10/10/2023La técnica de retardo e integración temporal (TDI, por sus siglas en inglés) es un método de captura de imágenes basado en el principio del escaneo lineal. En este método, se capturan varias imágenes unidimensionales para generar una imagen mediante la sincronización del movimiento de la muestra y la captura de segmentos de imagen mediante activación. Si bien esta tecnología existe desde hace décadas, generalmente se ha asociado con aplicaciones de baja sensibilidad, como la inspección de páginas web.
Una nueva generación de cámaras combina la sensibilidad de la tecnología sCMOS con la velocidad de la tecnología TDI para ofrecer una captura de imágenes de igual calidad que el escaneo de área, pero con un potencial de procesamiento mucho más rápido. Esto resulta especialmente evidente en situaciones donde se requiere la captura de imágenes de muestras grandes en condiciones de poca luz. En esta nota técnica, explicamos cómo funciona el escaneo TDI y comparamos el tiempo de captura de imágenes con una técnica de escaneo de área grande similar: la técnica de mosaico y unión de imágenes.
Desde el escaneo lineal hasta el TDI
La imagen por escaneo lineal es una técnica que utiliza una sola línea de píxeles (denominada columna o platina) para capturar una sección transversal de la imagen mientras la muestra está en movimiento. Mediante mecanismos de activación eléctrica, se captura una única sección transversal de la imagen cuando la muestra pasa por el sensor. Ajustando la frecuencia de disparo de la cámara para que capture la imagen al ritmo del movimiento de la muestra y utilizando un capturador de imágenes para capturar estas imágenes, se pueden unir para reconstruir la imagen.
La técnica de imagen TDI se basa en el principio de captura de imágenes de una muestra, pero utiliza múltiples etapas para aumentar el número de fotoelectrones capturados. A medida que la muestra pasa por cada etapa, se recoge más información que se suma a los fotoelectrones capturados en etapas anteriores y se reorganiza mediante un proceso similar al de los dispositivos CCD. Al pasar la muestra por la etapa final, los fotoelectrones recogidos se envían a un lector y la señal integrada en todo el rango se utiliza para generar una sección de imagen. En la Figura 1 se muestra la captura de imágenes en un dispositivo con cinco columnas (etapas) TDI.
Figura 1: Ejemplo animado de captura de imagen mediante tecnología TDI. Una muestra (T azul) pasa sobre un dispositivo de captura de imagen TDI (una columna de 5 píxeles, 5 etapas TDI), y los fotoelectrones se capturan en cada etapa y se suman al nivel de señal. Un lector convierte esto en una imagen digital.
1a: La imagen (una T azul) se introduce en el escenario; la T está en movimiento como se muestra en el dispositivo.
1b: Cuando la T pasa la primera etapa, la cámara TDI se activa para captar los fotoelectrones, que son capturados por los píxeles al llegar a la primera etapa del sensor TDI. Cada columna tiene una serie de píxeles que capturan los fotoelectrones individualmente.
1c: Estos fotoelectrones capturados se transfieren a la segunda etapa, donde cada columna envía su nivel de señal a la siguiente etapa.
1d: Al mismo tiempo que la muestra se desplaza un píxel, se captura un segundo conjunto de fotoelectrones en la segunda etapa, que se suma a los capturados previamente, aumentando así la señal. En la primera etapa, se captura un nuevo conjunto de fotoelectrones, correspondiente a la siguiente sección de la imagen.
1e: Los procesos de captura de imagen descritos en la etapa 1d se repiten a medida que la imagen pasa frente al sensor. Esto genera una señal a partir de los fotoelectrones de las etapas. La señal se envía 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 es capaz de transferir fotoelectrones de una etapa a otra simultáneamente 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 la cantidad de veces que se produce la captura de imágenes (fig. 1a), pueden ser del orden de cientos de kHz.
En el ejemplo de la Figura 2, se capturó una muestra microscópica de 29 x 17 mm en 10,1 segundos utilizando una cámara TDI con píxeles de 5 µm. Incluso con niveles de zoom significativos, el desenfoque es mínimo. Esto representa un gran avance con respecto a las generaciones anteriores de esta tecnología.
Para obtener más detalles, la Tabla 1 muestra tiempos de adquisición de imágenes representativos para una serie de tamaños de muestra comunes con un zoom de 10, 20 y 40x.
Figura 2: Imagen de una muestra fluorescente capturada con un Tucsen 9kTDI. Tiempo de 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 plataforma motorizada Zaber serie MVR a 10, 20 y 40 x para tiempos de exposición de 1 y 10 ms.
Imágenes de escaneo de área
La captura de imágenes mediante escaneo de área en cámaras sCMOS implica capturar una imagen completa simultáneamente utilizando una matriz bidimensional de píxeles. Cada píxel captura luz, la convierte en señales eléctricas para su procesamiento inmediato y forma una imagen completa con alta resolución y velocidad. El tamaño de una imagen que se puede capturar en una sola exposición está determinado por el tamaño del píxel, la magnificación y el número de píxeles en una matriz, por (1)
Para una matriz estándar, el campo de visión viene dado por (2)
En los casos en que una muestra es demasiado grande para el campo de visión de una cámara, se puede construir una imagen dividiéndola 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 estabiliza y, a continuación, se captura la imagen. En las cámaras con obturador rodante, existe 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 microscopía de fluorescencia, formada mediante la unión de 16 imágenes más pequeñas.
Figura 3: Una diapositiva de una célula humana capturada por una cámara de escaneo de área mediante imágenes de mosaico y unión.
En general, para obtener mayor detalle será necesario generar y unir más imágenes de esta manera. Una solución a esto es emplearEscaneo con cámara de gran formato, que cuenta con sensores de gran tamaño y un elevado 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 gran superficie, tanto el escaneo en mosaico 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 una muestra en movimiento, eliminando los retrasos asociados con el asentamiento de la platina y la sincronización del obturador rodante propios del escaneo en mosaico.
La figura 4 compara las paradas (verdes) y los movimientos (líneas negras) necesarios para capturar una imagen de una célula humana tanto en el escaneo por mosaico y unión (izquierda) como en el escaneo TDI (derecha). Al eliminar la necesidad de detener y realinear la imagen en el escaneo TDI, es posible reducir significativamente el tiempo de adquisición de imágenes, siempre que el tiempo de exposición sea bajo (<100 ms).
La tabla 2 muestra un ejemplo práctico de escaneo entre una cámara TDI de 9k y una cámara sCMOS estándar.
Figura 4: Un patrón de escaneo de la captura de una célula humana bajo fluorescencia que muestra mosaico y costura (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 un objetivo de 10x y un tiempo de exposición de 10 ms.
Si bien TDI ofrece un potencial fantástico para aumentar la velocidad de captura de imágenes, existen matices en el uso de esta tecnología. Para tiempos de exposición altos (>100 ms), la importancia del tiempo perdido debido a los aspectos de movimiento y estabilización del escaneo de área se reduce en relación con el tiempo de exposición. En tales casos, las cámaras de escaneo de área pueden ofrecer tiempos de escaneo reducidos en comparación con la imagen TDI. Para ver si la tecnología TDI puede ofrecerle beneficios sobre su configuración actual,Contáctanospara una calculadora comparativa.
Otras aplicaciones
Muchas preguntas de investigación requieren más información que una sola imagen, como por ejemplo la adquisición de imágenes multicanal o multifocales.
La obtención de imágenes multicanal en una cámara de escaneo de área implica capturar imágenes utilizando múltiples longitudes de onda simultáneamente. Estos canales suelen corresponder a diferentes longitudes de onda de luz, como rojo, verde y azul. Cada canal captura información espectral o de longitud de onda específica de la escena. La cámara combina estos canales para generar una imagen a todo color o multiespectral, proporcionando una visión más completa de la escena con detalles espectrales nítidos. En las cámaras de escaneo de área, esto se logra mediante exposiciones discretas; sin embargo, con la obtención de imágenes TDI, se puede utilizar un divisor para separar el sensor en varias partes. Dividir un sensor 9kTDI (45 mm) en tres sensores de 15,0 mm seguirá siendo mayor que el ancho de un sensor estándar (6,5 µm de ancho de píxel, 2048 píxeles) de 13,3 mm. Además, como TDI solo requiere iluminación en la parte de la muestra que se está analizando, los escaneos se pueden realizar más rápidamente.
Otra área donde esto puede ocurrir es en la imagen multifocal. La imagen multifocal 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 nítidamente enfocada. Aborda las diferentes distancias en una escena analizando y combinando las regiones enfocadas de cada imagen, lo que da como resultado una representación más detallada de la imagen. Nuevamente, al usar unadisidenteAl dividir el sensor TDI en dos (22,5 mm) o tres (15,0 mm) piezas, es posible obtener una imagen multifocal más rápidamente que con un escaneo de área equivalente. Sin embargo, para multifocales de orden superior (pilas z de 6 o más), es probable que el escaneo de área siga siendo la técnica de imagen más rápida.
Conclusiones
Esta nota técnica describe las diferencias entre el escaneo de área y la tecnología TDI para el escaneo de grandes áreas. Al combinar el escaneo lineal y la sensibilidad sCMOS, TDI logra imágenes rápidas y de alta calidad 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 suposiciones descritas en este documento. TDI se presenta como una herramienta poderosa para la obtención de imágenes eficientes, con un gran potencial para reducir los tiempos de imagen tanto en técnicas estándar como avanzadas.Si desea comprobar si una cámara TDI o una cámara de escaneo de área se ajusta a su aplicación y mejora su tiempo de captura, póngase en contacto con nosotros hoy mismo.
