23. 10. 2010Časové zpoždění a integrace (TDI) je metoda snímání obrazu založená na principu řádkového skenování, kde je zachycena série jednorozměrných obrazů, které generují obraz načasováním pohybu vzorku a zachycením řezu obrazu spouštěním. Ačkoli tato technologie existuje již desítky let, obvykle se spojuje s aplikacemi s nízkou citlivostí, jako je inspekce pásů.
Nová generace kamer kombinuje citlivost sCMOS s rychlostí TDI, což umožňuje snímání obrazu stejné kvality jako při plošném skenování, ale s potenciálem pro řádově rychlejší propustnost. To je zvláště patrné v situacích, kdy je vyžadováno snímání velkých vzorků za slabého osvětlení. V této technické poznámce popisujeme, jak funguje skenování TDI, a porovnáváme dobu snímání obrazu se srovnatelnou technikou skenování velkých ploch, tzv. tile & stitch imaging.
Od řádkového skenování k TDI
Lineární skenování je zobrazovací technika, která využívá jeden řádek pixelů (označovaný jako sloupec nebo stolek) k pořízení řezu obrazu, zatímco se vzorek pohybuje. Pomocí elektrických spouštěcích mechanismů se při průchodu vzorku senzorem pořídí jeden „řez“ obrazu. Škálováním spouštěcí frekvence kamery pro zachycení obrazu v souladu s pohybem vzorku a použitím frame grabberu pro zachycení těchto obrazů lze tyto obrazy sešít dohromady a rekonstruovat tak obraz.
Zobrazování TDI staví na tomto principu snímání obrazu vzorku, nicméně využívá více fází ke zvýšení počtu zachycených fotoelektronů. Jak vzorek prochází každou fází, shromažďuje se více informací, které se přidávají ke stávajícím fotoelektronům zachyceným předchozími fázemi a promíchají se podobným způsobem jako u CCD zařízení. Jak vzorek prochází poslední fází, sebrané fotoelektrony se odesílají do čtečky a integrovaný signál v celém rozsahu se používá ke generování obrazového řezu. Na obrázku 1 je znázorněno snímání obrazu na zařízení s pěti TDI sloupci (fázemi).
Obrázek 1: animovaný příklad snímání obrazu pomocí technologie TDI. Vzorek (modré T) prochází přes zařízení pro snímání obrazu TDI (sloupec 5 pixelů, 5 stupňů TDI) a v každém stupni jsou zachyceny fotoelektrony a přidány k úrovni signálu. Výstup převede tento obraz na digitální formát.
1a: Na stolek je uveden obraz (modré T); T se pohybuje, jak je znázorněno na zařízení.
1b: Jakmile T projde prvním stupněm, TDI kamera se spustí a přijme fotoelektrony, které jsou zachyceny pixely, jakmile dopadnou na první stupeň na TDI senzoru. Každý sloupec obsahuje řadu pixelů, které zachycují fotoelektrony jednotlivě.
1c: Tyto zachycené fotoelektrony jsou přesunuty do druhého stupně, kde každý sloupec posouvá svou úroveň signálu do dalšího stupně.
1d: Souběžně s pohybem vzorku o vzdálenost jednoho pixelu je ve fázi dva zachycena druhá sada fotoelektronů, která se přidá k dříve zachyceným, čímž se zvyšuje signál. Ve fázi 1 je zachycena nová sada fotoelektronů, odpovídající dalšímu úseku zachyceného obrazu.
1e: Procesy snímání obrazu popsané ve fázi 1d se opakují, jak se obraz pohybuje kolem senzoru. Tím se vytváří signál z fotoelektronů z fází. Signál je předáván do výstupu, který převádí signál fotoelektronů na digitální výstup.
1f: Digitální odečet se zobrazuje jako sloupec po sloupci obrazu. To umožňuje digitální rekonstrukci obrazu.
Protože je zařízení TDI schopno současně přenášet fotoelektrony z jednoho stupně do druhého a zachycovat nové fotoelektrony z prvního stupně, zatímco se vzorek pohybuje, může být počet zachycených řádků obrazu prakticky nekonečný. Spouštěcí frekvence, které určují, kolikrát dojde k zachycení obrazu (obr. 1a), mohou být řádově stovky kHz.
V příkladu na obrázku 2 byl mikroskopický preparát o rozměrech 29 x 17 mm pořízen za 10,1 sekundy pomocí 5µm pixelové TDI kamery. I při značných úrovních přiblížení je míra rozmazání minimální. To představuje obrovský pokrok oproti předchozím generacím této technologie.
Pro další podrobnosti ukazuje tabulka 1 reprezentativní dobu snímání pro řadu běžných velikostí vzorků při 10násobném, 20násobném a 40násobném zvětšení.
Obrázek 2: Snímek fluorescenčního vzorku pořízený pomocí Tucsen 9kTDI. Expozice 10 ms, doba snímání 10,1 s.
Tabulka 1: Matice doby snímání vzorků různých velikostí (sekundy) s použitím kamery Tucsen 9kTDI na motorizovaném stolku Zaber řady MVR při zvětšení 10, 20 a 40x pro expoziční dobu 1 a 10 ms.
Zobrazování plošného skenování
Plošné skenování obrazu v sCMOS kamerách zahrnuje současné zachycení celého obrazu pomocí 2rozměrného pole pixelů. Každý pixel zachycuje světlo, převádí ho na elektrické signály pro okamžité zpracování a vytváří kompletní obraz s vysokým rozlišením a rychlostí. Velikost obrazu, který lze zachytit v jedné expozici, je dána velikostí pixelu, zvětšením a počtem pixelů v poli na (1)
Pro standardní pole je zorné pole dáno vztahem (2)
V případech, kdy je vzorek příliš velký pro zorné pole kamery, lze obraz vytvořit rozdělením obrazu do mřížky obrazů o velikosti zorného pole. Zachycení těchto obrazů se řídí vzorem, kdy se stolek přesune do určité polohy na mřížce, stolek se ustálí a poté se obraz zachytí. U kamer s postupnou závěrkou je potřeba dodatečná doba čekání, zatímco se závěrka otáčí. Tyto obrazy lze zachytit posunutím polohy kamery a jejich spojením. Obrázek 3 ukazuje velký obraz lidské buňky pod fluorescenční mikroskopií, který vznikl spojením 16 menších obrazů.
Obrázek 3: Snímek lidské buňky zachycený kamerou pro plošné skenování s využitím zobrazování pomocí dlaždic a stehů.
Obecně platí, že pro rozlišení větších detailů bude nutné generovat a tímto způsobem spojit více obrázků. Jedním z řešení je použitískenování velkoformátovou kamerou, který má velké senzory s vysokým počtem pixelů v kombinaci se specializovanou optikou, což umožňuje zachytit větší množství detailů.
Porovnání TDI a plošného skenování (Tile & Stitch)
Pro skenování vzorků na velkých plochách jsou vhodnými řešeními skenování Tile & Stitch i TDI, avšak výběrem nejlepší metody je možné výrazně zkrátit čas potřebný ke skenování vzorku. Tato úspora času je generována schopností skenování TDI zachytit pohybující se vzorek, čímž se eliminují zpoždění spojená s ustálením stolku a časováním posuvné závěrky, které jsou typické pro skenování Tile & Stitch.
Obrázek 4 porovnává zastavení (zelená) a pohyby (černé čáry) potřebné k zachycení obrazu lidské buňky při skenování typu tile & stitch (vlevo) a TDI (vpravo). Odstraněním nutnosti zastavovat a znovu zarovnávat obraz při zobrazování TDI je možné výrazně zkrátit dobu zobrazování za předpokladu, že expoziční čas je nízký <100 ms.
Tabulka 2 ukazuje zpracovaný příklad skenování mezi 9k TDI a standardní sCMOS kamerou.
Obrázek 4: Skenovací motiv zachycení lidské buňky pod fluorescencí zobrazující zobrazování dlaždice a steh (vlevo) a TDI (vpravo).
Tabulka 2: Porovnání plošného skenování a TDI zobrazování pro vzorek o rozměrech 15 x 15 mm s objektivem 10x a expozičním časem 10 ms.
Přestože technologie TDI nabízí fantastický potenciál pro zvýšení rychlosti snímání obrazu, její použití má své specifika. U vysokých expozičních časů (>100 ms) se význam času ztraceného kvůli pohybu a usazení při skenování oblasti v porovnání s expozičním časem snižuje. V takových případech mohou kamery s plošným skenováním nabízet kratší doby skenování ve srovnání se snímáním TDI. Chcete-li zjistit, zda vám technologie TDI může nabídnout výhody oproti vašemu současnému nastavení,kontaktujte náspro srovnávací kalkulačku.
Další aplikace
Mnoho výzkumných otázek vyžaduje více informací než jeden snímek, například vícekanálové nebo víceohniskové pořízení snímků.
Vícekanálové zobrazování v plošné skenovací kameře zahrnuje současné snímání snímků s využitím více vlnových délek. Tyto kanály obvykle odpovídají různým vlnovým délkám světla, jako je červená, zelená a modrá. Každý kanál zachycuje specifickou vlnovou délku nebo spektrální informace ze scény. Kamera poté tyto kanály kombinuje a vytváří tak plnobarevný nebo multispektrální snímek, který poskytuje komplexnější pohled na scénu s výraznými spektrálními detaily. U plošných skenovacích kamer se toho dosahuje diskrétními expozicemi, avšak u zobrazování TDI lze použít dělič k rozdělení senzoru na více částí. Rozdělení 9kTDI (45 mm) na 3 senzory o rozměrech 15,0 mm bude stále větší než standardní senzor (šířka pixelu 6,5 µm, 2048 pixelů) o šířce 13,3 mm. Navíc, protože TDI vyžaduje osvětlení pouze na snímané části vzorku, lze skenování cyklovat rychleji.
Další oblastí, kde by tomu mohlo být, je víceohniskové zobrazování. Víceohniskové zobrazování v kamerách s plošným skenováním zahrnuje zachycení více snímků s různými ohniskovými vzdálenostmi a jejich sloučení za účelem vytvoření kompozitního obrazu s celou scénou v ostrém zaostření. Zabývá se různými vzdálenostmi ve scéně analýzou a kombinováním zaostřených oblastí z každého snímku, což vede k detailnějšímu znázornění obrazu. Opět platí, že použitímrozdělovačRozdělením TDI senzoru na dva (22,5 mm) nebo tři (15,0 mm) díly může být možné získat víceohniskový obraz rychleji než ekvivalentním plošným skenováním. U víceohniskového skenování vyššího řádu (z-vrstvy 6 nebo více) však plošné skenování pravděpodobně zůstane nejrychlejší zobrazovací technikou.
Závěry
Tato technická poznámka popisuje rozdíly mezi plošným skenováním a technologií TDI pro skenování velkých ploch. Sloučením řádkového skenování a citlivosti sCMOS dosahuje TDI rychlého a vysoce kvalitního zobrazování bez přerušení, čímž překonává tradiční metody plošného skenování, jako je dlaždicové a stehové skenování. Zhodnoťte výhody použití naší online kalkulačky s ohledem na různé předpoklady uvedené v tomto dokumentu. TDI představuje výkonný nástroj pro efektivní zobrazování s velkým potenciálem pro zkrácení doby zobrazování u standardních i pokročilých zobrazovacích technik.Pokud byste chtěli zjistit, zda by pro vaši aplikaci mohla být vhodná TDI kamera nebo kamera pro skenování oblasti a zkrátit dobu snímání, kontaktujte nás ještě dnes.
