأمثل، يُمكن تقليل الوقت اللازم لمسح العينة بشكل ملحوظ. ويعود هذا التوفير في الوقت إلى قدرة مسح TDI على التقاط عينة متحركة، مما يُزيل التأخيرات المرتبطة بترسيب الطبقة وتوقيت الغالق الدوار المرتبط بتصوير البلاط والخياطة.
يقارن الشكل 4 بين التوقفات (باللون الأخضر) والحركات (بالخطوط السوداء) اللازمة لالتقاط صورة لخلية بشرية في كلٍّ من مسح التبليط والخياطة (على اليسار) ومسح TDI (على اليمين). بإلغاء الحاجة إلى إيقاف الصورة وإعادة محاذاتها في تصوير TDI، يُمكن تقليل وقت التصوير بشكل ملحوظ، شريطة أن يكون وقت التعرض منخفضًا (أقل من 100 مللي ثانية).
يوضح الجدول 2 مثالاً عمليًا للمسح بين كاميرا 9k TDI وكاميرا sCMOS قياسية.
الشكل 4: نموذج مسح لالتقاط خلية بشرية تحت الفلورسنت يظهر البلاط والغرزة (يسار) وتصوير TDI (يمين).
الجدول 2: مقارنة بين مسح المنطقة وتصوير TDI لعينة بحجم 15 × 15 مم مع عدسة موضوعية 10x ووقت تعرض 10 مللي ثانية.
على الرغم من أن تقنية TDI توفر إمكانات رائعة لزيادة سرعة التقاط الصور، إلا أن هناك فروقًا دقيقة في استخدامها. فعند أزمنة التعرض العالية (أكثر من 100 مللي ثانية)، تقل أهمية الوقت الضائع في جوانب الحركة والاستقرار في مسح المنطقة مقارنةً بأزمنة التعرض. في هذه الحالات، قد توفر كاميرات مسح المنطقة أزمنة مسح أقل مقارنةً بتصوير TDI. لمعرفة ما إذا كانت تقنية TDI تقدم لك مزايا مقارنةً بإعداداتك الحالية،اتصل بنالحاسبة المقارنة.
تطبيقات أخرى
تتطلب العديد من أسئلة البحث معلومات أكثر من صورة واحدة، مثل الحصول على صورة متعددة القنوات أو متعددة التركيز.
يتضمن التصوير متعدد القنوات في كاميرا مسح المنطقة التقاط صور باستخدام أطوال موجية متعددة في وقت واحد. تتوافق هذه القنوات عادةً مع أطوال موجية مختلفة من الضوء، مثل الأحمر والأخضر والأزرق. تلتقط كل قناة طولًا موجيًا محددًا أو معلومات طيفية من المشهد. ثم تجمع الكاميرا هذه القنوات لتوليد صورة كاملة الألوان أو متعددة الأطياف، مما يوفر رؤية أكثر شمولاً للمشهد بتفاصيل طيفية مميزة. في كاميرات مسح المنطقة، يتحقق ذلك من خلال تعريضات منفصلة، ومع ذلك، مع تصوير TDI، يمكن استخدام مقسم لفصل المستشعر إلى أجزاء متعددة. سيظل تقسيم 9kTDI (45 مم) إلى 3 مستشعرات × 15.0 مم أكبر من المستشعر القياسي (6.5 ميكرومتر عرض البكسل، 2048 بكسل) بعرض 13.3 مم. علاوة على ذلك، نظرًا لأن TDI لا يتطلب سوى الإضاءة على جزء العينة التي يتم تصويرها، يمكن تدوير عمليات المسح بشكل أسرع.
مجال آخر قد ينطبق عليه هذا هو التصوير متعدد البؤر. يتضمن التصوير متعدد البؤر في كاميرات مسح المنطقة التقاط صور متعددة على مسافات تركيز مختلفة ودمجها لإنشاء صورة مركبة مع تركيز حاد للمشهد بأكمله. يعالج هذا التصوير المسافات المتفاوتة في المشهد من خلال تحليل ودمج مناطق التركيز من كل صورة، مما ينتج عنه تمثيل أكثر تفصيلاً للصورة. مرة أخرى، باستخدامالفاصللتقسيم مستشعر TDI إلى قطعتين (22.5 مم) أو ثلاث قطع (15.0 مم)، قد يكون من الممكن الحصول على صورة متعددة البؤر أسرع من نظيرتها باستخدام مسح المنطقة. مع ذلك، بالنسبة للبؤر المتعددة عالية الدرجة (مجموعات z من 6 أو أكثر)، يُرجَّح أن يظل مسح المنطقة أسرع تقنية تصوير.
الاستنتاجات
توضح هذه المذكرة الفنية الفروق بين مسح المنطقة وتقنية TDI لمسح المناطق الواسعة. من خلال دمج مسح الخطوط وحساسية sCMOS، تُحقق تقنية TDI تصويرًا سريعًا وعالي الجودة دون انقطاع، متفوقةً بذلك على طرق مسح المنطقة التقليدية مثل تقنية التبليط والخياطة. قيّم مزايا استخدام حاسبتنا الإلكترونية، مع مراعاة مختلف الافتراضات الموضحة في هذه الوثيقة. تُعدّ تقنية TDI أداةً فعّالة للتصوير الفعّال، مع إمكانات كبيرة لتقليل أوقات التصوير في تقنيات التصوير القياسية والمتقدمة.إذا كنت ترغب في معرفة ما إذا كانت كاميرا TDI أو كاميرا المسح الضوئي للمنطقة قادرة على مطابقة تطبيقك وتحسين وقت الالتقاط الخاص بك، فاتصل بنا اليوم.
