23.10.2010.Vremensko kašnjenje i integracija (TDI) je metoda snimanja slike izgrađena na principu linijskog skeniranja, gdje se snima niz jednodimenzionalnih slika kako bi se generirala slika mjerenjem vremena kretanja uzorka i snimanjem sloja slike okidanjem. Iako ova tehnologija postoji već decenijama, obično se povezuje s primjenama niske osjetljivosti, kao što je inspekcija weba.
Nova generacija kamera kombinuje osjetljivost sCMOS-a sa brzinom TDI-ja kako bi ponudila snimanje slike istog kvaliteta kao i skeniranje površine, ali sa potencijalom za znatno brži protok. Ovo je posebno očigledno u situacijama kada je potrebno snimanje velikih uzoraka u uslovima slabog osvjetljenja. U ovoj tehničkoj napomeni opisujemo kako funkcioniše TDI skeniranje i upoređujemo vrijeme snimanja slike sa uporedivom tehnikom skeniranja velikih površina, snimanjem popločanih i stitch efekata.
Od linijskog skeniranja do TDI-a
Linijsko skeniranje slike je tehnika snimanja koja koristi jednu liniju piksela (koja se naziva kolona ili pozornica) za snimanje dijela slike dok se uzorak kreće. Korištenjem električnih mehanizama okidanja, jedan 'dijelak' slike se snima dok uzorak prolazi pored senzora. Skaliranjem brzine okidanja kamere kako bi se snimila slika u skladu s kretanjem uzorka i korištenjem hvatača kadrova za snimanje ovih slika, one se mogu spojiti kako bi se rekonstruirala slika.
TDI snimanje se zasniva na ovom principu snimanja slike uzorka, međutim, koristi više faza kako bi se povećao broj snimljenih fotoelektrona. Kako uzorak prolazi kroz svaku fazu, prikuplja se više informacija koje se dodaju postojećim fotoelektronima snimljenim u ranijim fazama i miješaju na sličan način kao kod CCD uređaja. Kako uzorak prolazi kroz završnu fazu, prikupljeni fotoelektroni se šalju na očitavanje, a integrirani signal u cijelom rasponu se koristi za generiranje presjeka slike. Na slici 1 prikazano je snimanje slike na uređaju s pet TDI kolona (faza).
Slika 1: animirani primjer snimanja slike korištenjem TDI tehnologije. Uzorak (plavo T) se propušta preko TDI uređaja za snimanje slike (kolona od 5 piksela, 5 TDI faza), a fotoelektroni se hvataju u svakoj fazi i dodaju nivou signala. Očitavanje ovo pretvara u digitalnu sliku.
1a: Slika (plavo T) se uvodi na pozornicu; T se kreće kao što je prikazano na uređaju.
1b: Kako T prolazi prvu fazu, TDI kamera se aktivira da prihvati fotoelektrone koje hvataju pikseli kada udare u prvu fazu na TDI senzoru. Svaka kolona ima niz piksela koji pojedinačno hvataju fotoelektrone.
1c: Ovi zarobljeni fotoelektroni se prebacuju u drugu fazu, gdje svaka kolona pomiče svoj nivo signala u sljedeću fazu.
1d: U skladu s kretanjem uzorka za udaljenost od jednog piksela, u drugoj fazi se hvata drugi set fotoelektrona i dodaje se prethodno snimljenima, povećavajući signal. U prvoj fazi se hvata novi set fotoelektrona, koji odgovara sljedećem dijelu snimljene slike.
1e: Procesi snimanja slike opisani u fazi 1d se ponavljaju dok se slika kreće pored senzora. Ovo stvara signal od fotoelektrona iz faza. Signal se prenosi u očitavač, koji pretvara signal fotoelektrona u digitalni očitavač.
1f: Digitalni očitani rezultat se prikazuje kao slika kolonu po kolonu. Ovo omogućava digitalnu rekonstrukciju slike.
Budući da TDI uređaj može istovremeno propuštati fotoelektrone iz jedne faze u drugu i snimati nove fotoelektrone iz prve faze dok se uzorak kreće, slika može biti efektivno beskonačna u broju snimljenih redova. Brzine okidanja, koje određuju broj snimanja slike (slika 1a), mogu biti reda veličine stotina kHz.
U primjeru sa Slike 2, mikroskopsko staklo dimenzija 29 x 17 mm snimljeno je za 10,1 sekundi korištenjem TDI kamere s pikselima od 5 µm. Čak i pri značajnim nivoima zumiranja, nivo zamućenja je minimalan. Ovo predstavlja ogroman napredak u odnosu na prethodne generacije ove tehnologije.
Za više detalja, Tabela 1 prikazuje reprezentativno vrijeme snimanja za niz uobičajenih veličina uzoraka pri zumu od 10, 20 i 40x.
Slika 2: Slika fluorescentnog uzorka snimljena pomoću Tucsen 9kTDI. Ekspozicija 10 ms, vrijeme snimanja 10,1 s.
Tabela 1: Matrica vremena snimanja različitih veličina uzoraka (sekunde) korištenjem Tucsen 9kTDI kamere na motoriziranom stoliću Zaber MVR serije pri uvećanjima od 10, 20 i 40 x za vrijeme ekspozicije od 1 i 10 ms.
Skeniranje područja
Skeniranje područja u sCMOS kamerama uključuje istovremeno snimanje cijele slike korištenjem dvodimenzionalnog niza piksela. Svaki piksel hvata svjetlost, pretvarajući je u električne signale za trenutnu obradu i formirajući kompletnu sliku visoke rezolucije i brzine. Veličina slike koja se može snimiti u jednoj ekspoziciji određena je veličinom piksela, uvećanjem i brojem piksela u nizu, po (1)
Za standardni niz, vidno polje je dato sa (2)
U slučajevima kada je uzorak prevelik za vidno polje kamere, slika se može konstruirati odvajanjem slike u mrežu slika veličine vidnog polja. Snimanje ovih slika slijedi obrazac, gdje će se stolić pomaknuti na određenu poziciju na mreži, stolić će se smiriti, a zatim će se slika snimiti. Kod kamera sa rolling shutterom postoji dodatno vrijeme čekanja dok se zatvarač okreće. Ove slike se mogu snimiti pomicanjem položaja kamere i njihovim spajanjem. Slika 3 prikazuje veliku sliku ljudske ćelije pod fluorescentnom mikroskopijom formiranu spajanjem 16 manjih slika.
Slika 3: Slajd ljudske ćelije snimljen kamerom za skeniranje područja korištenjem tehnike tile & stitch snimanja.
Općenito, razrješavanje većih detalja zahtijevat će generiranje i spajanje više slika na ovaj način. Jedno rješenje za ovo je korištenjeskeniranje kamerom velikog formata, koji ima velike senzore s visokim brojem piksela, zajedno sa specijaliziranom optikom, što omogućava snimanje veće količine detalja.
Poređenje između TDI i površinskog skeniranja (Tile & Stitch)
Za skeniranje uzoraka velikih površina, i Tile & Stitch i TDI skeniranje su odgovarajuća rješenja, međutim, odabirom najbolje metode moguće je značajno smanjiti vrijeme potrebno za skeniranje uzorka. Ova ušteda vremena generira se sposobnošću TDI skeniranja da snimi uzorak u pokretu; uklanjajući kašnjenja povezana sa smirivanjem stolića i vremenom pomicanja zatvarača povezanim sa snimanjem Tile & Stitch metodom.
Slika 4 upoređuje zaustavljanja (zeleno) i pokrete (crne linije) potrebne za snimanje slike ljudske ćelije i kod skeniranja po principu "tile & stitch" (lijevo) i kod TDI (desno) skeniranja. Uklanjanjem potrebe za zaustavljanjem i poravnavanjem slike kod TDI snimanja, moguće je značajno smanjiti vrijeme snimanja, pod uslovom da je vrijeme ekspozicije kratko <100 ms.
Tabela 2 prikazuje radni primjer skeniranja između 9k TDI i standardne sCMOS kamere.
Slika 4: Skenirajući motiv snimanja ljudske ćelije pod fluorescentnim efektom koji prikazuje snimanje pločica i šavova (lijevo) i TDI snimanje (desno).
Tabela 2: Poređenje površinskog skeniranja i TDI snimanja za uzorak dimenzija 15 x 15 mm sa objektivom uvećanja 10x i vremenom ekspozicije od 10 ms.
Iako TDI nudi fantastičan potencijal za povećanje brzine snimanja slika, postoje nijanse u korištenju ove tehnologije. Za duga vremena ekspozicije (>100 ms), značaj vremena izgubljenog zbog aspekata kretanja i smirivanja skeniranja područja smanjuje se u odnosu na vrijeme ekspozicije. U takvim slučajevima, kamere za skeniranje područja mogu ponuditi skraćeno vrijeme skeniranja u poređenju sa TDI snimanjem. Da biste vidjeli da li vam TDI tehnologija može ponuditi prednosti u odnosu na vašu trenutnu postavku,kontaktirajte nasza kalkulator za poređenje.
Druge primjene
Mnoga istraživačka pitanja zahtijevaju više informacija od jedne slike, kao što je akvizicija višekanalnih ili višefokusnih slika.
Višekanalno snimanje u kameri za skeniranje područja uključuje istovremeno snimanje slika korištenjem više talasnih dužina. Ovi kanali obično odgovaraju različitim talasnim dužinama svjetlosti, kao što su crvena, zelena i plava. Svaki kanal snima specifičnu talasnu dužinu ili spektralne informacije sa scene. Kamera zatim kombinuje ove kanale kako bi generisala sliku u punoj boji ili multispektralnu sliku, pružajući sveobuhvatniji prikaz scene sa izraženim spektralnim detaljima. Kod kamera za skeniranje područja, ovo se postiže diskretnim ekspozicijama, međutim, kod TDI snimanja, razdjelnik se može koristiti za odvajanje senzora na više dijelova. Podjela 9kTDI (45 mm) na 3 x 15,0 mm senzora i dalje će biti veća od standardnog senzora (širine piksela 6,5 µm, 2048 piksela) širine 13,3 mm. Štaviše, budući da TDI zahtijeva osvjetljenje samo na dijelu uzorka koji se snima, skeniranje se može brže ciklirati.
Drugo područje gdje bi ovo mogao biti slučaj je višefokusno snimanje. Višefokusno snimanje u kamerama za skeniranje područja uključuje snimanje više slika na različitim udaljenostima fokusa i njihovo miješanje kako bi se stvorila kompozitna slika s cijelom scenom u oštrom fokusu. Obrađuje različite udaljenosti u sceni analizirajući i kombinirajući područja u fokusu sa svake slike, što rezultira detaljnijim prikazom slike. Opet, korištenjem...razdjelnikPodjelom TDI senzora na dva (22,5 mm) ili tri (15,0 mm) dijela, moguće je brže dobiti multifokusnu sliku nego ekvivalentnim površinskim skeniranjem. Međutim, za multifokus višeg reda (z-nizovi od 6 ili više), površinsko skeniranje će vjerovatno ostati najbrža tehnika snimanja.
Zaključci
Ova tehnička napomena opisuje razlike između površinskog skeniranja i TDI tehnologije za skeniranje velikih površina. Spajanjem linijskog skeniranja i sCMOS osjetljivosti, TDI postiže brzo, visokokvalitetno snimanje bez prekida, nadmašujući tradicionalne metode površinskog skeniranja poput popločavanja i spajanja. Procijenite prednosti korištenja našeg online kalkulatora, uzimajući u obzir različite pretpostavke navedene u ovom dokumentu. TDI predstavlja moćan alat za efikasno snimanje s velikim potencijalom za smanjenje vremena snimanja i kod standardnih i kod naprednih tehnika snimanja.Ako želite vidjeti da li TDI kamera ili kamera za skeniranje područja može odgovarati vašoj primjeni i poboljšati vrijeme snimanja, kontaktirajte nas još danas.
