23.10.2010Aikaviive ja integrointi (TDI) on kuvankaappausmenetelmä, joka perustuu viivapyyhkäisyyn. Siinä otetaan sarja yksiulotteisia kuvia, jotka muodostavat kuvan ajoittamalla näytteen liike ja kuvaviipaleen kaappaamalla liipaisu. Vaikka tätä tekniikkaa on ollut olemassa jo vuosikymmeniä, sitä on tyypillisesti käytetty matalan herkkyyden sovelluksissa, kuten radantarkastuksessa.
Uuden sukupolven kamerat ovat yhdistäneet sCMOS:n herkkyyden TDI:n nopeuteen tarjotakseen alueskannausta vastaavan kuvanlaadun, mutta mahdollisesti jopa suuruusluokkaa nopeamman läpimenon. Tämä on erityisen ilmeistä tilanteissa, joissa on kuvattava suuria näytteitä hämärässä. Tässä teknisessä muistiossa esittelemme, miten TDI-skannaus toimii, ja vertaamme kuvanottoaikaa vastaavaan laaja-alaiseen skannaustekniikkaan, laatta- ja ommelkuvantamiseen.
Viivaskannauksesta TDI:hin
Viivakuvantaminen on kuvantamistekniikka, jossa käytetään yhtä pikseliriviä (jota kutsutaan sarakkeeksi tai näyttämöksi) kuvan siivun ottamiseen näytteen liikkuessa. Sähköisten liipaisumekanismien avulla kuvasta otetaan yksi "siivu", kun näyte ohittaa anturin. Skaalaamalla kameran liipaisunopeutta kuvan ottamiseksi näytteen liikkeen tahdissa ja käyttämällä kuvankaappaajaa näiden kuvien ottamiseen, ne voidaan yhdistää kuvan rekonstruoimiseksi.
TDI-kuvantaminen perustuu tähän näytteen kuvantamisperiaatteeseen, mutta siinä käytetään useita vaiheita tallennettujen fotoelektronien määrän lisäämiseksi. Kun näyte ohittaa jokaisen vaiheen, kerätään lisää tietoa, joka lisätään aiempien vaiheiden tallentamiin fotoelektroneihin ja sekoitetaan samalla tavalla kuin CCD-laitteissa. Kun näyte kulkee viimeisen vaiheen yli, kerätyt fotoelektronit lähetetään lukemaan, ja koko alueen integroitua signaalia käytetään kuvaleikkeen luomiseen. Kuvassa 1 on esitetty kuvanotto laitteella, jossa on viisi TDI-saraketta (vaihetta).
Kuva 1: animoitu esimerkki kuvan ottamisesta TDI-tekniikalla. Näyte (sininen T) johdetaan TDI-kuvanottolaitteen (5 pikselin sarake, 5 TDI-vaihetta) läpi, ja kussakin vaiheessa valoelektroneja kaapataan ja lisätään signaalitasoon. Lukema muuntaa tämän digitaaliseksi kuvaksi.
1a: Kuva (sininen T) tuodaan lavalle; T liikkuu, kuten laitteessa näkyy.
1b: Kun T ohittaa ensimmäisen vaiheen, TDI-kamera laukeaa vastaanottamaan fotoelektroneja, jotka pikselit sieppaavat niiden osuessa TDI-anturin ensimmäiseen vaiheeseen. Jokaisessa sarakkeessa on sarja pikseleitä, jotka sieppaavat fotoelektroneja yksittäin.
1c: Nämä kaapatut fotoelektronit siirretään toiseen vaiheeseen, jossa jokainen sarake työntää signaalitasoaan seuraavaan vaiheeseen.
1d: Näytteen yhden pikselin etäisyyden liikkuessa vaiheessa kaksi kaapataan toinen fotoelektronisarja, joka lisätään aiemmin kaapattuihin, mikä vahvistaa signaalia. Vaiheessa 1 kaapataan uusi fotoelektronisarja, joka vastaa seuraavaa kuvakaappausta.
1e: Vaiheessa 1d kuvatut kuvanottoprosessit toistetaan kuvan liikkuessa anturin ohi. Tämä muodostaa signaalin vaiheiden fotoelektroneista. Signaali johdetaan lukemayksikköön, joka muuntaa fotoelektronisignaalin digitaaliseksi lukemaksi.
1f: Digitaalinen lukema näytetään kuvana sarake sarakkeelta. Tämä mahdollistaa kuvan digitaalisen rekonstruoinnin.
Koska TDI-laite pystyy samanaikaisesti siirtämään fotoelektroneja vaiheesta toiseen ja sieppaamaan uusia fotoelektroneja ensimmäisestä vaiheesta näytteen liikkuessa, kuvassa voi olla käytännössä ääretön määrä rivejä, jotka siepataan. Liipaisutaajuudet, jotka määräävät kuvanottokertojen määrän (kuva 1a), voivat olla satojen kHz:ien luokkaa.
Kuvan 2 esimerkissä 29 x 17 mm:n mikroskooppilasilevy kuvattiin 10,1 sekunnissa käyttämällä 5 µm:n pikselin TDI-kameraa. Jopa merkittävillä zoomaustasoilla epäterävyys on minimaalinen. Tämä on valtava edistysaskel tämän tekniikan aiempiin sukupolviin verrattuna.
Lisätietoja on taulukossa 1 esitetty edustava kuvantamisaika useille yleisille näytekooille 10-, 20- ja 40-kertaisella zoomilla.
Kuva 2: Fluoresoivasta näytteestä otettu kuva, joka on otettu Tucsen 9kTDI:llä. Valotusaika 10 ms, kuvausaika 10,1 s.
Taulukko 1: Eri näytekokojen (sekunteina) kuvausaikojen matriisi Tucsen 9kTDI -kameralla Zaber MVR -sarjan moottoroidulla alustalla 10, 20 ja 40-kertaisella suurennuksella 1 ja 10 ms:n valotusajoilla.
Aluekuvaus
sCMOS-kameroiden aluekuvauksessa koko kuva otetaan samanaikaisesti kaksiulotteisen pikselimatriisin avulla. Jokainen pikseli tallentaa valoa, muuntaa sen sähköisiksi signaaleiksi välitöntä käsittelyä varten ja muodostaa täydellisen kuvan suurella resoluutiolla ja nopeudella. Yhdellä valotuksella otettavan kuvan koko määräytyy pikselikoon, suurennussuhteen ja matriisin pikselien lukumäärän mukaan (1)
Vakiomatriisin näkökenttä saadaan kaavasta (2)
Tapauksissa, joissa näyte on liian suuri kameran kuva-alueelle, kuva voidaan konstruoida jakamalla kuva kuva-alan kokoisten kuvien ruudukkoon. Näiden kuvien ottaminen noudattaa kaavaa, jossa alusta siirtyy ruudukon tiettyyn kohtaan, alusta asettuu paikoilleen ja sitten kuva otetaan. Rullasuljinkameroissa on ylimääräinen odotusaika sulkimen pyöriessä. Nämä kuvat voidaan ottaa siirtämällä kameran asentoa ja ompelemalla ne yhteen. Kuva 3 esittää suurta kuvaa ihmissolusta fluoresenssimikroskopiassa, joka on muodostettu ompelemalla yhteen 16 pienempää kuvaa.
Kuva 3: Ihmissolun diakuva, joka on tallennettu alueskannauskameralla laatta- ja ommelkuvantamisen avulla.
Yleisesti ottaen suurempien yksityiskohtien ratkaiseminen vaatii useampien kuvien luomista ja yhdistämistä tällä tavalla. Yksi ratkaisu tähän on käyttääsuuren formaatin kameraskannaus, jossa on suuret anturit ja korkea pikselimäärä yhdessä erikoistuneen optiikan kanssa, mikä mahdollistaa suuremman määrän yksityiskohtia tallentamisen.
TDI:n ja alueskannauksen (Tile & Stitch) vertailu
Laajojen näytealueiden skannaukseen sekä Tile & Stitch- että TDI-skannaus ovat sopivia ratkaisuja, mutta valitsemalla parhaan menetelmän on mahdollista lyhentää näytteen skannaukseen tarvittavaa aikaa merkittävästi. Tämä ajansäästö syntyy TDI-skannauksen kyvystä tallentaa liikkuva näyte, mikä poistaa Tile & Stitch -kuvantamiseen liittyvät viiveet, jotka liittyvät vaiheen asettumiseen ja liikkuvan sulkimen ajoitukseen.
Kuvassa 4 vertaillaan ihmissolun kuvan ottamiseksi tarvittavia pysäytyksiä (vihreät) ja liikkeitä (mustat viivat) sekä laatta- ja stitch-skannauksessa (vasen) että TDI-skannauksessa (oikea). Poistamalla kuvan pysäyttämisen ja uudelleenkohdistamisen tarpeen TDI-kuvantamisessa, kuvausaikaa voidaan lyhentää merkittävästi, edellyttäen, että valotusaika on lyhyt, alle 100 ms.
Taulukossa 2 on esitetty toiminut esimerkki skannauksesta 9k TDI:n ja tavallisen sCMOS-kameran välillä.
Kuva 4: Ihmissolun kaappauksen skannausaihe fluoresenssin alla, jossa näkyy laatta ja pisto (vasen) ja TDI-kuvaus (oikea).
Taulukko 2: Alueskannauksen ja TDI-kuvantamisen vertailu 15 x 15 mm:n näytteelle, jossa on 10x objektiivi ja 10 ms:n valotusaika.
Vaikka TDI tarjoaa loistavan potentiaalin kuvantamisnopeuden lisäämiseen, tämän teknologian käytössä on omat vivahteensa. Pitkillä valotusajoilla (>100 ms) alueskannauksen liikkumiseen ja asettumiseen liittyvän ajanhukan merkitys on pienempi suhteessa valotusaikaan. Tällaisissa tapauksissa alueskannauskamerat voivat tarjota lyhyempiä skannausaikoja verrattuna TDI-kuvantamiseen. Jos haluat nähdä, voiko TDI-teknologia tarjota sinulle etuja nykyiseen kokoonpanoosi verrattuna,ota meihin yhteyttävertailulaskuria varten.
Muut sovellukset
Monet tutkimuskysymykset vaativat enemmän tietoa kuin yhden kuvan, kuten monikanavainen tai monitarkenteinen kuvanotto.
Alueskannauskamerassa tapahtuva monikanavainen kuvantaminen käsittää kuvien ottamisen samanaikaisesti useilla aallonpituuksilla. Nämä kanavat vastaavat tyypillisesti valon eri aallonpituuksia, kuten punaista, vihreää ja sinistä. Jokainen kanava tallentaa tietyn aallonpituus- tai spektritiedon kuvasta. Kamera yhdistää sitten nämä kanavat luodakseen täysvärisen tai monispektrikuvan, joka tarjoaa kattavamman kuvan kuvasta ja selkeät spektritiedot. Alueskannauskameroissa tämä saavutetaan erillisillä valotuksilla, mutta TDI-kuvantamisessa voidaan käyttää jakajaa anturin erottamiseen useisiin osiin. 9kTDI-anturin (45 mm) jakaminen 3 x 15,0 mm:n anturiksi on silti suurempi kuin 13,3 mm:n leveä vakioanturi (6,5 µm pikselinleveys, 2048 pikseliä). Lisäksi, koska TDI vaatii valaistusta vain kuvattavassa näytteen osassa, skannaukset voidaan suorittaa nopeammin.
Toinen alue, jolla tämä voi olla mahdollista, on monitarkennuskuvaus. Monitarkennuskuvaus alueellisissa skannauskameroissa tarkoittaa useiden kuvien ottamista eri tarkennusetäisyyksillä ja niiden yhdistämistä yhdistelmäkuvaksi, jossa koko kohtaus on terävästi tarkennettu. Se käsittelee kohtauksen vaihtelevia etäisyyksiä analysoimalla ja yhdistämällä kunkin kuvan tarkentuneita alueita, mikä johtaa kuvan yksityiskohtaisempaan esitykseen. Jälleen kerran käyttämälläjakajaJakamalla TDI-anturi kahteen (22,5 mm) tai kolmeen (15,0 mm) osaan voi olla mahdollista saada monitarkennuskuva nopeammin kuin vastaavalla alueskannauksella. Korkeamman asteen monitarkennuksilla (z-pinot, joissa on 6 tai enemmän) alueskannaus on kuitenkin todennäköisesti edelleen nopein kuvantamistekniikka.
Johtopäätökset
Tässä teknisessä muistiossa esitetään alueskannauksen ja TDI-tekniikan erot laajojen alueiden skannauksessa. Yhdistämällä viivaskannauksen ja sCMOS-herkkyyden TDI saavuttaa nopean ja korkealaatuisen kuvantamisen ilman keskeytyksiä, ylittäen perinteiset alueskannausmenetelmät, kuten laatoitus ja yhdistäminen. Arvioi online-laskimemme käytön etuja ottaen huomioon tässä asiakirjassa esitetyt oletukset. TDI on tehokas työkalu tehokkaaseen kuvantamiseen, jolla on suuri potentiaali lyhentää kuvantamisaikoja sekä tavallisissa että edistyneissä kuvantamistekniikoissa.Jos haluat selvittää, sopisiko TDI-kamera tai alueskannauskamera sovellukseesi ja parantaisiko kuvausaikaasi, ota meihin yhteyttä jo tänään.
