23/10/10El retardo de tiempo e integración (TDI) es un método de captura de imágenes basado en el principio del escaneo lineal, donde se captura una serie de imágenes unidimensionales para generar una imagen mediante la sincronización del movimiento de la muestra y la captura de segmentos de la imagen mediante disparo. Si bien esta tecnología existe desde hace décadas, se ha asociado generalmente con aplicaciones de baja sensibilidad, como la inspección de bandas.
Una nueva generación de cámaras ha combinado la sensibilidad del sCMOS con la velocidad del TDI para ofrecer captura de imágenes con la misma calidad que el escaneo de área, pero con la posibilidad de un rendimiento mucho mayor. Esto es especialmente evidente en situaciones donde se requiere la captura de imágenes de muestras grandes en condiciones de poca luz. En esta nota técnica, describimos el funcionamiento del escaneo TDI y comparamos el tiempo de captura de imágenes con una técnica comparable de escaneo de área grande: la captura de imágenes en mosaico y punto.
Del escaneo de línea al TDI
La captura de imágenes por barrido lineal es una técnica de imagen que utiliza una sola línea de píxeles (denominada columna o platina) para tomar un corte de la imagen mientras la muestra está en movimiento. Mediante mecanismos de activación eléctrica, se toma un corte de la imagen a medida que la muestra pasa por el sensor. Al ajustar la frecuencia de disparo de la cámara para capturar la imagen al ritmo del movimiento de la muestra y usar un capturador de fotogramas para capturar estas imágenes, se pueden unir para reconstruir la imagen.
La captura de imágenes TDI se basa en este principio de captura de imágenes de una muestra; sin embargo, utiliza múltiples etapas para aumentar el número de fotoelectrones capturados. A medida que la muestra pasa por cada etapa, se recopila más información, que se añade a los fotoelectrones existentes capturados en etapas anteriores y se reorganizan de forma similar a los dispositivos CCD. Al pasar la muestra por la etapa final, los fotoelectrones capturados se envían a un lector, y la señal integrada en todo el rango se utiliza para generar un corte de imagen. En la Figura 1 se muestra la captura de imágenes en un dispositivo con cinco columnas TDI (etapas).
Figura 1: Ejemplo animado de captura de imágenes mediante tecnología TDI. Se pasa una muestra (T azul) por un dispositivo de captura de imágenes TDI (una columna de 5 píxeles, 5 etapas TDI), y en cada etapa se capturan fotoelectrones y se añaden al nivel de la señal. Un lector convierte esto en una imagen digital.
1a: Se introduce en el escenario la imagen (una T azul); la T está en movimiento como se muestra en el dispositivo.
1b: Al pasar la T por la primera etapa, la cámara TDI se activa para recibir fotoelectrones, que son capturados por los píxeles al alcanzar la primera etapa del sensor TDI. Cada columna tiene una serie de píxeles que capturan los fotoelectrones individualmente.
1c: Estos fotoelectrones capturados se trasladan a la segunda etapa, donde cada columna empuja su nivel de señal a la siguiente etapa.
1d: Al mismo tiempo que la muestra se desplaza a una distancia de un píxel, se captura un segundo conjunto de fotoelectrones en la etapa dos, que se suma a los capturados previamente, aumentando la señal. En la etapa 1, se captura un nuevo conjunto de fotoelectrones, correspondiente al siguiente corte de la imagen.
1e: Los procesos de captura de imágenes descritos en la etapa 1d se repiten a medida que la imagen pasa por el sensor. Esto genera una señal a partir de los fotoelectrones de las etapas. La señal se transmite a un lector, que la convierte en una lectura digital.
1f: La lectura digital se muestra como una imagen columna por columna. Esto permite la reconstrucción digital de una imagen.
Dado que el dispositivo TDI puede pasar fotoelectrones simultáneamente de una etapa a la siguiente y capturar nuevos fotoelectrones de la primera etapa mientras la muestra está en movimiento, la imagen puede ser prácticamente infinita en cuanto al número de filas capturadas. Las frecuencias de disparo, que determinan el número de veces que se captura la imagen (fig. 1a), pueden ser del orden de cientos de kHz.
En el ejemplo de la Figura 2, se capturó un portaobjetos de microscopio de 29 x 17 mm en 10,1 segundos con una cámara TDI de 5 µm de píxeles. Incluso con niveles de zoom significativos, el nivel de desenfoque es mínimo. Esto representa un gran avance con respecto a las generaciones anteriores de esta tecnología.
Para mayor detalle, la Tabla 1 muestra el tiempo de obtención de imágenes representativo para una serie de tamaños de muestra comunes con zoom de 10, 20 y 40x.
Figura 2: Imagen de una muestra fluorescente capturada con un Tucsen 9kTDI. Exposición: 10 ms; tiempo de captura: 10,1 s.
Tabla 1: Matriz de tiempo de captura de diferentes tamaños de muestra (segundos) utilizando una cámara Tucsen 9kTDI en una platina motorizada de la serie Zaber MVR a 10, 20 y 40 x para un tiempo de exposición de 1 y 10 ms.
Imágenes de escaneo de área
La captura de imágenes por escaneo de área en cámaras sCMOS implica la captura simultánea de una imagen completa mediante una matriz bidimensional de píxeles. Cada píxel captura la luz, convirtiéndola en señales eléctricas para su procesamiento inmediato y formando una imagen completa de alta resolución y velocidad. El tamaño de la imagen que se puede capturar en una sola exposición depende del tamaño del píxel, la ampliación y el número de píxeles en una matriz.1)
Para una matriz estándar, el campo de visión está dado por (2)
En casos donde una muestra es demasiado grande para el campo de visión de una cámara, se puede construir una imagen separándola en una cuadrícula de imágenes del tamaño del campo de visión. La captura de estas imágenes sigue un patrón: la platina se mueve a una posición en la cuadrícula, se asienta y, finalmente, se captura la imagen. En las cámaras de obturador rotatorio, hay un tiempo de espera adicional mientras el obturador gira. Estas imágenes se pueden capturar moviendo la posición de la cámara y uniéndolas. La Figura 3 muestra una imagen grande de una célula humana bajo microscopio de fluorescencia, formada mediante la unión de 16 imágenes más pequeñas.
Figura 3: Diapositiva de una célula humana capturada por una cámara de escaneo de área utilizando imágenes en mosaico y puntadas.
En general, para obtener una mayor resolución de detalles será necesario generar y unir más imágenes de esta manera. Una solución es emplearescaneo de cámara de gran formato, que cuenta con sensores grandes con un alto número de píxeles, junto con una óptica especializada, lo que permite capturar una mayor cantidad de detalles.
Comparación entre TDI y escaneo de área (Tile & Stitch)
Para el escaneo de muestras de áreas extensas, tanto el escaneo Tile & Stitch como el escaneo TDI son soluciones adecuadas. Sin embargo, al seleccionar el mejor método, es posible reducir significativamente el tiempo necesario para escanear una muestra. Este ahorro de tiempo se debe a la capacidad del escaneo TDI para capturar muestras en movimiento, eliminando así los retrasos asociados con la estabilización de la platina y la sincronización del obturador rodante asociados con las imágenes Tile & Stitch.
La Figura 4 compara las paradas (verdes) y los movimientos (líneas negras) necesarios para capturar la imagen de una célula humana tanto en el escaneo de mosaico y punto (izquierda) como en el de TDI (derecha). Al eliminar la necesidad de detener y realinear la imagen en el escaneo de TDI, es posible reducir significativamente el tiempo de captura, siempre que el tiempo de exposición sea inferior a 100 ms.
La Tabla 2 muestra un ejemplo práctico de escaneo entre un TDI de 9k y una cámara sCMOS estándar.
Figura 4: Motivo de escaneo de la captura de una célula humana bajo fluorescencia que muestra mosaicos y puntadas (izquierda) e imágenes TDI (derecha).
Tabla 2: Comparación del escaneo de área y la obtención de imágenes TDI para una muestra de 15 x 15 mm con una lente objetivo de 10x y un tiempo de exposición de 10 ms.
Si bien la TDI ofrece un gran potencial para aumentar la velocidad de captura de imágenes, el uso de esta tecnología presenta matices. Para tiempos de exposición altos (>100 ms), la pérdida de tiempo en los aspectos de movimiento y asentamiento del escaneo de área se reduce significativamente en comparación con el tiempo de exposición. En estos casos, las cámaras de escaneo de área pueden ofrecer tiempos de escaneo más cortos en comparación con la captura de imágenes TDI. Para comprobar si la tecnología TDI puede ofrecerle ventajas con respecto a su configuración actual,Contáctanospara una calculadora de comparación.
Otras aplicaciones
Muchas preguntas de investigación requieren más información que una sola imagen, como la adquisición de imágenes multicanal o multifoco.
La captura de imágenes multicanal en una cámara de escaneo de área implica la captura simultánea de imágenes utilizando múltiples longitudes de onda. Estos canales suelen corresponder a diferentes longitudes de onda de luz, como rojo, verde y azul. Cada canal captura una longitud de onda específica o información espectral de la escena. La cámara combina estos canales para generar una imagen a todo color o multiespectral, que proporciona una visión más completa de la escena con distintos detalles espectrales. En las cámaras de escaneo de área, esto se logra mediante exposiciones discretas; sin embargo, con la captura de imágenes TDI, se puede utilizar un divisor para separar el sensor en varias partes. Dividir un sensor TDI de 9 k (45 mm) en 3 sensores de 15,0 mm seguirá siendo mayor que un sensor estándar (ancho de píxel de 6,5 µm, 2048 píxeles) de 13,3 mm. Además, como el TDI solo requiere iluminación en la parte de la muestra que se está capturando, los escaneos pueden ciclados más rápido.
Otro ámbito donde esto puede ocurrir es en la imagen multienfoque. La imagen multienfoque en cámaras de escaneo de área implica capturar múltiples imágenes a diferentes distancias de enfoque y combinarlas para crear una imagen compuesta con toda la escena nítida. Aborda las distancias variables en una escena mediante el análisis y la combinación de las regiones enfocadas de cada imagen, lo que resulta en una representación más detallada de la imagen. De nuevo, mediante el uso de undisidenteAl dividir el sensor TDI en dos (22,5 mm) o tres (15,0 mm), es posible obtener una imagen multienfoque más rápidamente que una equivalente de escaneo de área. Sin embargo, para multienfoque de orden superior (pilas z de 6 o más), es probable que el escaneo de área siga siendo la técnica de captura de imágenes más rápida.
Conclusiones
Esta nota técnica describe las diferencias entre el escaneo de área y la tecnología TDI para el escaneo de áreas extensas. Al combinar el escaneo de línea y la sensibilidad sCMOS, la TDI logra imágenes rápidas, de alta calidad y sin interrupciones, superando los métodos tradicionales de escaneo de área como el mosaico y la unión. Evalúe las ventajas de usar nuestra calculadora en línea, considerando las diversas premisas descritas en este documento. La TDI se erige como una herramienta potente para obtener imágenes eficientes con un gran potencial para reducir los tiempos de captura, tanto en técnicas de imagen estándar como avanzadas.Si desea saber si una cámara TDI o una cámara de escaneo de área podría adaptarse a su aplicación y mejorar su tiempo de captura, contáctenos hoy.
