23/10/10Tidsforsinkelse og integration (TDI) er en billedoptagelsesmetode, der er bygget på princippet om linjescanning, hvor en række endimensionelle billeder optages for at generere et billede ved at tidsindstille prøvebevægelsen og optage billedsnit ved at trigge. Selvom denne teknologi har eksisteret i årtier, har den typisk været forbundet med applikationer med lav følsomhed, såsom webinspektion.
En ny generation af kameraer har kombineret sCMOS' følsomhed med TDI's hastighed for at tilbyde billedoptagelse af samme kvalitet som områdescanning, men med potentiale for en betydeligt hurtigere gennemløbshastighed. Dette er især tydeligt i situationer, hvor billeddannelse af store prøver under svage lysforhold er påkrævet. I denne tekniske note skitserer vi, hvordan TDI-scanning fungerer, og sammenligner billedoptagelsestiden med en sammenlignelig storområdescanningsteknik, tile & stitch-billeddannelse.
Fra linjescanning til TDI
Linjescan-billeddannelse er en billeddannelsesteknik, der bruger en enkelt linje af pixels (kaldet en søjle eller et trin) til at tage et udsnit af et billede, mens en prøve er i bevægelse. Ved hjælp af elektriske triggermekanismer tages et enkelt 'udsnit' af et billede, når prøven passerer sensoren. Ved at skalere kameraets triggerhastighed for at optage billedet i takt med prøvens bevægelse og bruge en framegrabber til at optage disse billeder, kan de sys sammen for at rekonstruere billedet.
TDI-billeddannelse bygger på dette princip om billedoptagelse af en prøve, men bruger flere trin til at øge antallet af opfangede fotoelektroner. Efterhånden som prøven passerer hvert trin, indsamles der mere information, som tilføjes til de eksisterende fotoelektroner, der er opfanget af tidligere trin, og som blandes i en lignende proces som CCD-enheder. Når prøven passerer over det sidste trin, sendes de indsamlede fotoelektroner til en aflæsning, og det integrerede signal på tværs af området bruges til at generere et billedsnit. Figur 1 viser billedoptagelse på en enhed med fem TDI-kolonner (trin).
Figur 1: et animeret eksempel på billedoptagelse ved hjælp af TDI-teknologi. En prøve (blåt T) føres hen over en TDI-billedoptagelsesenhed (en kolonne med 5 pixels, 5 TDI-trin), og fotoelektroner opfanges i hvert trin og lægges til signalniveauet. En udlæsning konverterer dette til et digitalt billede.
1a: Billedet (et blåt T) introduceres på scenen; T'et er i bevægelse som vist på enheden.
1b: Når T'et passerer det første trin, udløses TDI-kameraet til at modtage fotoelektroner, som opfanges af pixels, når de rammer det første trin på TDI-sensoren. Hver kolonne har en række pixels, der opfanger fotoelektroner individuelt.
1c: Disse indfangede fotoelektroner flyttes til det andet trin, hvor hver kolonne flytter sit signalniveau til det næste trin.
1d: I takt med prøvens bevægelse på én pixel indfanges et andet sæt fotoelektroner i trin to, og disse tilføjes til de tidligere indfangede, hvilket øger signalet. I trin 1 indfanges et nyt sæt fotoelektroner, svarende til det næste udsnit af billedoptagelsen.
1e: Billedoptagelsesprocesserne beskrevet i trin 1d gentages, efterhånden som billedet bevæger sig forbi sensoren. Dette opbygger et signal fra fotoelektroner fra trinene. Signalet sendes til en aflæser, som konverterer fotoelektronsignalet til en digital aflæser.
1f: Den digitale aflæsning vises som et billede kolonne for kolonne. Dette muliggør digital rekonstruktion af et billede.
Da TDI-enheden er i stand til samtidig at sende fotoelektroner fra et trin til det næste og opfange nye fotoelektroner fra det første trin, mens prøven er i bevægelse, kan billedet effektivt være uendeligt i antallet af optagne rækker. Triggerhastighederne, som bestemmer antallet af gange billedoptagelsen (fig. 1a) finder sted, kan være i størrelsesordenen hundredvis af kHz.
I eksemplet i figur 2 blev et 29 x 17 mm mikroskopglas optaget på 10,1 sekunder med et 5 µm pixel TDI-kamera. Selv ved betydelige zoomniveauer er sløringen minimal. Dette repræsenterer en enorm forbedring i forhold til tidligere generationer af denne teknologi.
For yderligere detaljer viser tabel 1 repræsentativ billeddannelsestid for en række almindelige stikprøvestørrelser ved 10, 20 og 40 x zoom.
Figur 2: Et billede af en fluorescerende prøve taget med en Tucsen 9kTDI. Eksponering 10 ms, optagelsestid 10,1 s.
Tabel 1: Matrix over optagelsestid for varierende stikprøvestørrelser (sekunder) ved brug af et Tucsen 9kTDI-kamera på en motoriseret scene i Zaber MVR-serien ved 10, 20 og 40 x for 1 og 10 ms eksponeringstid.
Områdescanningsbilleddannelse
Area scan-billeddannelse i sCMOS-kameraer involverer samtidig optagelse af et helt billede ved hjælp af et 2-dimensionelt array af pixels. Hver pixel indfanger lys, konverterer det til elektriske signaler til øjeblikkelig behandling og danner et komplet billede med høj opløsning og hastighed. Størrelsen på et billede, der kan optages i en enkelt eksponering, styres af pixelstørrelsen, forstørrelsen og antallet af pixels i et array, pr. (1)
For et standardarray er synsfeltet givet ved (2)
I tilfælde hvor en prøve er for stor til et kameras synsfelt, kan et billede konstrueres ved at opdele billedet i et gitter af billeder med samme størrelse som synsfeltet. Optagelsen af disse billeder følger et mønster, hvor scenen bevæger sig til en position på gitteret, scenen stabiliserer sig, og derefter optages billedet. I rullende lukkerkameraer er der en ekstra ventetid, mens lukkeren drejer. Disse billeder kan optages ved at flytte kameraets position og sammensætte dem. Figur 3 viser et stort billede af en menneskelig celle under fluorescensmikroskopi dannet ved at sammensætte 16 mindre billeder.
Figur 3: Et dias af en menneskecelle, der optages af et områdescanningskamera ved hjælp af tile & stitch-billeddannelse.
Generelt set vil det kræve, at flere billeder genereres og sammensættes på denne måde for at opnå større detaljer. En løsning på dette er at anvendestorformatkamerascanning, som har store sensorer med et højt pixelantal, kombineret med specialiseret optik, der giver mulighed for at indfange en større mængde detaljer.
Sammenligning mellem TDI og områdescanning (Flise & Stitch)
Til scanning af prøver over store områder er både Tile & Stitch og TDI-scanning passende løsninger, men ved at vælge den bedste metode er det muligt at reducere den tid, der kræves til at scanne en prøve, betydeligt. Denne tidsbesparelse genereres af TDI-scanningens evne til at indfange en bevægelig prøve; hvilket fjerner forsinkelserne forbundet med sceneindstilling og rullende lukkertiming forbundet med tile & stitch-billeddannelse.
Figur 4 sammenligner de stop (grønne) og bevægelser (sorte linjer), der kræves for at tage et billede af en menneskelig celle i både flise- og stingscanning (venstre) og TDI-scanning (højre). Ved at fjerne behovet for at stoppe og justere billedet i TDI-billeddannelse er det muligt at reducere billeddannelsestiden betydeligt, forudsat at eksponeringstiden er lav <100 ms.
Tabel 2 viser et eksempel på scanning mellem et 9k TDI og et standard sCMOS-kamera.
Figur 4: Et scanningsmotiv af indfangningen af en menneskelig celle under fluorescens, der viser flise- og stingbilleddannelse (venstre) og TDI-billeddannelse (højre).
Tabel 2: Sammenligning af områdescanning og TDI-billeddannelse for en 15 x 15 mm prøve med en 10x objektivlinse og 10 ms eksponeringstid.
Selvom TDI tilbyder et fantastisk potentiale for øget billedoptagelseshastighed, er der nuancer forbundet med brugen af denne teknologi. Ved lange eksponeringstider (>100 ms) reduceres betydningen af den tid, der går tabt på bevægelses- og bundfældelsesaspekterne ved områdescanning, i forhold til eksponeringstiden. I sådanne tilfælde kan områdescanningskameraer tilbyde reducerede scanningstider sammenlignet med TDI-billeddannelse. For at se, om TDI-teknologi kan tilbyde dig fordele i forhold til din nuværende opsætning,kontakt ostil en sammenligningsberegner.
Andre anvendelser
Mange forskningsspørgsmål kræver mere information end et enkelt billede, såsom multikanal- eller multifokusbilleddannelse.
Flerkanalsbilleddannelse i et områdescanningskamera involverer optagelse af billeder med flere bølgelængder samtidigt. Disse kanaler svarer typisk til forskellige lysbølgelængder, såsom rød, grøn og blå. Hver kanal indfanger specifik bølgelængde- eller spektralinformation fra scenen. Kameraet kombinerer derefter disse kanaler for at generere et fuldfarvet eller multispektralbillede, hvilket giver en mere omfattende visning af scenen med distinkte spektrale detaljer. I områdescanningskameraer opnås dette ved diskrete eksponeringer, men med TDI-billeddannelse kan en splitter bruges til at opdele sensoren i flere dele. Opdeling af en 9kTDI (45 mm) i 3 x 15,0 mm sensorer vil stadig være større end en standardsensor (6,5 µm pixelbredde, 2048 pixels) bredde på 13,3 mm. Da TDI kun kræver belysning på den del af prøven, der afbildes, kan scanningerne desuden cykliseres hurtigere.
Et andet område, hvor dette kan være tilfældet, er inden for multifokusbilleddannelse. Multifokusbilleddannelse i områdescankameraer involverer optagelse af flere billeder ved forskellige fokusafstande og blanding af dem for at skabe et sammensat billede med hele scenen i skarpt fokus. Det adresserer varierende afstande i en scene ved at analysere og kombinere fokusområder fra hvert billede, hvilket resulterer i en mere detaljeret repræsentation af et billede. Igen, ved at bruge ensplitterFor at opdele TDI-sensoren i to (22,5 mm) eller tre (15,0 mm) dele kan det være muligt at få et multifokusbillede hurtigere end en tilsvarende arealscanning. For multifokus af højere orden (z-stabler på 6 eller flere) vil arealscanning dog sandsynligvis forblive den hurtigste billeddannelsesteknik.
Konklusioner
Denne tekniske note beskriver forskellene mellem områdescanning og TDI-teknologi til scanning af store områder. Ved at kombinere linjescanning og sCMOS-følsomhed opnår TDI hurtig billeddannelse af høj kvalitet uden afbrydelser og overgår dermed traditionelle områdescanningsmetoder som flise- og stingmetoder. Vurder fordelene ved at bruge vores onlineberegner under hensyntagen til forskellige antagelser, der er skitseret i dette dokument. TDI er et kraftfuldt værktøj til effektiv billeddannelse med stort potentiale til at reducere billeddannelsestider i både standard- og avancerede billeddannelsesteknikker.Hvis du gerne vil se, om et TDI-kamera eller et områdescanningskamera kan passe til din anvendelse og forbedre din optagelsestid, så kontakt os i dag.
