23/10/10Временното забавяне и интегриране (TDI) е метод за заснемане на изображения, изграден на принципа на линейното сканиране, при който се заснема серия от едномерни изображения, за да се генерира изображение чрез синхронизиране на движението на пробата и заснемане на срез от изображението чрез задействане. Въпреки че тази технология съществува от десетилетия, тя обикновено се свързва с приложения с ниска чувствителност, като например инспекция на уеб страници.
Ново поколение камери комбинира чувствителността на sCMOS технологията със скоростта на TDI технологията, за да предложи заснемане на изображения с качество, равностойно на това при сканиране на площ, но с потенциал за много по-бърза производителност. Това е особено очевидно в ситуации, когато е необходимо заснемане на големи проби при условия на слаба светлина. В тази техническа бележка ние описваме как работи TDI сканирането и сравняваме времето за заснемане на изображението със сравнима техника за сканиране на големи площи - tile & stitch imaging.
От линейно сканиране до TDI
Линейното сканиране е техника за изобразяване, която използва един ред от пиксели (наричан колона или сцена), за да се направи срез от изображението, докато пробата е в движение. С помощта на електрически задействащи механизми се прави срез от изображението, докато пробата преминава през сензора. Чрез мащабиране на честотата на задействане на камерата, за да се заснеме изображението в синхрон с движението на пробата, и използване на frame grabber за заснемане на тези изображения, те могат да бъдат сглобени, за да се реконструира изображението.
TDI обработката на изображения се основава на този принцип на заснемане на изображението на пробата, но използва множество етапи, за да увеличи броя на заснетите фотоелектрони. С преминаването на пробата през всеки етап се събира повече информация, която се добавя към съществуващите фотоелектрони, заснети от по-ранни етапи, и се разместват по подобен процес на CCD устройствата. С преминаването на пробата през последния етап, събраните фотоелектрони се изпращат към отчитащо устройство и интегрираният сигнал в целия диапазон се използва за генериране на срез от изображението. На Фигура 1 е показано заснемане на изображение на устройство с пет TDI колони (етапи).
Фигура 1: анимиран пример за заснемане на изображение с помощта на TDI технология. Проба (синьо T) се прекарва през TDI устройство за заснемане на изображения (колона от 5 пиксела, 5 TDI етапа) и фотоелектроните се улавят във всеки етап и се добавят към нивото на сигнала. Отчитането преобразува това в цифрово изображение.
1a: Изображението (синя буква Т) се въвежда на сцената; буквата Т е в движение, както е показано на устройството.
1б: Когато Т-образният сензор преминава през първия етап, TDI камерата се задейства, за да приема фотоелектрони, които се улавят от пикселите, когато те достигнат първия етап на TDI сензора. Всяка колона има серия от пиксели, които улавят фотоелектроните поотделно.
1в: Тези заловени фотоелектрони се преместват към втория етап, където всяка колона премества нивото на сигнала си към следващия етап.
1d: В синхрон с движението на пробата на разстояние един пиксел, на втори етап се улавя втори набор от фотоелектрони, които се добавят към преди това заснетите, увеличавайки сигнала. На етап 1 се улавя нов набор от фотоелектрони, съответстващ на следващия сегмент от заснемането на изображението.
1e: Процесите на заснемане на изображение, описани в етап 1d, се повтарят, докато изображението преминава покрай сензора. Това изгражда сигнал от фотоелектрони от етапите. Сигналът се предава към устройство за отчитане, което преобразува фотоелектронния сигнал в цифрово отчитане.
1f: Цифровото отчитане се показва като изображение колона по колона. Това позволява цифрова реконструкция на изображението.
Тъй като TDI устройството е способно едновременно да предава фотоелектрони от един етап към следващия и да улавя нови фотоелектрони от първия етап, докато пробата е в движение, изображението може да бъде ефективно безкрайно по отношение на броя на заснетите редове. Честотите на задействане, които определят броя пъти, в които се извършва заснемането на изображението (фиг. 1а), могат да бъдат от порядъка на стотици kHz.
В примера на Фигура 2, предметно стъкло за микроскоп с размери 29 x 17 мм е заснето за 10,1 секунди с помощта на 5 µm пикселна TDI камера. Дори при значителни нива на увеличение, нивото на размазване е минимално. Това представлява огромен напредък в сравнение с предишните поколения на тази технология.
За повече подробности, Таблица 1 показва представително време за изобразяване за серия от често срещани размери на пробите при 10, 20 и 40-кратно увеличение.
Фигура 2: Изображение на флуоресцентна проба, заснето с помощта на Tucsen 9kTDI. Експозиция 10 ms, време на заснемане 10,1 s.
Таблица 1: Матрица на времето за заснемане с различни размери на пробите (секунди), използвайки камера Tucsen 9kTDI на моторизирана маса Zaber серия MVR при 10, 20 и 40 x увеличение за време на експозиция 1 и 10 ms.
Изображения с площно сканиране
Площното сканиране на изображенията в sCMOS камерите включва едновременно заснемане на цялото изображение, използвайки двуизмерен масив от пиксели. Всеки пиксел улавя светлина, преобразувайки я в електрически сигнали за незабавна обработка и формирайки цялостно изображение с висока резолюция и скорост. Размерът на изображението, което може да бъде заснето с една експозиция, се определя от размера на пиксела, увеличението и броя на пикселите в масива, на (1)
За стандартен масив, полето на видимост е дадено от (2)
В случаите, когато дадена проба е твърде голяма за зрителното поле на камерата, изображението може да се конструира чрез разделяне на изображението на мрежа от изображения с размера на зрителното поле. Заснемането на тези изображения следва модел, при който платформата се премества до позиция върху мрежата, платформата се установява и след това изображението се заснема. При камерите с подвижен затвор има допълнително време за изчакване, докато затворът се върти. Тези изображения могат да бъдат заснети чрез преместване на позицията на камерата и съединяването им. Фигура 3 показва голямо изображение на човешка клетка под флуоресцентна микроскопия, образувано чрез съединяване на 16 по-малки изображения.
Фигура 3: Слайд на човешка клетка, заснетa от камера за сканиране на площ, използваща плоски и стичкови изображения.
Като цяло, разрешаването на по-големи детайли ще изисква генериране и сглобяване на повече изображения по този начин. Едно решение за това е използването насканиране с широкоформатна камера, който има големи сензори с висок брой пиксели, в съчетание със специализирана оптика, позволяващи заснемането на по-голямо количество детайли.
Сравнение между TDI и сканиране на площ (Tile & Stitch)
За сканиране на големи площи на проби, както Tile & Stitch, така и TDI сканирането са подходящи решения, но чрез избора на най-добрия метод е възможно значително да се намали времето, необходимо за сканиране на пробата. Това спестяване на време се генерира от способността на TDI сканирането да улавя движеща се проба; елиминирайки закъсненията, свързани с установяването на предметната маса и времето на подвижния затвор, характерни за Tile & Stitch сканирането.
Фигура 4 сравнява спиранията (зелено) и движенията (черни линии), необходими за заснемане на изображение на човешка клетка, както при сканиране с плочки и стичове (вляво), така и при TDI (дясно) сканиране. Чрез премахване на необходимостта от спиране и пренасочване на изображението при TDI изображения е възможно значително да се намали времето за изобразяване, при условие че времето на експозиция е кратко <100 ms.
Таблица 2 показва работен пример за сканиране между 9k TDI и стандартна sCMOS камера.
Фигура 4: Сканиращ мотив на заснемането на човешка клетка под флуоресценция, показващ плочки и шевове (вляво) и TDI изображения (вдясно).
Таблица 2: Сравнение на сканиране на площ и TDI изображения за проба 15 x 15 mm с обектив 10x и време на експозиция 10 ms.
Въпреки че TDI предлага фантастичен потенциал за повишена скорост на заснемане на изображения, има нюанси при използването на тази технология. При високи времена на експозиция (>100 ms), значението на времето, загубено за аспектите на движение и установяване при сканиране на площ, е намалено спрямо времето на експозиция. В такива случаи камерите за сканиране на площ може да предложат по-кратко време за сканиране в сравнение с TDI изображенията. За да видите дали TDI технологията може да ви предложи предимства пред текущата ви настройка,свържете се с насза калкулатор за сравнение.
Други приложения
Много изследователски въпроси изискват повече информация от едно-единствено изображение, като например многоканално или многофокусно получаване на изображения.
Многоканалното заснемане в камера с площно сканиране включва едновременно заснемане на изображения, използвайки множество дължини на вълните. Тези канали обикновено съответстват на различни дължини на вълните на светлината, като червено, зелено и синьо. Всеки канал улавя специфична дължина на вълната или спектрална информация от сцената. След това камерата комбинира тези канали, за да генерира пълноцветно или мултиспектрално изображение, предоставяйки по-цялостен изглед на сцената с отчетливи спектрални детайли. При камерите с площно сканиране това се постига чрез дискретни експозиции, но при TDI заснемане може да се използва разделител за разделяне на сензора на няколко части. Разделянето на 9kTDI (45 mm) на 3 x 15,0 mm сензора все пак ще бъде по-голямо от стандартен сензор (ширина на пиксела 6,5 µm, 2048 пиксела) с ширина 13,3 mm. Освен това, тъй като TDI изисква осветяване само на частта от изобразяваната проба, сканирането може да се извършва по-бързо.
Друга област, в която това може да е така, е многофокусното изобразяване. Многофокусното изобразяване в камерите с площно сканиране включва заснемане на множество изображения на различни фокусни разстояния и смесването им, за да се създаде композитно изображение с цялата сцена в остър фокус. То разглежда различните разстояния в сцената чрез анализ и комбиниране на области във фокус от всяко изображение, което води до по-детайлно представяне на изображението. Отново, чрез използване наразделителЗа да се раздели TDI сензорът на две (22,5 мм) или три (15,0 мм) части, може да е възможно да се получи многофокусно изображение по-бързо от еквивалентно сканиране на площ. За многофокус от по-висок порядък (z-стекове от 6 или повече) обаче сканирането на площ вероятно ще остане най-бързата техника за изобразяване.
Заключения
Тази техническа бележка очертава разликите между сканирането на площи и TDI технологията за сканиране на големи площи. Чрез комбиниране на линейно сканиране и sCMOS чувствителност, TDI постига бързо и висококачествено изображение без прекъсвания, надминавайки традиционните методи за сканиране на площи, като например „плоскостно и стичково“ сканиране. Оценете предимствата от използването на нашия онлайн калкулатор, като вземете предвид различните допускания, описани в този документ. TDI е мощен инструмент за ефективно сканиране с голям потенциал за намаляване на времето за обработка на изображения както при стандартни, така и при усъвършенствани техники за обработка на изображения.Ако искате да видите дали TDI камера или камера за сканиране на площ може да отговаря на вашето приложение и да подобри времето за заснемане, свържете се с нас още днес.
