10/10/2023La técnica de retardo e integración temporal (TDI) es un método de captura de imágenes basado en el escaneo lineal. Consiste en capturar una serie de imágenes unidimensionales para generar una imagen mediante la sincronización del movimiento de la muestra y la captura de segmentos de imagen mediante un disparador. Si bien esta tecnología existe desde hace décadas, se ha asociado principalmente con aplicaciones de baja sensibilidad, como la inspección web.
Una nueva generación de cámaras combina la sensibilidad de la tecnología sCMOS con la velocidad de la TDI para ofrecer 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 obtención de imágenes de muestras grandes en condiciones de baja luminosidad. En esta nota técnica, describimos el funcionamiento del escaneo TDI y comparamos el tiempo de captura de imágenes con una técnica de escaneo de área grande comparable: la técnica de mosaico y unión de imágenes.
Desde el escaneo de líneas hasta el TDI
La imagen por escaneo lineal es una técnica de imagen que utiliza una sola línea de píxeles (denominada columna o plataforma) para capturar una sección de la imagen mientras una muestra está en movimiento. Mediante mecanismos de disparo eléctrico, se captura una sección 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 mismo tiempo que el movimiento de la muestra y utilizar una tarjeta de captura de fotogramas para registrar estas imágenes, se pueden unir para reconstruir la imagen.
La 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 recopila más información, que se suma a los fotoelectrones ya capturados en las etapas anteriores y se combina en un proceso similar al de los dispositivos CCD. Al pasar la muestra por la etapa final, los fotoelectrones recopilados se envían a un lector, y la señal integrada en todo el rango se utiliza para generar una 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 sistema de lectura 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 el haz T atraviesa la primera etapa, la cámara TDI se activa para captar los fotoelectrones, que son registrados por los píxeles al impactar en dicha etapa del sensor TDI. Cada columna cuenta con una serie de píxeles que capturan los fotoelectrones individualmente.
1c: Estos fotoelectrones capturados se barajan a la segunda etapa, donde cada columna empuja su nivel de señal a la siguiente etapa.
1d: En sincronía con el movimiento de la muestra (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 provenientes 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 transmitir simultáneamente fotoelectrones 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 produce la captura de imagen (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 considerables, el desenfoque es mínimo. Esto supone un gran avance con respecto a las generaciones anteriores de esta tecnología.
Para obtener más detalles, la Tabla 1 muestra el tiempo de imagen representativo 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. 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 40x 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 con alta resolución y velocidad. El tamaño de la imagen que se puede capturar en una sola exposición está determinado por el tamaño del píxel, la magnificación y el número de píxeles en la matriz.1)
Para una matriz estándar, el campo de visión viene dado por (2)
Cuando 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 desplaza a una posición en la cuadrícula, se estabiliza y, finalmente, se captura la imagen. En las cámaras de obturador electrónico, existe un tiempo de espera adicional mientras el obturador gira. Estas imágenes se pueden capturar moviendo la posición de la cámara y uniendo las imágenes resultantes. La figura 3 muestra una imagen grande de una célula humana obtenida mediante microscopía de fluorescencia, formada por la unión de 16 imágenes más pequeñas.
Figura 3: Diapositiva de una célula humana capturada por una cámara de escaneo de área utilizando imágenes de mosaico y unión.
En general, para obtener mayor detalle se requiere generar y unir más imágenes de esta manera. Una solución consiste en 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 gran superficie, tanto el escaneo Tile & Stitch como el TDI son soluciones adecuadas; sin embargo, al seleccionar el método más apropiado, es posible reducir significativamente el tiempo de escaneo. Este ahorro de tiempo se debe a la capacidad del escaneo TDI para capturar muestras en movimiento, eliminando las demoras asociadas con la estabilización de la platina y la sincronización del obturador electrónico propias del escaneo Tile & Stitch.
La figura 4 compara las paradas (verde) y los movimientos (líneas negras) necesarios para capturar la 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 la obtención de imágenes TDI, es posible reducir significativamente el tiempo de adquisición, 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 motivo de escaneo de la captura de una célula humana bajo fluorescencia que muestra mosaico y unión (izquierda) e imágenes TDI (derecha).
Tabla 2: Comparación de imágenes de escaneo de área e 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 la tecnología TDI ofrece un gran potencial para aumentar la velocidad de captura de imágenes, su uso presenta ciertas particularidades. Para tiempos de exposición elevados (superiores a 100 ms), la importancia del tiempo perdido debido al movimiento y la estabilización propios 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 más cortos que la tecnología TDI. Para comprobar si la tecnología TDI puede ofrecerle ventajas con respecto a su configuración actual,Contáctanospara una calculadora comparativa.
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 el rojo, el verde y el 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 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 imagen TDI, se puede utilizar un divisor para separar el sensor en varias partes. Dividir un sensor 9kTDI (45 mm) en 3 sensores de 15,0 mm seguirá siendo mayor que un sensor estándar (6,5 µm de ancho de píxel, 2048 píxeles) de 13,3 mm de ancho. Además, dado que la TDI solo requiere iluminación en la parte de la muestra que se está escaneando, los escaneos se pueden realizar más rápidamente.
Otro ámbito donde esto puede ocurrir es en la imagen multifoco. La imagen multifoco 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 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 misma. De nuevo, mediante el uso de unadisidenteAl dividir el sensor TDI en dos (22,5 mm) o tres (15,0 mm) partes, es posible obtener una imagen multifoco más rápidamente que con un escaneo de área equivalente. Sin embargo, para multifoco 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 con 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 de imágenes. Evalúe las ventajas de usar nuestra calculadora en línea, considerando las diversas suposiciones descritas en este documento. TDI se presenta como una herramienta potente para la obtención de imágenes eficientes, con un gran potencial para reducir los tiempos de captura tanto en técnicas de imagen estándar como avanzadas.Si desea comprobar si una cámara TDI o una cámara de escaneo de área podría ajustarse a su aplicación y mejorar su tiempo de captura, póngase en contacto con nosotros hoy mismo.
