23.10.10Time Delay & Integration (TDI) ist eine Methode zur Bilderfassung, die auf dem Prinzip der Zeilenabtastung basiert. Dabei wird eine Reihe eindimensionaler Bilder aufgenommen, um durch die zeitliche Steuerung der Probenbewegung und der Bildausschnittserfassung durch Triggerung ein Bild zu erzeugen. Obwohl diese Technologie schon seit Jahrzehnten existiert, wird sie typischerweise mit Anwendungen mit geringer Empfindlichkeit, wie z. B. der Bahninspektion, in Verbindung gebracht.
Eine neue Kamerageneration kombiniert die Empfindlichkeit von sCMOS mit der Geschwindigkeit von TDI und ermöglicht so eine Bildaufnahme in gleicher Qualität wie Flächenscans, bietet aber das Potenzial für einen um ein Vielfaches schnelleren Durchsatz. Dies zeigt sich insbesondere in Situationen, in denen große Proben bei schlechten Lichtverhältnissen abgebildet werden müssen. In dieser technischen Notiz beschreiben wir die Funktionsweise des TDI-Scans und vergleichen die Bildaufnahmezeit mit einer vergleichbaren Großflächenscantechnik, der Tile-&-Stitch-Bildgebung.
Vom Zeilenscannen zum TDI
Zeilenkamera-Bildgebung ist ein Bildgebungsverfahren, bei dem eine einzelne Pixelzeile (Spalte oder Stufe genannt) verwendet wird, um einen Bildausschnitt einer bewegten Probe aufzunehmen. Mithilfe elektrischer Auslösemechanismen wird ein einzelner Bildausschnitt aufgenommen, während die Probe den Sensor passiert. Durch Skalieren der Kamera-Auslöserate, um das Bild im Gleichschritt mit der Probenbewegung aufzunehmen, und Verwenden eines Framegrabbers zur Aufnahme dieser Bilder können diese zusammengefügt werden, um das Bild zu rekonstruieren.
Die TDI-Bildgebung basiert auf diesem Prinzip der Bilderfassung einer Probe, nutzt jedoch mehrere Stufen, um die Anzahl der erfassten Photoelektronen zu erhöhen. Mit jedem Durchgang der Probe werden weitere Informationen gesammelt und zu den bereits in den vorherigen Stufen erfassten und in einem CCD-ähnlichen Prozess gemischten Photoelektronen hinzugefügt. Beim Durchgang der Probe durch die letzte Stufe werden die gesammelten Photoelektronen an einen Ausleser gesendet, und das über den Bereich integrierte Signal wird zur Erzeugung eines Bildausschnitts verwendet. Abbildung 1 zeigt die Bilderfassung auf einem Gerät mit fünf TDI-Spalten (Stufen).
Abbildung 1: Ein animiertes Beispiel für die Bilderfassung mit TDI-Technologie. Eine Probe (blaues T) wird über ein TDI-Bilderfassungsgerät (eine Spalte mit 5 Pixeln, 5 TDI-Stufen) geführt. In jeder Stufe werden Photoelektronen erfasst und zum Signalpegel addiert. Ein Auslesegerät wandelt dies in ein digitales Bild um.
1a: Das Bild (ein blaues T) wird auf die Bühne gebracht; das T ist in Bewegung, wie auf dem Gerät angezeigt.
1b: Wenn das T die erste Stufe passiert, wird die TDI-Kamera ausgelöst, um Photoelektronen aufzunehmen, die von den Pixeln erfasst werden, wenn sie die erste Stufe des TDI-Sensors erreichen. Jede Spalte besteht aus einer Reihe von Pixeln, die einzeln Photoelektronen erfassen.
1c: Diese eingefangenen Photoelektronen werden in die zweite Stufe weitergeleitet, wo jede Spalte ihren Signalpegel in die nächste Stufe schiebt.
1d: Im Takt der Bewegung der Probe um einen Pixel wird in Stufe zwei ein zweiter Satz Photoelektronen eingefangen und zu den zuvor eingefangenen hinzugefügt, wodurch das Signal verstärkt wird. In Stufe 1 wird ein neuer Satz Photoelektronen eingefangen, der dem nächsten Bildausschnitt entspricht.
1e: Die in Schritt 1d beschriebenen Bildaufnahmeprozesse werden wiederholt, während das Bild den Sensor passiert. Dadurch entsteht ein Signal aus den Photoelektronen der Stufen. Das Signal wird an einen Ausleser weitergeleitet, der das Photoelektronensignal in ein digitales Anzeigesignal umwandelt.
1f: Die digitale Anzeige wird spaltenweise als Bild dargestellt. Dies ermöglicht die digitale Rekonstruktion eines Bildes.
Da das TDI-Gerät in der Lage ist, Photoelektronen gleichzeitig von einer Stufe zur nächsten zu übertragen und neue Photoelektronen aus der ersten Stufe einzufangen, während sich die Probe bewegt, kann die Anzahl der erfassten Bildzeilen praktisch unendlich sein. Die Triggerraten, die die Anzahl der Bildaufnahmen bestimmen (Abb. 1a), können im Bereich von mehreren hundert kHz liegen.
Im Beispiel von Abbildung 2 wurde ein 29 x 17 mm großer Mikroskopobjektträger mit einer 5 µm Pixel TDI-Kamera in 10,1 Sekunden aufgenommen. Selbst bei hohen Zoomstufen ist die Unschärfe minimal. Dies stellt einen enormen Fortschritt gegenüber früheren Generationen dieser Technologie dar.
Weitere Einzelheiten sind in Tabelle 1 aufgeführt, die die repräsentative Bildgebungszeit für eine Reihe gängiger Stichprobengrößen bei 10-, 20- und 40-facher Vergrößerung zeigt.
Abbildung 2: Ein Bild einer fluoreszierenden Probe, aufgenommen mit einem Tucsen 9kTDI. Belichtung 10 ms, Aufnahmezeit 10,1 s.
Tabelle 1: Matrix der Aufnahmezeit unterschiedlicher Probengrößen (Sekunden) mit einer Tucsen 9kTDI-Kamera auf einem motorisierten Tisch der Zaber MVR-Serie bei 10-, 20- und 40-facher Vergrößerung für 1 und 10 ms Belichtungszeit.
Flächenscan-Bildgebung
Bei der Flächenabtastung in sCMOS-Kameras wird ein ganzes Bild gleichzeitig mit einem zweidimensionalen Pixel-Array erfasst. Jedes Pixel fängt Licht ein, wandelt es in elektrische Signale um, die sofort verarbeitet werden und ein vollständiges Bild mit hoher Auflösung und Geschwindigkeit erzeugen. Die Größe eines Bildes, das mit einer einzigen Belichtung aufgenommen werden kann, wird durch die Pixelgröße, die Vergrößerung und die Anzahl der Pixel in einem Array pro (1)
Für ein Standard-Array ist das Sichtfeld gegeben durch (2)
Ist eine Probe zu groß für das Sichtfeld einer Kamera, kann ein Bild erstellt werden, indem das Bild in ein Raster von Bildern der Größe des Sichtfelds aufgeteilt wird. Die Aufnahme dieser Bilder erfolgt nach einem bestimmten Muster: Der Objekttisch wird an eine Position auf dem Raster bewegt, dort abgesetzt und anschließend das Bild aufgenommen. Bei Rolling-Shutter-Kameras gibt es eine zusätzliche Wartezeit, während sich der Verschluss dreht. Diese Bilder können durch Verschieben der Kameraposition und anschließendes Zusammenfügen der Bilder aufgenommen werden. Abbildung 3 zeigt ein großes Bild einer menschlichen Zelle unter Fluoreszenzmikroskopie, das durch das Zusammenfügen von 16 kleineren Bildern erstellt wurde.
Abbildung 3: Ein Objektträger einer menschlichen Zelle, der von einer Flächenkamera mithilfe der Kachel- und Stichbildgebung erfasst wird.
Um mehr Details zu erreichen, müssen im Allgemeinen mehr Bilder erstellt und auf diese Weise zusammengefügt werden. Eine Lösung hierfür ist der EinsatzGroßformat-Kamerascannen, das über große Sensoren mit einer hohen Pixelanzahl verfügt und in Verbindung mit einer speziellen Optik die Erfassung einer größeren Detailmenge ermöglicht.
Vergleich zwischen TDI und Flächenscanning (Tile & Stitch)
Für das Scannen großflächiger Proben eignen sich sowohl Tile & Stitch als auch TDI-Scanning. Durch die Wahl der jeweils besten Methode lässt sich die Scanzeit jedoch deutlich reduzieren. Diese Zeitersparnis ergibt sich aus der Fähigkeit des TDI-Scannings, bewegte Proben zu erfassen. Verzögerungen durch das Einschwingen des Objekttisches und die Rolling-Shutter-Zeiten, die bei Tile & Stitch-Bildgebung auftreten, entfallen.
Abbildung 4 vergleicht die erforderlichen Stopps (grün) und Bewegungen (schwarze Linien), um ein Bild einer menschlichen Zelle sowohl beim Tile & Stitch-Scan (links) als auch beim TDI-Scan (rechts) aufzunehmen. Da bei der TDI-Bildgebung keine Stopps und Neuausrichtungen mehr erforderlich sind, kann die Bildgebungszeit deutlich verkürzt werden, sofern die Belichtungszeit niedrig (<100 ms) ist.
Tabelle 2 zeigt ein ausgearbeitetes Beispiel für das Scannen zwischen einer 9k TDI- und einer Standard-sCMOS-Kamera.
Abbildung 4: Ein Scanmotiv der Erfassung einer menschlichen Zelle unter Fluoreszenz, das Kachel- und Stichbildgebung (links) und TDI-Bildgebung (rechts) zeigt.
Tabelle 2: Vergleich von Flächenscan und TDI-Bildgebung für eine 15 x 15 mm große Probe mit einem 10-fachen Objektiv und einer Belichtungszeit von 10 ms.
TDI bietet zwar ein enormes Potenzial für eine schnellere Bildaufnahme, doch der Einsatz dieser Technologie weist einige Besonderheiten auf. Bei langen Belichtungszeiten (>100 ms) reduziert sich der Zeitverlust durch Bewegung und Stabilisierung des Flächenscans im Verhältnis zur Belichtungszeit. In solchen Fällen können Flächenscankameras im Vergleich zur TDI-Bildgebung kürzere Scanzeiten bieten. Um herauszufinden, ob die TDI-Technologie Ihnen gegenüber Ihrer aktuellen Konfiguration Vorteile bietet,Kontaktfür einen Vergleichsrechner.
Andere Anwendungen
Viele Forschungsfragen erfordern mehr Informationen als ein einzelnes Bild, beispielsweise die Mehrkanal- oder Multifokus-Bildaufnahme.
Bei der Mehrkanal-Bildgebung in einer Flächenkamera werden Bilder mit mehreren Wellenlängen gleichzeitig aufgenommen. Diese Kanäle entsprechen typischerweise verschiedenen Wellenlängen des Lichts, etwa Rot, Grün und Blau. Jeder Kanal erfasst bestimmte Wellenlängen- oder Spektralinformationen der Szene. Die Kamera kombiniert diese Kanäle dann, um ein Vollfarb- oder Multispektralbild zu erzeugen, das eine umfassendere Ansicht der Szene mit deutlichen spektralen Details bietet. Bei Flächenkameras wird dies durch diskrete Belichtungen erreicht, bei der TDI-Bildgebung kann der Sensor jedoch mit einem Splitter in mehrere Teile aufgeteilt werden. Selbst wenn man einen 9kTDI (45 mm) in 3 x 15,0 mm große Sensoren aufteilt, ist er immer noch größer als ein Standardsensor (6,5 µm Pixelbreite, 2048 Pixel) mit einer Breite von 13,3 mm. Da bei TDI zudem nur der abzubildende Teil der Probe beleuchtet werden muss, können die Scans schneller ausgeführt werden.
Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Multifokus-Bildgebung. Bei der Multifokus-Bildgebung in Flächenkameras werden mehrere Bilder mit unterschiedlichen Fokusentfernungen aufgenommen und zu einem Gesamtbild zusammengefügt, das die gesamte Szene scharf darstellt. Unterschiedliche Entfernungen in einer Szene werden durch die Analyse und Kombination der scharfen Bereiche jedes Bildes berücksichtigt, was zu einer detaillierteren Bilddarstellung führt. Auch hier wird durch die Verwendung einesSplitterUm den TDI-Sensor in zwei (22,5 mm) oder drei (15,0 mm) Teile zu unterteilen, ist es möglich, ein Multifokus-Bild schneller zu erfassen als mit einem entsprechenden Flächenscan. Bei Multifokus höherer Ordnung (z-Stapel von 6 oder mehr) dürfte der Flächenscan jedoch weiterhin die schnellste Bildgebungstechnik bleiben.
Schlussfolgerungen
Dieser technische Hinweis erläutert die Unterschiede zwischen Flächenscanning und TDI-Technologie für großflächiges Scannen. Durch die Kombination von Zeilenscanning und sCMOS-Empfindlichkeit erzielt TDI schnelle, hochwertige und unterbrechungsfreie Bildgebung und übertrifft damit herkömmliche Flächenscanning-Methoden wie Tile & Stitch. Bewerten Sie die Vorteile unseres Online-Rechners unter Berücksichtigung der in diesem Dokument beschriebenen Annahmen. TDI ist ein leistungsstarkes Werkzeug für effiziente Bildgebung mit großem Potenzial zur Reduzierung der Bildgebungszeiten sowohl bei Standard- als auch bei fortgeschrittenen Bildgebungsverfahren.Wenn Sie herausfinden möchten, ob eine TDI-Kamera oder eine Flächenkamera für Ihre Anwendung geeignet ist und Ihre Erfassungszeit verbessern kann, kontaktieren Sie uns noch heute.
