23/10/10Η χρονική καθυστέρηση και ολοκλήρωση (TDI) είναι μια μέθοδος λήψης εικόνας που βασίζεται στην αρχή της σάρωσης γραμμών, όπου μια σειρά από μονοδιάστατες εικόνες συλλαμβάνονται για να δημιουργηθεί μια εικόνα χρονίζοντας την κίνηση του δείγματος και τη λήψη τομής εικόνας μέσω ενεργοποίησης. Παρόλο που αυτή η τεχνολογία υπάρχει εδώ και δεκαετίες, συνήθως σχετίζεται με εφαρμογές χαμηλής ευαισθησίας, όπως η επιθεώρηση ιστού.
Μια νέα γενιά καμερών έχει συνδυάσει την ευαισθησία του sCMOS με την ταχύτητα του TDI για να προσφέρει λήψη εικόνας ίσης ποιότητας με τη σάρωση περιοχής, αλλά με δυνατότητα για ταχύτερη απόδοση τάξεων μεγέθους. Αυτό είναι ιδιαίτερα εμφανές σε περιπτώσεις όπου απαιτείται απεικόνιση μεγάλων δειγμάτων σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού. Σε αυτήν την τεχνική σημείωση, περιγράφουμε πώς λειτουργεί η σάρωση TDI και συγκρίνουμε τον χρόνο λήψης εικόνας με μια συγκρίσιμη τεχνική σάρωσης μεγάλης περιοχής, την απεικόνιση tile & stitch.
Από τη σάρωση γραμμών έως το TDI
Η απεικόνιση γραμμικής σάρωσης είναι μια τεχνική απεικόνισης που χρησιμοποιεί μία μόνο γραμμή pixel (που αναφέρεται ως στήλη ή στάδιο) για να τραβήξει ένα κομμάτι μιας εικόνας ενώ ένα δείγμα βρίσκεται σε κίνηση. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρικούς μηχανισμούς ενεργοποίησης, λαμβάνεται ένα μόνο «κομμάτι» μιας εικόνας καθώς το δείγμα περνάει από τον αισθητήρα. Κλιμακώνοντας τον ρυθμό ενεργοποίησης της κάμερας για να καταγράψει την εικόνα παράλληλα με την κίνηση του δείγματος και χρησιμοποιώντας ένα frame grabber για να καταγράψει αυτές τις εικόνες, μπορούν να συρραφθούν για να ανακατασκευαστεί η εικόνα.
Η απεικόνιση TDI βασίζεται σε αυτήν την αρχή λήψης εικόνας ενός δείγματος, ωστόσο, χρησιμοποιεί πολλαπλά στάδια για να αυξήσει τον αριθμό των φωτοηλεκτρονίων που λαμβάνονται. Καθώς το δείγμα περνάει από κάθε στάδιο, συλλέγονται περισσότερες πληροφορίες και προστίθενται στα υπάρχοντα φωτοηλεκτρόνια που έχουν ληφθεί από προηγούμενα στάδια και ανακατεύονται με μια διαδικασία παρόμοια με τις συσκευές CCD. Καθώς το δείγμα περνάει από το τελικό στάδιο, τα συλλεγόμενα φωτοηλεκτρόνια αποστέλλονται σε μια συσκευή ανάγνωσης και το ενσωματωμένο σήμα σε όλο το εύρος χρησιμοποιείται για τη δημιουργία μιας φέτας εικόνας. Στο Σχήμα 1, φαίνεται η λήψη εικόνας σε μια συσκευή με πέντε στήλες (στάδια) TDI.
Σχήμα 1: ένα κινούμενο παράδειγμα λήψης εικόνας χρησιμοποιώντας τεχνολογία TDI. Ένα δείγμα (μπλε Τ) διέρχεται πάνω από μια συσκευή λήψης εικόνας TDI (μια στήλη 5 pixel, 5 στάδια TDI) και φωτοηλεκτρόνια καταγράφονται σε κάθε στάδιο και προστίθενται στο επίπεδο σήματος. Μια ένδειξη μετατρέπει αυτό σε ψηφιακή εικόνα.
1α: Η εικόνα (ένα μπλε Τ) εισάγεται στη σκηνή. Το Τ είναι σε κίνηση όπως φαίνεται στη συσκευή.
1β: Καθώς το T περνάει από το πρώτο στάδιο, η κάμερα TDI ενεργοποιείται για να δεχτεί φωτοηλεκτρόνια, τα οποία καταγράφονται από τα pixel καθώς αυτά φτάνουν στο πρώτο στάδιο του αισθητήρα TDI. Κάθε στήλη έχει μια σειρά από pixel που καταγράφουν τα φωτοηλεκτρόνια ξεχωριστά.
1γ: Αυτά τα συλληφθέντα φωτοηλεκτρόνια ανακατεύονται στο δεύτερο στάδιο, όπου κάθε στήλη ωθεί το επίπεδο σήματος της στο επόμενο στάδιο.
1δ: Σε συνάρτηση με την κίνηση της απόστασης ενός pixel του δείγματος, ένα δεύτερο σύνολο φωτοηλεκτρονίων συλλαμβάνεται στο δεύτερο στάδιο και προστίθεται στα προηγουμένως συλληφθείσα, αυξάνοντας το σήμα. Στο πρώτο στάδιο, συλλαμβάνεται ένα νέο σύνολο φωτοηλεκτρονίων, που αντιστοιχεί στο επόμενο κομμάτι λήψης εικόνας.
1ε: Οι διαδικασίες λήψης εικόνας που περιγράφονται στο στάδιο 1δ επαναλαμβάνονται καθώς η εικόνα περνάει από τον αισθητήρα. Αυτό δημιουργεί ένα σήμα από φωτοηλεκτρόνια από τα στάδια. Το σήμα διοχετεύεται σε μια ένδειξη, η οποία μετατρέπει το σήμα φωτοηλεκτρονίων σε ψηφιακή ένδειξη.
1f: Η ψηφιακή ένδειξη εμφανίζεται ως εικόνα στήλη προς στήλη. Αυτό επιτρέπει την ψηφιακή ανακατασκευή μιας εικόνας.
Καθώς η συσκευή TDI είναι ικανή να μεταφέρει ταυτόχρονα φωτοηλεκτρόνια από το ένα στάδιο στο επόμενο και να συλλαμβάνει νέα φωτοηλεκτρόνια από το πρώτο στάδιο ενώ το δείγμα βρίσκεται σε κίνηση, ο αριθμός των σειρών που καταγράφονται στην εικόνα μπορεί να είναι ουσιαστικά άπειρος. Οι ρυθμοί ενεργοποίησης, οι οποίοι καθορίζουν τον αριθμό των φορών που λαμβάνει χώρα η λήψη εικόνας (σχήμα 1α), μπορούν να είναι της τάξης των εκατοντάδων kHz.
Στο παράδειγμα του Σχήματος 2, μια διαφάνεια μικροσκοπίου 29 x 17 mm καταγράφηκε σε 10,1 δευτερόλεπτα χρησιμοποιώντας μια κάμερα TDI pixel 5 µm. Ακόμα και σε σημαντικά επίπεδα ζουμ, το επίπεδο θολώματος είναι ελάχιστο. Αυτό αντιπροσωπεύει μια τεράστια πρόοδο σε σχέση με τις προηγούμενες γενιές αυτής της τεχνολογίας.
Για περισσότερες λεπτομέρειες, ο Πίνακας 1 δείχνει αντιπροσωπευτικό χρόνο απεικόνισης για μια σειρά κοινών μεγεθών δειγμάτων σε ζουμ 10, 20 και 40 x.
Σχήμα 2: Εικόνα ενός δείγματος φθορισμού που λήφθηκε χρησιμοποιώντας έναν φακό Tucsen 9kTDI. Έκθεση 10 ms, χρόνος λήψης 10,1 s.
Πίνακας 1: Πίνακας χρόνου λήψης διαφόρων μεγεθών δείγματος (δευτερόλεπτα) χρησιμοποιώντας κάμερα Tucsen 9kTDI σε μηχανοκίνητη σκηνή της σειράς Zaber MVR στα 10, 20 και 40 x για χρόνο έκθεσης 1 και 10 ms.
Απεικόνιση σάρωσης περιοχής
Η απεικόνιση σάρωσης περιοχής σε κάμερες sCMOS περιλαμβάνει την ταυτόχρονη λήψη ολόκληρης της εικόνας χρησιμοποιώντας μια δισδιάστατη διάταξη pixel. Κάθε pixel συλλαμβάνει φως, μετατρέποντάς το σε ηλεκτρικά σήματα για άμεση επεξεργασία και σχηματίζοντας μια ολοκληρωμένη εικόνα με υψηλή ανάλυση και ταχύτητα. Το μέγεθος μιας εικόνας που μπορεί να ληφθεί με μία μόνο έκθεση καθορίζεται από το μέγεθος του pixel, τη μεγέθυνση και τον αριθμό των pixel σε μια διάταξη, ανά (1)
Για έναν τυπικό πίνακα, το οπτικό πεδίο δίνεται από (2)
Σε περιπτώσεις όπου ένα δείγμα είναι πολύ μεγάλο για το οπτικό πεδίο μιας κάμερας, μια εικόνα μπορεί να κατασκευαστεί διαχωρίζοντας την εικόνα σε ένα πλέγμα εικόνων στο μέγεθος του οπτικού πεδίου. Η λήψη αυτών των εικόνων ακολουθεί ένα μοτίβο, όπου η σκηνή θα μετακινηθεί σε μια θέση στο πλέγμα, η σκηνή θα εγκατασταθεί και στη συνέχεια η εικόνα θα ληφθεί. Στις κάμερες με ρολό κλείστρου, υπάρχει ένας επιπλέον χρόνος αναμονής ενώ το κλείστρο περιστρέφεται. Αυτές οι εικόνες μπορούν να ληφθούν μετακινώντας τη θέση της κάμερας και ενώνοντάς τες μεταξύ τους. Το Σχήμα 3 δείχνει μια μεγάλη εικόνα ενός ανθρώπινου κυττάρου υπό μικροσκοπία φθορισμού που σχηματίζεται με τη συρραφή 16 μικρότερων εικόνων.
Σχήμα 3: Μια διαφάνεια ενός ανθρώπινου κυττάρου που καταγράφεται από μια κάμερα σάρωσης περιοχής χρησιμοποιώντας απεικόνιση tile & stitch.
Γενικά, η επίλυση μεγαλύτερων λεπτομερειών θα απαιτήσει τη δημιουργία και τη συρραφή περισσότερων εικόνων με αυτόν τον τρόπο. Μια λύση σε αυτό είναι η χρήσησάρωση με κάμερα μεγάλου μεγέθους, το οποίο διαθέτει μεγάλους αισθητήρες με υψηλό αριθμό pixel, σε συνδυασμό με εξειδικευμένα οπτικά, επιτρέποντας την καταγραφή μεγαλύτερης ποσότητας λεπτομέρειας.
Σύγκριση μεταξύ TDI και σάρωσης περιοχής (Tile & Stitch)
Για τη σάρωση μεγάλης περιοχής δειγμάτων, τόσο η σάρωση Tile & Stitch όσο και η σάρωση TDI αποτελούν κατάλληλες λύσεις, ωστόσο επιλέγοντας την καλύτερη μέθοδο, είναι δυνατό να μειωθεί σημαντικά ο χρόνος που απαιτείται για τη σάρωση ενός δείγματος. Αυτή η εξοικονόμηση χρόνου επιτυγχάνεται χάρη στην ικανότητα της σάρωσης TDI να καταγράφει ένα κινούμενο δείγμα, εξαλείφοντας τις καθυστερήσεις που σχετίζονται με την καθίζηση του σταδίου και τον χρονισμό του ρολού που σχετίζεται με την απεικόνιση Tile & Stitch.
Το Σχήμα 4 συγκρίνει τις στάσεις (πράσινο) και τις κινήσεις (μαύρες γραμμές) που απαιτούνται για τη λήψη μιας εικόνας ενός ανθρώπινου κυττάρου τόσο στη σάρωση tile & stitch (αριστερά) όσο και στη σάρωση TDI (δεξιά). Εξαλείφοντας την ανάγκη διακοπής και επαναευθυγράμμισης της εικόνας στην απεικόνιση TDI, είναι δυνατό να μειωθεί σημαντικά ο χρόνος απεικόνισης, υπό την προϋπόθεση ότι ο χρόνος έκθεσης είναι χαμηλός <100 ms.
Ο Πίνακας 2 δείχνει ένα λειτουργικό παράδειγμα σάρωσης μεταξύ μιας κάμερας 9k TDI και μιας τυπικής κάμερας sCMOS.
Σχήμα 4: Ένα μοτίβο σάρωσης της λήψης ενός ανθρώπινου κυττάρου υπό φθορισμό που δείχνει πλακίδια και βελονιές (αριστερά) και απεικόνιση TDI (δεξιά).
Πίνακας 2: Σύγκριση σάρωσης περιοχής και απεικόνισης TDI για δείγμα 15 x 15 mm με αντικειμενικό φακό 10x και χρόνο έκθεσης 10 ms.
Ενώ η TDI προσφέρει φανταστικές δυνατότητες για αυξημένη ταχύτητα λήψης εικόνας, υπάρχουν κάποιες λεπτές αποχρώσεις στη χρήση αυτής της τεχνολογίας. Για υψηλούς χρόνους έκθεσης (>100 ms), η σημασία του χρόνου που χάνεται για την κίνηση και την καθίζηση της σάρωσης περιοχής μειώνεται σε σχέση με τον χρόνο έκθεσης. Σε τέτοιες περιπτώσεις, οι κάμερες σάρωσης περιοχής ενδέχεται να προσφέρουν μειωμένους χρόνους σάρωσης σε σύγκριση με την απεικόνιση TDI. Για να δείτε εάν η τεχνολογία TDI μπορεί να σας προσφέρει πλεονεκτήματα σε σχέση με την τρέχουσα ρύθμισή σας,επικοινωνήστε μαζί μαςγια μια αριθμομηχανή σύγκρισης.
Άλλες εφαρμογές
Πολλά ερευνητικά ερωτήματα απαιτούν περισσότερες πληροφορίες από μία μόνο εικόνα, όπως η λήψη εικόνας πολλαπλών καναλιών ή πολλαπλών εστιών.
Η πολυκαναλική απεικόνιση σε μια κάμερα σάρωσης περιοχής περιλαμβάνει τη λήψη εικόνων χρησιμοποιώντας ταυτόχρονα πολλαπλά μήκη κύματος. Αυτά τα κανάλια συνήθως αντιστοιχούν σε διαφορετικά μήκη κύματος φωτός, όπως κόκκινο, πράσινο και μπλε. Κάθε κανάλι συλλαμβάνει συγκεκριμένες πληροφορίες μήκους κύματος ή φάσματος από τη σκηνή. Στη συνέχεια, η κάμερα συνδυάζει αυτά τα κανάλια για να δημιουργήσει μια έγχρωμη ή πολυφασματική εικόνα, παρέχοντας μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα της σκηνής με ξεχωριστές φασματικές λεπτομέρειες. Στις κάμερες σάρωσης περιοχής, αυτό επιτυγχάνεται με διακριτές εκθέσεις, ωστόσο, με την απεικόνιση TDI, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας διαχωριστής για να διαχωρίσει τον αισθητήρα σε πολλά μέρη. Ο διαχωρισμός ενός 9kTDI (45 mm) σε 3 αισθητήρες x 15,0 mm θα εξακολουθεί να είναι μεγαλύτερος από έναν τυπικό αισθητήρα (πλάτος pixel 6,5 µm, 2048 pixel) πλάτους 13,3 mm. Επιπλέον, καθώς το TDI απαιτεί φωτισμό μόνο από το μέρος του δείγματος που απεικονίζεται, οι σαρώσεις μπορούν να κυκλωθούν πιο γρήγορα.
Ένας άλλος τομέας όπου μπορεί να συμβαίνει αυτό είναι η απεικόνιση πολλαπλών εστιών. Η απεικόνιση πολλαπλών εστιών σε κάμερες σάρωσης περιοχής περιλαμβάνει τη λήψη πολλαπλών εικόνων σε διαφορετικές αποστάσεις εστίασης και την ανάμειξή τους για τη δημιουργία μιας σύνθετης εικόνας με ολόκληρη τη σκηνή σε ευκρινή εστίαση. Αντιμετωπίζει τις ποικίλες αποστάσεις σε μια σκηνή αναλύοντας και συνδυάζοντας περιοχές εστίασης από κάθε εικόνα, με αποτέλεσμα μια πιο λεπτομερή αναπαράσταση μιας εικόνας. Και πάλι, χρησιμοποιώντας ένασχίστηςΓια να χωρίσετε τον αισθητήρα TDI σε δύο (22,5 mm) ή τρία (15,0 mm) κομμάτια, μπορεί να είναι δυνατή η λήψη μιας εικόνας πολλαπλής εστίασης πιο γρήγορα από ένα ισοδύναμο σάρωσης περιοχής. Ωστόσο, για πολλαπλή εστίαση υψηλότερης τάξης (z στοίβες των 6 ή περισσότερων), η σάρωση περιοχής είναι πιθανό να παραμείνει η ταχύτερη τεχνική απεικόνισης.
Συμπεράσματα
Αυτή η τεχνική σημείωση περιγράφει τις διαφορές μεταξύ της σάρωσης περιοχής και της τεχνολογίας TDI για σάρωση μεγάλης περιοχής. Συνδυάζοντας τη σάρωση γραμμών και την ευαισθησία sCMOS, η TDI επιτυγχάνει γρήγορη, υψηλής ποιότητας απεικόνιση χωρίς διακοπές, ξεπερνώντας τις παραδοσιακές μεθόδους σάρωσης περιοχής όπως η tile & stitch. Αξιολογήστε τα πλεονεκτήματα της χρήσης της ηλεκτρονικής μας αριθμομηχανής, λαμβάνοντας υπόψη διάφορες υποθέσεις που περιγράφονται σε αυτό το έγγραφο. Η TDI αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο για αποτελεσματική απεικόνιση με μεγάλες δυνατότητες μείωσης των χρόνων απεικόνισης τόσο σε τυπικές όσο και σε προηγμένες τεχνικές απεικόνισης.Αν θέλετε να δείτε αν μια κάμερα TDI ή μια κάμερα σάρωσης περιοχής θα μπορούσε να ταιριάξει στην εφαρμογή σας και να βελτιώσει τον χρόνο λήψης, επικοινωνήστε μαζί μας σήμερα.
