23/10/10El retard i la integració de temps (TDI) és un mètode de captura d'imatges basat en el principi de l'escaneig lineal, on es captura una sèrie d'imatges unidimensionals per generar una imatge mitjançant el temps de moviment de la mostra i la captura de talls d'imatge mitjançant el disparador. Tot i que aquesta tecnologia existeix des de fa dècades, s'ha associat típicament amb aplicacions de baixa sensibilitat, com ara la inspecció web.
Una nova generació de càmeres ha combinat la sensibilitat del sCMOS amb la velocitat del TDI per oferir una captura d'imatges de la mateixa qualitat que l'escaneig d'àrea, però amb el potencial d'un rendiment d'ordres de magnitud més ràpid. Això és particularment evident en situacions on es requereixen imatges de mostres grans en condicions de poca llum. En aquesta nota tècnica, descrivim com funciona l'escaneig TDI i comparem el temps de captura d'imatges amb una tècnica d'escaneig d'àrea gran comparable, la imatge de tessel·les i puntades.
De l'escaneig lineal al TDI
La imatge per escaneig lineal és una tècnica d'imatge que utilitza una sola línia de píxels (anomenada columna o etapa) per prendre una porció d'una imatge mentre una mostra està en moviment. Mitjançant mecanismes de disparador elèctric, es pren una sola "porció" d'una imatge a mesura que la mostra passa pel sensor. En escalar la velocitat de disparador de la càmera per capturar la imatge al ritme del moviment de la mostra i utilitzar un dispositiu de captura de fotogrames per capturar aquestes imatges, es poden unir per reconstruir la imatge.
La imatge TDI es basa en aquest principi de captura d'imatges d'una mostra, però utilitza múltiples etapes per augmentar el nombre de fotoelectrons capturats. A mesura que la mostra passa per cada etapa, es recopila més informació i s'afegeix als fotoelectrons existents capturats per etapes anteriors i barrejats en un procés similar als dispositius CCD. A mesura que la mostra passa per l'etapa final, els fotoelectrons recollits s'envien a un lector i el senyal integrat a tot el rang s'utilitza per generar un tall d'imatge. A la Figura 1 es mostra la captura d'imatges en un dispositiu amb cinc columnes TDI (etapes).
Figura 1: un exemple animat de captura d'imatges mitjançant tecnologia TDI. Una mostra (T blava) es passa per un dispositiu de captura d'imatges TDI (una columna de 5 píxels, 5 etapes TDI) i es capturen fotoelectrons a cada etapa i s'afegeixen al nivell del senyal. Una lectura converteix això en una imatge digital.
1a: La imatge (una T blava) s'introdueix a l'escenari; la T està en moviment tal com es mostra al dispositiu.
1b: Quan la T passa la primera etapa, la càmera TDI s'activa per acceptar fotoelectrons que són capturats pels píxels quan arriben a la primera etapa del sensor TDI. Cada columna té una sèrie de píxels que capturen fotoelectrons individualment.
1c: Aquests fotoelectrons capturats es barregen a la segona etapa, on cada columna impulsa el seu nivell de senyal a la següent etapa.
1d: Al mateix temps que el moviment de la mostra a una distància d'un píxel, es captura un segon conjunt de fotoelectrons a la segona etapa i s'afegeix als capturats anteriorment, augmentant el senyal. A l'etapa 1, es captura un nou conjunt de fotoelectrons, corresponent a la següent porció de captura d'imatge.
1e: Els processos de captura d'imatges descrits a la fase 1d es repeteixen a mesura que la imatge passa pel sensor. Això crea un senyal a partir de fotoelectrons de les etapes. El senyal es passa a un lector, que converteix el senyal fotoelectrònic en una lectura digital.
1f: La lectura digital es mostra com una imatge columna per columna. Això permet la reconstrucció digital d'una imatge.
Com que el dispositiu TDI és capaç de passar simultàniament fotoelectrons d'una etapa a la següent i capturar nous fotoelectrons de la primera etapa mentre la mostra està en moviment, la imatge pot ser pràcticament infinita en el nombre de files capturades. Les taxes de disparador, que determinen el nombre de vegades que es produeix la captura d'imatges (fig. 1a), poden ser de l'ordre de centenars de kHz.
A l'exemple de la Figura 2, es va capturar un portaobjectes de microscopi de 29 x 17 mm en 10,1 segons amb una càmera TDI de 5 µm de píxels. Fins i tot amb nivells de zoom significatius, el nivell de desenfocament és mínim. Això representa un gran avenç respecte a les generacions anteriors d'aquesta tecnologia.
Per a més detalls, la Taula 1 mostra un temps d'imatge representatiu per a una sèrie de mides de mostra comunes amb zoom de 10, 20 i 40 augments.
Figura 2: Imatge d'una mostra fluorescent capturada amb un Tucsen 9kTDI. Exposició 10 ms, temps de captura 10,1 s.
Taula 1: Matriu de temps de captura de diferents mides de mostra (segons) utilitzant una càmera Tucsen 9kTDI en una platina motoritzada Zaber de la sèrie MVR a 10, 20 i 40 x per a un temps d'exposició d'1 i 10 ms.
Imatges d'escaneig d'àrea
La imatge d'escaneig d'àrea en càmeres sCMOS implica capturar una imatge sencera simultàniament utilitzant una matriu bidimensional de píxels. Cada píxel captura la llum, la converteix en senyals elèctrics per al seu processament immediat i forma una imatge completa amb alta resolució i velocitat. La mida d'una imatge que es pot capturar en una sola exposició es regeix per la mida del píxel, l'augment i el nombre de píxels d'una matriu, per (1)
Per a una matriu estàndard, el camp de visió ve donat per (2)
En els casos en què una mostra és massa gran per al camp de visió d'una càmera, es pot construir una imatge separant la imatge en una graella d'imatges de la mida del camp de visió. La captura d'aquestes imatges segueix un patró, on la platina es mou a una posició de la graella, la platina s'estabilitza i després la imatge es captura. En les càmeres amb obturador giratori, hi ha un temps d'espera addicional mentre l'obturador gira. Aquestes imatges es poden capturar movent la posició de la càmera i unint-les. La figura 3 mostra una imatge gran d'una cèl·lula humana sota microscòpia de fluorescència formada unint 16 imatges més petites.
Figura 3: Una diapositiva d'una cèl·lula humana capturada per una càmera d'escaneig d'àrea mitjançant imatges de tessel·les i punts.
En general, per resoldre més detalls caldrà generar i unir més imatges d'aquesta manera. Una solució per a això és emprarescaneig de càmera de gran format, que té sensors grans amb un nombre elevat de píxels, juntament amb òptiques especialitzades, que permeten capturar una major quantitat de detall.
Comparació entre TDI i escaneig d'àrea (Tile & Stitch)
Per a l'escaneig de mostres de grans àrees, tant l'escaneig Tile & Stitch com l'escaneig TDI són solucions adequades, però seleccionant el millor mètode, és possible reduir significativament el temps necessari per escanejar una mostra. Aquest estalvi de temps es genera per la capacitat de l'escaneig TDI per capturar una mostra en moviment; eliminant els retards associats amb l'assentament de l'etapa i el temps de l'obturador rodant associat a les imatges de tile & stitch.
La figura 4 compara les aturades (verd) i els moviments (línies negres) necessaris per capturar una imatge d'una cèl·lula humana tant en l'escaneig de mosaic i unió (esquerra) com en l'escaneig TDI (dreta). En eliminar la necessitat d'aturar i realinear la imatge en les imatges TDI, és possible reduir significativament el temps d'obtenció d'imatges, sempre que el temps d'exposició sigui baix, <100 ms.
La taula 2 mostra un exemple pràctic d'escaneig entre una càmera TDI de 9k i una càmera sCMOS estàndard.
Figura 4: Un motiu d'escaneig de la captura d'una cèl·lula humana sota fluorescència que mostra imatges de tessel·la i puntada (esquerra) i TDI (dreta).
Taula 2: Comparació de l'escaneig d'àrea i la imatge TDI per a una mostra de 15 x 15 mm amb una lent objectiu de 10x i un temps d'exposició de 10 ms.
Tot i que la TDI ofereix un potencial fantàstic per augmentar la velocitat de captura d'imatges, hi ha matisos en l'ús d'aquesta tecnologia. Per a temps d'exposició elevats (>100 ms), la importància del temps perdut en els aspectes de moviment i assentament de l'escaneig d'àrea es redueix en relació amb el temps d'exposició. En aquests casos, les càmeres d'escaneig d'àrea poden oferir temps d'escaneig reduïts en comparació amb les imatges TDI. Per veure si la tecnologia TDI us pot oferir avantatges respecte a la vostra configuració actual,contacteu-nosper a una calculadora de comparació.
Altres aplicacions
Moltes preguntes de recerca requereixen més informació que una sola imatge, com ara l'adquisició d'imatges multicanal o multifocus.
La imatge multicanal en una càmera d'escaneig d'àrea implica la captura d'imatges utilitzant múltiples longituds d'ona simultàniament. Aquests canals normalment corresponen a diferents longituds d'ona de llum, com ara el vermell, el verd i el blau. Cada canal captura informació específica de longitud d'ona o espectral de l'escena. La càmera combina aquests canals per generar una imatge a tot color o multiespectral, proporcionant una vista més completa de l'escena amb detalls espectrals diferents. En les càmeres d'escaneig d'àrea, això s'aconsegueix mitjançant exposicions discretes, però, amb les imatges TDI, es pot utilitzar un divisor per separar el sensor en múltiples parts. Dividir un 9kTDI (45 mm) en 3 sensors de 15,0 mm encara serà més gran que un sensor estàndard (amplada de píxel de 6,5 µm, 2048 píxels) d'amplada de 13,3 mm. A més, com que el TDI només requereix il·luminació a la part de la mostra que s'està fotografiant, els escanejos es poden ciclar més ràpidament.
Una altra àrea on això pot ser el cas és en la imatge multienfocament. La imatge multienfocament en càmeres d'escaneig d'àrea implica capturar múltiples imatges a diferents distàncies d'enfocament i combinar-les per crear una imatge composta amb tota l'escena enfocada de manera nítida. Aborda les diferents distàncies d'una escena analitzant i combinant les regions enfocades de cada imatge, donant com a resultat una representació més detallada d'una imatge. De nou, mitjançant l'ús d'undivisorPer dividir el sensor TDI en dues peces (22,5 mm) o tres (15,0 mm), pot ser possible adquirir una imatge multifocal més ràpidament que amb un equivalent d'escaneig d'àrea. Tanmateix, per a multifocals d'ordre superior (piles z de 6 o més), és probable que l'escaneig d'àrea continuï sent la tècnica d'imatge més ràpida.
Conclusions
Aquesta nota tècnica descriu les diferències entre l'escaneig d'àrea i la tecnologia TDI per a l'escaneig d'àrea gran. En fusionar l'escaneig lineal i la sensibilitat sCMOS, la TDI aconsegueix imatges ràpides i d'alta qualitat sense interrupcions, superant els mètodes tradicionals d'escaneig d'àrea com ara la tile & stitch. Avalueu els avantatges d'utilitzar la nostra calculadora en línia, considerant diverses suposicions descrites en aquest document. La TDI es presenta com una eina potent per a la imatge eficient amb un gran potencial per reduir els temps d'imatge tant en tècniques d'imatge estàndard com avançades.Si voleu veure si una càmera TDI o una càmera d'escaneig d'àrea podria adaptar-se a la vostra aplicació i millorar el temps de captura, poseu-vos en contacte amb nosaltres avui mateix.
