۲۳/۱۰/۱۰تأخیر زمانی و ادغام (TDI) روشی برای ضبط تصویر است که بر اساس اصل اسکن خطی ساخته شده است، که در آن مجموعه‌ای از تصاویر یک بعدی برای تولید تصویر با زمان‌بندی حرکت نمونه و ضبط برش تصویر با تحریک، ضبط می‌شوند. اگرچه این فناوری چندین دهه است که وجود دارد، اما معمولاً با کاربردهای با حساسیت کم، مانند بازرسی وب، مرتبط بوده است.
نسل جدیدی از دوربین‌ها، حساسیت sCMOS را با سرعت TDI ترکیب کرده‌اند تا ضبط تصویر با کیفیتی برابر با اسکن منطقه‌ای ارائه دهند، اما با پتانسیل افزایش چندین برابری سرعت پردازش. این امر به ویژه در شرایطی که تصویربرداری از نمونه‌های بزرگ در شرایط کم‌نور مورد نیاز است، مشهود است. در این یادداشت فنی، نحوه عملکرد اسکن TDI را شرح می‌دهیم و زمان ضبط تصویر را با یک تکنیک اسکن منطقه‌ای بزرگ قابل مقایسه، یعنی تصویربرداری کاشی و دوخت، مقایسه می‌کنیم.
از اسکن خطی تا TDI
تصویربرداری اسکن خطی یک تکنیک تصویربرداری است که از یک خط پیکسل (که به آن ستون یا مرحله گفته می‌شود) برای گرفتن برشی از تصویر در حالی که نمونه در حال حرکت است، استفاده می‌کند. با استفاده از مکانیسم‌های تحریک الکتریکی، یک «برش» واحد از تصویر هنگام عبور نمونه از حسگر گرفته می‌شود. با مقیاس‌بندی نرخ تحریک دوربین برای ثبت تصویر همگام با حرکت نمونه و استفاده از یک گیرنده فریم برای ثبت این تصاویر، می‌توان آنها را به هم چسباند تا تصویر بازسازی شود.
تصویربرداری TDI بر اساس این اصل ثبت تصویر از یک نمونه ساخته شده است، با این حال، از چندین مرحله برای افزایش تعداد فوتوالکترون‌های ثبت شده استفاده می‌کند. با عبور نمونه از هر مرحله، اطلاعات بیشتری جمع‌آوری شده و به فوتوالکترون‌های موجود ثبت شده توسط مراحل قبلی اضافه شده و در فرآیندی مشابه دستگاه‌های CCD با هم ترکیب می‌شوند. با عبور نمونه از مرحله نهایی، فوتوالکترون‌های جمع‌آوری شده به یک خروجی ارسال می‌شوند و سیگنال یکپارچه در سراسر محدوده برای تولید یک برش تصویر استفاده می‌شود. در شکل 1، ثبت تصویر در دستگاهی با پنج ستون (مرحله) TDI نشان داده شده است.
شکل ۱: یک نمونه متحرک از ثبت تصویر با استفاده از فناوری TDI. یک نمونه (T آبی) از روی یک دستگاه ثبت تصویر TDI (ستونی از ۵ پیکسل، ۵ مرحله TDI) عبور داده می‌شود و فوتوالکترون‌ها در هر مرحله ثبت شده و به سطح سیگنال اضافه می‌شوند. یک بازخوانی این را به یک تصویر دیجیتال تبدیل می‌کند.
۱a: تصویر (یک T آبی) به صحنه معرفی می‌شود؛ T همانطور که در دستگاه نشان داده شده است، در حال حرکت است.
۱ب: همزمان با عبور T از مرحله اول، دوربین TDI برای پذیرش فوتوالکترون‌هایی که توسط پیکسل‌ها هنگام برخورد به مرحله اول حسگر TDI ثبت شده‌اند، فعال می‌شود. هر ستون دارای مجموعه‌ای از پیکسل‌ها است که فوتوالکترون‌ها را به صورت جداگانه ثبت می‌کنند.
۱c: این فوتوالکترون‌های جذب‌شده به مرحله دوم منتقل می‌شوند، جایی که هر ستون سطح سیگنال خود را به مرحله بعدی منتقل می‌کند.
۱d: همزمان با حرکت نمونه در فاصله یک پیکسلی، مجموعه دوم فوتوالکترون‌ها در مرحله دوم ثبت می‌شوند و به فوتوالکترون‌های ثبت‌شده قبلی اضافه می‌شوند و سیگنال را افزایش می‌دهند. در مرحله ۱، مجموعه جدیدی از فوتوالکترون‌ها ثبت می‌شوند که مربوط به برش بعدی ثبت تصویر است.
۱ه: فرآیندهای ثبت تصویر که در مرحله ۱د شرح داده شد، با عبور تصویر از حسگر تکرار می‌شوند. این کار باعث ایجاد سیگنالی از فوتوالکترون‌های مراحل می‌شود. این سیگنال به یک بازخوانی منتقل می‌شود که سیگنال فوتوالکترون را به یک بازخوانی دیجیتال تبدیل می‌کند.
۱f: خروجی دیجیتال به صورت ستون به ستون به صورت تصویر نمایش داده می‌شود. این امکان بازسازی دیجیتال یک تصویر را فراهم می‌کند.
از آنجایی که دستگاه TDI قادر است همزمان فوتوالکترون‌ها را از یک مرحله به مرحله بعدی منتقل کند و فوتوالکترون‌های جدید را از مرحله اول در حالی که نمونه در حال حرکت است، ثبت کند، تصویر می‌تواند عملاً از نظر تعداد ردیف‌های ثبت شده بی‌نهایت باشد. نرخ‌های تریگر، که تعداد دفعات ثبت تصویر (شکل 1a) را تعیین می‌کنند، می‌توانند در حدود صدها کیلوهرتز باشند.
در مثال شکل ۲، یک لام میکروسکوپی ۲۹ در ۱۷ میلی‌متری با استفاده از یک دوربین TDI با پیکسل ۵ میکرومتر در ۱۰.۱ ثانیه تصویربرداری شد. حتی در سطوح بزرگنمایی قابل توجه، میزان تاری حداقل است. این نشان دهنده پیشرفت بزرگی نسبت به نسل‌های قبلی این فناوری است.
برای جزئیات بیشتر، جدول 1 زمان تصویربرداری نمونه را برای مجموعه‌ای از اندازه‌های نمونه رایج در بزرگنمایی 10، 20 و 40 برابر نشان می‌دهد.
شکل ۲: تصویری از یک نمونه فلورسنت که با استفاده از Tucsen 9kTDI گرفته شده است. نوردهی ۱۰ میلی‌ثانیه، زمان ثبت ۱۰.۱ ثانیه.
جدول ۱: ماتریس زمان ثبت اندازه‌های نمونه مختلف (ثانیه) با استفاده از دوربین Tucsen 9kTDI روی یک صحنه موتوریزه سری Zaber MVR با بزرگنمایی ۱۰، ۲۰ و ۴۰ برابر برای زمان نوردهی ۱ و ۱۰ میلی‌ثانیه.
تصویربرداری اسکن ناحیه‌ای
تصویربرداری اسکن ناحیه‌ای در دوربین‌های sCMOS شامل ثبت همزمان یک تصویر کامل با استفاده از یک آرایه دو بعدی از پیکسل‌ها است. هر پیکسل نور را دریافت می‌کند، آن را به سیگنال‌های الکتریکی برای پردازش فوری تبدیل می‌کند و یک تصویر کامل با وضوح و سرعت بالا تشکیل می‌دهد. اندازه تصویری که می‌تواند در یک نوردهی واحد ثبت شود، توسط اندازه پیکسل، بزرگنمایی و تعداد پیکسل‌ها در یک آرایه، به ازای هر () تعیین می‌شود.۱)
برای یک آرایه استاندارد، میدان دید با () داده می‌شود.2)
در مواردی که نمونه برای میدان دید دوربین خیلی بزرگ است، می‌توان با تقسیم تصویر به شبکه‌ای از تصاویر با اندازه میدان دید، تصویر را ساخت. ثبت این تصاویر از یک الگو پیروی می‌کند، به این صورت که صفحه نمایش به موقعیتی روی شبکه حرکت می‌کند، صفحه نمایش مستقر می‌شود و سپس تصویر ثبت می‌شود. در دوربین‌های شاتر چرخشی، یک زمان انتظار اضافی در حین چرخش شاتر وجود دارد. این تصاویر را می‌توان با جابجایی موقعیت دوربین و چسباندن آنها به یکدیگر ثبت کرد. شکل 3 تصویر بزرگی از یک سلول انسانی را در زیر میکروسکوپ فلورسانس نشان می‌دهد که با چسباندن 16 تصویر کوچکتر به یکدیگر تشکیل شده است.
شکل ۳: اسلایدی از یک سلول انسانی که توسط دوربین اسکن ناحیه‌ای با استفاده از تصویربرداری tile & stitch گرفته شده است.
به طور کلی، برای نمایش جزئیات بیشتر، نیاز به تولید و ترکیب تصاویر بیشتری به این روش است. یک راه حل برای این مشکل، استفاده ازاسکن با دوربین فرمت بزرگکه دارای سنسورهای بزرگ با تعداد پیکسل بالا، همراه با اپتیک‌های تخصصی است، امکان ثبت جزئیات بیشتری را فراهم می‌کند.
مقایسه بین TDI و اسکن منطقه‌ای (Tile & Stitch)
برای اسکن نمونه‌ها در سطح وسیع، هم اسکن Tile & Stitch و هم اسکن TDI راه‌حل‌های مناسبی هستند، با این حال با انتخاب بهترین روش، می‌توان زمان لازم برای اسکن یک نمونه را به طور قابل توجهی کاهش داد. این صرفه‌جویی در زمان به دلیل توانایی اسکن TDI در گرفتن یک نمونه متحرک ایجاد می‌شود؛ که تأخیرهای مرتبط با ته‌نشینی مرحله‌ای و زمان‌بندی شاتر چرخشی مرتبط با تصویربرداری Tile & Stitch را از بین می‌برد.
شکل ۴، توقف‌ها (سبز) و حرکات (خطوط سیاه) مورد نیاز برای ثبت تصویر از یک سلول انسانی را در هر دو روش اسکن tile & stitch (چپ) و TDI (راست) مقایسه می‌کند. با حذف نیاز به توقف و تنظیم مجدد تصویر در تصویربرداری TDI، می‌توان زمان تصویربرداری را به میزان قابل توجهی کاهش داد، مشروط بر اینکه زمان نوردهی کم و کمتر از ۱۰۰ میلی‌ثانیه باشد.
جدول ۲ یک مثال عملی از اسکن بین یک دوربین ۹k TDI و یک دوربین sCMOS استاندارد را نشان می‌دهد.
شکل ۴: موتیف اسکن از تصویربرداری سلول انسانی تحت فلورسانس که روش tile and stitch (چپ) و تصویربرداری TDI (راست) را نشان می‌دهد.
جدول ۲: مقایسه اسکن ناحیه‌ای و تصویربرداری TDI برای یک نمونه ۱۵ در ۱۵ میلی‌متر با عدسی شیئی ۱۰x و زمان نوردهی ۱۰ میلی‌ثانیه.
اگرچه TDI پتانسیل فوق‌العاده‌ای برای افزایش سرعت ثبت تصویر ارائه می‌دهد، اما نکات ظریفی در استفاده از این فناوری وجود دارد. برای زمان‌های نوردهی بالا (بیش از ۱۰۰ میلی‌ثانیه)، اهمیت زمان از دست رفته برای جنبه‌های حرکت و استقرار اسکن منطقه‌ای نسبت به زمان نوردهی کاهش می‌یابد. در چنین مواردی، دوربین‌های اسکن منطقه‌ای ممکن است زمان اسکن کمتری در مقایسه با تصویربرداری TDI ارائه دهند. برای بررسی اینکه آیا فناوری TDI می‌تواند مزایایی نسبت به سیستم فعلی شما ارائه دهد،با ما تماس بگیریدبرای یک ماشین حساب مقایسه.
کاربردهای دیگر
بسیاری از سوالات تحقیقاتی به اطلاعات بیشتری نسبت به یک تصویر واحد نیاز دارند، مانند تصویربرداری چندکاناله یا چندکانونی.
تصویربرداری چند کاناله در یک دوربین اسکن منطقه‌ای شامل ثبت تصاویر با استفاده از چندین طول موج به طور همزمان است. این کانال‌ها معمولاً مربوط به طول موج‌های مختلف نور مانند قرمز، سبز و آبی هستند. هر کانال، طول موج یا اطلاعات طیفی خاصی را از صحنه ثبت می‌کند. سپس دوربین این کانال‌ها را برای تولید یک تصویر تمام رنگی یا چند طیفی ترکیب می‌کند و نمای جامع‌تری از صحنه با جزئیات طیفی متمایز ارائه می‌دهد. در دوربین‌های اسکن منطقه‌ای، این امر با نوردهی‌های گسسته حاصل می‌شود، با این حال، با تصویربرداری TDI، می‌توان از یک تقسیم‌کننده برای جداسازی حسگر به چندین قسمت استفاده کرد. تقسیم یک 9kTDI (45 میلی‌متر) به حسگرهای 3 در 15.0 میلی‌متری همچنان بزرگتر از یک حسگر استاندارد (با عرض پیکسل 6.5 میکرومتر، 2048 پیکسل) با عرض 13.3 میلی‌متر خواهد بود. علاوه بر این، از آنجایی که TDI فقط به نور در بخشی از نمونه مورد تصویربرداری نیاز دارد، اسکن‌ها می‌توانند سریع‌تر چرخه‌بندی شوند.
یکی دیگر از حوزه‌هایی که ممکن است این مورد مطرح باشد، تصویربرداری چند کانونی است. تصویربرداری چند کانونی در دوربین‌های اسکن منطقه‌ای شامل ثبت چندین تصویر در فواصل کانونی مختلف و ترکیب آنها برای ایجاد یک تصویر ترکیبی با کل صحنه در فوکوس واضح است. این روش با تجزیه و تحلیل و ترکیب نواحی فوکوس شده از هر تصویر، فواصل مختلف در یک صحنه را بررسی می‌کند و در نتیجه نمایش دقیق‌تری از یک تصویر ارائه می‌دهد. باز هم، با استفاده ازشکافندهبا تقسیم حسگر TDI به دو قطعه (22.5 میلی‌متر) یا سه قطعه (15.0 میلی‌متر)، ممکن است بتوان تصویری با فوکوس چندگانه را سریع‌تر از معادل اسکن منطقه‌ای به دست آورد. با این حال، برای فوکوس چندگانه مرتبه بالاتر (z stacks از 6 یا بیشتر)، اسکن منطقه‌ای احتمالاً سریع‌ترین تکنیک تصویربرداری باقی خواهد ماند.
نتیجه‌گیری
این یادداشت فنی، تفاوت‌های بین اسکن منطقه‌ای و فناوری TDI را برای اسکن مناطق بزرگ تشریح می‌کند. با ادغام اسکن خطی و حساسیت sCMOS، TDI به تصویربرداری سریع و با کیفیت بالا و بدون وقفه دست می‌یابد و از روش‌های سنتی اسکن منطقه‌ای مانند tile & stitch پیشی می‌گیرد. مزایای استفاده از ماشین حساب آنلاین ما را با در نظر گرفتن فرضیات مختلف ذکر شده در این سند ارزیابی کنید. TDI به عنوان ابزاری قدرتمند برای تصویربرداری کارآمد با پتانسیل بالا برای کاهش زمان تصویربرداری در هر دو تکنیک تصویربرداری استاندارد و پیشرفته، مطرح است.اگر می‌خواهید ببینید که آیا یک دوربین TDI یا دوربین اسکن منطقه‌ای می‌تواند با کاربرد شما مطابقت داشته باشد و زمان تصویربرداری شما را بهبود بخشد، همین امروز با ما تماس بگیرید.
