15/06/2022Capturar la luz desenfocada supone un reto para obtener imágenes nítidas y de alto contraste en muchas aplicaciones de imagen. La microscopía digital de lámina de luz (DSLM) ofrece una solución eficaz para reducir la captura de luz desenfocada mediante la sincronización de la iluminación con el obturador rodante de las cámaras CMOS modernas. Sin embargo, esta sincronización precisa requiere un control total del funcionamiento del obturador rodante de la cámara, una función que ofrecen las cámaras Tucsen con el modo de control del obturador rodante.
¿Qué es una persiana enrollable?
El obturador es la parte de la cámara que inicia y detiene la exposición a la luz. Antiguamente, las cámaras científicas utilizaban obturadores mecánicos, que se abrían para capturar una imagen y se cerraban para finalizar la exposición. Los obturadores mecánicos eran lentos y presentaban problemas de fiabilidad con el uso prolongado. Actualmente, las cámaras científicas utilizan obturadores electrónicos, que son mucho más rápidos, sencillos y versátiles.
Las cámaras con obturador rodante comienzan la adquisición de imágenes en la parte superior del sensor y avanzan línea por línea hasta la parte inferior. Esta adquisición consta de tres procesos: reinicio de la señal, exposición a la luz y lectura.
La exposición de cada fila comienza reiniciando la señal adquirida de cada píxel. Una vez transcurrido el tiempo de exposición designado para la fila superior, la lectura, que marca el final de la adquisición, se desplaza hacia abajo de la misma manera. Esto deja un área de píxeles activos que se extiende desde la parte superior hasta la inferior de la cámara, cuya altura está determinada por la duración del tiempo de exposición. Con la cámara funcionando a máxima velocidad, el retardo por línea suele estar entre 5 y 25 microsegundos por línea de píxeles, dependiendo de la velocidad de la cámara.
Para aprovechar las técnicas ópticas que requieren la sincronización del escaneo de la iluminación y el obturador rodante de la cámara, normalmente este retardo es demasiado corto, lo que significa que el obturador rodante funciona demasiado rápido para que otros componentes del hardware puedan seguirle el ritmo. Aquí es donde entra en juego el modo de control del obturador rodante.
Figura 1: Diagrama esquemático del funcionamiento de la persiana enrollable.
Cómo funciona el modo de control de obturador rodante
Gracias a la inteligencia integrada en las cámaras Tucsen, el funcionamiento del obturador rodante se puede ajustar con precisión para sincronizarlo con el hardware externo. Al añadir un pequeño retardo entre el reinicio y la lectura de cada línea, se controla el tiempo que tarda el área de píxeles activos en recorrer el sensor, lo que permite esta sincronización.
Además, la altura de la rendija del área activa escaneada se puede ajustar con precisión. Tiempos de exposición más prolongados o retardos de tiempo de línea más cortos dan como resultado una mayor altura de rendija. En el caso de DSLM, esto se puede utilizar para que coincida únicamente con el área iluminada de la muestra, logrando un equilibrio entre exponer los píxeles durante el tiempo máximo posible para una captura de señal efectiva y minimizar la luz desenfocada.
Cifra2Izquierda: Esquema del funcionamiento del obturador rodante a máxima velocidad de la cámara. Derecha: Esquema que muestra la velocidad del obturador rodante con el modo de control de obturador rodante que añade un retardo adicional entre cada línea para permitir la sincronización con otros componentes de hardware.
Con este retardo opcional, ahora hay tres variables importantes que comprender que determinan el funcionamiento del obturador rodante, que indican la altura del área de píxeles "activos" y la velocidad a la que recorre el sensor.
Tiempo de líneaEste es el tiempo predeterminado que tarda el sensor en leer una fila y pasar a la siguiente. Determina la "velocidad" nativa del sensor de la cámara y se puede especificar en el software de la cámara o aproximar para una región de interés (ROI) y un modo de cámara determinados mediante:
Donde "Velocidad máxima de fotogramas de la cámara" se refiere a la velocidad de fotogramas cuando no está limitada ni por la duración del tiempo de exposición ni por la frecuencia de disparo externa.
Tiempo de exposición:Esto determina cuánto tiempo permanece activa cada fila de píxeles, determinando así la altura del área activa para un tiempo de línea y un tiempo de retardo determinados.
Retardo de tiempo de línea:Este es el retardo adicional que añade el modo de control de obturador rodante. El modo de control de obturador rodante permite añadir retardo.en múltiplos enteros del tiempo de línea. Por ejemplo, si el tiempo de línea para una cámara es de 10 microsegundos, retardo adicional por línea de 1, 2,…Se pueden sumar hasta 8.928, lo que indica el número de múltiplos de 10 microsegundos.
También es importante la altura de la región de interés (ROI) utilizada, ya que esto determinará la cantidad de líneas que el área activa debe recorrer antes de reiniciarse.
Modos de sincronización del control de la persiana enrollable
El modo de control de la persiana enrollable tiene dos modos de funcionamiento, dependiendo de qué variable sea más importante controlar.
In Modo de retardo de tiempo de líneaPuedes configurar el tiempo de retardo como se indica anteriormente. El software te indicará, para el tiempo de exposición especificado, cuál será la altura de la ranura resultante: la altura de los píxeles activos en el obturador rodante.
In Altura de píxel activo/hendiduraEn este modo, puede configurar el número de filas del sensor que desea que estén activas durante el barrido del obturador rodante. El tiempo de exposición que haya especificado se utilizará para calcular el retardo de tiempo de línea necesario para obtener automáticamente esta altura de ranura.
Configuración del modo de control de persiana enrollable en el software
Controles del modo operativo (estado)
Figura 3: Interfaz de ejemplo para controlar el modo de control de persiana enrollable desde el software Tucsen Mosaic. Todas las opciones Disponible a través de Micro-Manager y SDK.
Hay tres estados (modos operativos) disponibles:Off, Retraso en el tiempo de línea, Altura de la hendidura.
• Cuando se establece enApagadoEl sensor se comporta con normalidad, sin ningún retardo adicional.
• Cuando se establece enRetraso en el tiempo de líneaEn este modo, puede especificar el retardo de tiempo de línea en unidades del tiempo de línea, como se explicó anteriormente.
Figura 4: Opciones de software para el retardo de tiempo de línea. Ejemplo.Interfaz del software Tucsen Mosaic. Todas las opciones disponibles a través de Micro-Manager y SDK.
El número de ciclos de tiempo de línea que se pueden agregar al retardo configurable varía de una cámara a otra. El nuevo tiempo de línea de la cámara, después de agregar el retardo, es entonces:
Tiempo de intervalo de línea = Tiempo de línea(sensor)+ (Tiempo de línea)(sensor)× Retardo de tiempo de línea)
El valor del parámetro deVelocidad de rodaduraes igual aTiempo de intervalo de línea.
El tiempo total de lectura de la imagen es entonces:
Rleerfuera de tiempo(imagen)= Tiempo de intervalo de línea×Nfilas.
Nfilases el número total de filas de píxeles de imagen en la región de interés. La velocidad de fotogramas al capturar imágenes en este modo depende del número de líneas a capturar y del tiempo de ciclo de línea:
Velocidad de fotogramas = 1/(Tiempo de lectura)(imagen)+ Tiempo de exposición)
•Cuando se establece enAltura de la hendidura mode, puedes configurar eltamaño del área activa escaneada, dado por tel número de filas de píxeles entre la señal de "reinicio" y la señal de "lectura".La altura de la ranura varía entre 1 y 2048 píxeles. Para convertirla a tamaño físico, multiplique este valor por el tamaño en píxeles que aparece en la hoja de especificaciones de la cámara.
Figura 5: Opciones de control del modo de altura de ranura. EjemploInterfaz del software Tucsen Mosaic. Todas las opciones disponibles a través de Micro-Manager y SDK.
El software calculará automáticamente el tiempo de retardo de línea y el tiempo de intervalo de línea requeridos; la fórmula es la siguiente:
Retardo de línea = Tiempo de exposición(Pauta)/ Altura de la ranura(Pauta)
En el modo de alta velocidad (modo de ganancia de la cámara), el rango de altura de la ranura solo se puede configurar a un número par, ya que en ese modo las líneas se leen de dos en dos. Los parámetros en el modo de alta velocidad se calculan de la siguiente manera.
Retardo de línea = Tiempo de exposición(Pauta)/ ½ Altura de la ranura(Pauta)
Altura de la ranura = （Tiempo de exposición(Pauta)÷ Retardo de tiempo de línea)×2
Controles de dirección de escaneo
Existen tres opciones para la dirección de la persiana enrollable:
DpropioLa dirección de escaneo hacia abajo es la predeterminada para las cámaras sCMOS. El obturador rodante comienza en la primera fila de la parte superior del sensor y escanea hacia abajo hasta la última fila de la parte inferior. Cada adquisición de fotograma posterior comienza con la primera fila de la parte superior.
Figura 6: Esquema del modo de exploración descendente
Up：En el modo de escaneo ascendente, el obturador rodante comienza en la fila inferior y escanea hasta la fila superior de la primera fila. Cada adquisición de fotograma subsiguiente comienza en la fila inferior. Aunque el orden de captura de datos en la cámara se invierte, la imagen resultante que se envía al software seguirá mostrando la orientación original; es decir, la imagen no se volteará verticalmente con respecto al modo de escaneo descendente.
Figura 7: Esquema del modo de escaneo ascendente
Ciclo descendente-ascendenteAl escanear alternativamente hacia arriba y hacia abajo, el obturador rodante comienza en la primera fila superior y desciende hasta la última fila inferior. Para el siguiente fotograma, el obturador rodante comienza en la fila inferior y escanea hacia arriba hasta la fila superior, y así sucesivamente. La orientación de la imagen adquirida en este modo es la misma que la del escaneo descendente.
Figura 8: Esquema del modo de escaneo de ciclo descendente-ascendente
• ReaDirección de duda Reiniciar
Esta función solo está disponible en el modo de ciclo descendente-ascendente.
La configuración predeterminada para este parámetro es "Sí", lo que garantiza que el primer fotograma de cada nueva secuencia de adquisición comenzará en la fila superior y se desplazará hacia abajo.
Cuando este parámetro se establece en "No", el primer fotograma de cada nueva adquisición comenzará en la posición del último fotograma de la secuencia anterior. Si el último fotograma termina en la fila inferior, el primer fotograma de las adquisiciones subsiguientes comenzará en la fila inferior y se propagará hacia arriba.
