23/10/10Le délai et l'intégration (TDI) sont une méthode de capture d'images basée sur le principe du balayage linéaire. Une série d'images unidimensionnelles sont capturées pour générer une image en synchronisant le mouvement de l'échantillon et en capturant une tranche d'image par déclenchement. Bien que cette technologie existe depuis des décennies, elle est généralement associée à des applications à faible sensibilité, comme l'inspection de bandes.
Une nouvelle génération de caméras allie la sensibilité du sCMOS à la rapidité du TDI pour offrir une capture d'image d'une qualité équivalente à celle du balayage matriciel, mais avec un potentiel de débit considérablement plus élevé. Ce phénomène est particulièrement évident dans les situations où l'imagerie de grands échantillons en faible luminosité est nécessaire. Dans cette note technique, nous décrivons le fonctionnement du balayage TDI et comparons le temps de capture d'image à celui d'une technique comparable de balayage de grande surface, l'imagerie mosaïque et assemblage.
De la numérisation en ligne au TDI
L'imagerie linéaire est une technique d'imagerie qui utilise une seule ligne de pixels (appelée colonne ou platine) pour capturer une tranche d'image pendant le mouvement d'un échantillon. Grâce à des mécanismes de déclenchement électrique, une seule tranche d'image est capturée lorsque l'échantillon passe devant le capteur. En adaptant la fréquence de déclenchement de la caméra pour capturer l'image en fonction du mouvement de l'échantillon et en utilisant une carte d'acquisition d'images, ces images peuvent être assemblées pour reconstruire l'image.
L'imagerie TDI repose sur ce principe de capture d'image d'un échantillon, mais utilise plusieurs étapes pour augmenter le nombre de photoélectrons capturés. À chaque étape, l'échantillon collecte davantage d'informations qui s'ajoutent aux photoélectrons capturés lors des étapes précédentes et sont mélangées selon un processus similaire à celui des dispositifs CCD. Lorsque l'échantillon passe par l'étape finale, les photoélectrons collectés sont envoyés à un lecteur, et le signal intégré sur toute la plage est utilisé pour générer une tranche d'image. La figure 1 illustre la capture d'image sur un dispositif à cinq colonnes TDI (étapes).
Figure 1 : exemple animé de capture d'image par technologie TDI. Un échantillon (T bleu) est passé sur un dispositif de capture d'image TDI (une colonne de 5 pixels, 5 étages TDI), et des photoélectrons sont capturés à chaque étage et ajoutés au niveau du signal. Un affichage convertit le résultat en image numérique.
1a : L'image (un T bleu) est introduite sur la scène ; le T est en mouvement comme indiqué sur l'appareil.
1b : Lorsque le T franchit la première étape, la caméra TDI est déclenchée pour accepter les photoélectrons capturés par les pixels lorsqu'ils atteignent la première étape du capteur TDI. Chaque colonne comporte une série de pixels qui capturent les photoélectrons individuellement.
1c : Ces photoélectrons capturés sont transférés vers la deuxième étape, où chaque colonne pousse son niveau de signal vers l'étape suivante.
1d : Au rythme du déplacement de l'échantillon à une distance d'un pixel, un deuxième ensemble de photoélectrons est capturé à la deuxième étape et ajouté aux précédents, augmentant ainsi le signal. À la première étape, un nouvel ensemble de photoélectrons est capturé, correspondant à la tranche d'image suivante.
1e : Les processus de capture d'image décrits à l'étape 1d se répètent à mesure que l'image passe devant le capteur. Un signal est alors généré à partir des photoélectrons des étages. Ce signal est transmis à un lecteur, qui le convertit en affichage numérique.
1f : L'affichage numérique est affiché sous forme d'image colonne par colonne. Cela permet la reconstruction numérique d'une image.
Le dispositif TDI étant capable de transmettre simultanément des photoélectrons d'un étage à l'autre et de capturer de nouveaux photoélectrons du premier étage pendant que l'échantillon est en mouvement, le nombre de lignes capturées peut être pratiquement infini. Les fréquences de déclenchement, qui déterminent le nombre de captures d'image (fig. 1a), peuvent atteindre des centaines de kHz.
Dans l'exemple de la figure 2, une lame de microscope de 29 x 17 mm a été capturée en 10,1 secondes à l'aide d'une caméra TDI de 5 µm. Même à des niveaux de zoom importants, le flou est minime. Cela représente une avancée considérable par rapport aux générations précédentes de cette technologie.
Pour plus de détails, le tableau 1 montre le temps d’imagerie représentatif pour une série de tailles d’échantillons courantes à un zoom de 10, 20 et 40 x.
Figure 2 : Image d'un échantillon fluorescent capturée à l'aide d'un Tucsen 9kTDI. Exposition : 10 ms, temps de capture : 10,1 s.
Tableau 1 : Matrice du temps de capture de différentes tailles d'échantillons (secondes) à l'aide d'une caméra Tucsen 9kTDI sur une platine motorisée de la série Zaber MVR à 10, 20 et 40 x pour un temps d'exposition de 1 et 10 ms.
Imagerie par balayage de zone
L'imagerie matricielle dans les caméras sCMOS consiste à capturer simultanément une image complète à l'aide d'une matrice bidimensionnelle de pixels. Chaque pixel capte la lumière et la convertit en signaux électriques pour un traitement immédiat, formant ainsi une image complète, haute résolution et rapide. La taille d'une image pouvant être capturée en une seule exposition dépend de la taille des pixels, du grossissement et du nombre de pixels de la matrice, par exemple.1)
Pour un réseau standard, le champ de vision est donné par (2)
Lorsqu'un échantillon est trop grand pour le champ de vision d'une caméra, une image peut être construite en la décomposant en une grille d'images de la taille du champ de vision. La capture de ces images suit un schéma : la platine se déplace sur la grille, se stabilise, puis l'image est capturée. Avec les caméras à obturateur roulant, un temps d'attente supplémentaire est nécessaire pendant la rotation de l'obturateur. Ces images peuvent être capturées en déplaçant la caméra et en les assemblant. La figure 3 montre une grande image d'une cellule humaine obtenue par microscopie à fluorescence en assemblant 16 images plus petites.
Figure 3 : Une lame d’une cellule humaine capturée par une caméra à balayage de zone utilisant l’imagerie en mosaïque et en points.
En général, pour obtenir des détails plus précis, il faudra générer et assembler davantage d'images. Une solution consiste à utilisernumérisation par caméra grand format, qui dispose de grands capteurs avec un nombre élevé de pixels, en tandem avec des optiques spécialisées, permettant de capturer une plus grande quantité de détails.
Comparaison entre TDI et numérisation de zone (Tile & Stitch)
Pour l'analyse de grandes surfaces d'échantillons, les méthodes Tile & Stitch et TDI sont des solutions appropriées. Cependant, en choisissant la méthode la plus adaptée, il est possible de réduire considérablement le temps nécessaire à l'analyse d'un échantillon. Ce gain de temps est dû à la capacité du TDI à capturer un échantillon en mouvement, supprimant ainsi les délais liés à la stabilisation de la platine et à la synchronisation de l'obturateur roulant, inhérents à l'imagerie Tile & Stitch.
La figure 4 compare les arrêts (en vert) et les mouvements (lignes noires) nécessaires à la capture d'une image de cellule humaine en imagerie mosaïque et assemblage (à gauche) et TDI (à droite). En supprimant la nécessité d'arrêter et de réaligner l'image en imagerie TDI, il est possible de réduire considérablement le temps d'imagerie, à condition que le temps d'exposition soit inférieur à 100 ms.
Le tableau 2 montre un exemple concret de numérisation entre un TDI 9k et une caméra sCMOS standard.
Figure 4 : Un motif de balayage de la capture d'une cellule humaine sous fluorescence montrant l'imagerie en mosaïque et en point (à gauche) et l'imagerie TDI (à droite).
Tableau 2 : Comparaison de l'imagerie par balayage de zone et TDI pour un échantillon de 15 x 15 mm avec un objectif 10x et un temps d'exposition de 10 ms.
Bien que le TDI offre un potentiel considérable pour accélérer la capture d'images, son utilisation présente des nuances. Pour les temps d'exposition élevés (> 100 ms), le temps perdu pour les phases de déplacement et de stabilisation du balayage matriciel est moindre par rapport au temps d'exposition. Dans ce cas, les caméras matricielles peuvent offrir des temps de numérisation plus courts que l'imagerie TDI. Pour savoir si la technologie TDI peut vous offrir des avantages par rapport à votre configuration actuelle,Contactez-nouspour un calculateur de comparaison.
Autres applications
De nombreuses questions de recherche nécessitent plus d’informations qu’une seule image, comme l’acquisition d’images multicanaux ou multifocus.
L'imagerie multicanal dans une caméra matricielle consiste à capturer des images utilisant simultanément plusieurs longueurs d'onde. Ces canaux correspondent généralement à différentes longueurs d'onde de lumière, telles que le rouge, le vert et le bleu. Chaque canal capture une longueur d'onde ou des informations spectrales spécifiques de la scène. La caméra combine ensuite ces canaux pour générer une image couleur ou multispectrale, offrant une vue plus complète de la scène avec des détails spectraux distincts. Dans les caméras matricielles, cela est obtenu par des expositions discrètes. Cependant, avec l'imagerie TDI, un séparateur peut être utilisé pour séparer le capteur en plusieurs parties. Diviser un capteur 9kTDI (45 mm) en 3 capteurs de 15,0 mm sera toujours plus grand qu'un capteur standard (largeur de pixel de 6,5 µm, 2048 pixels) de 13,3 mm. De plus, comme le TDI ne nécessite d'éclairer que la partie de l'échantillon à imager, les balayages peuvent être effectués plus rapidement.
Un autre domaine où cela peut être le cas est l'imagerie multifocale. L'imagerie multifocale des caméras matricielles consiste à capturer plusieurs images à différentes distances de mise au point et à les fusionner pour créer une image composite avec une mise au point nette de la scène entière. Elle prend en compte les différentes distances d'une scène en analysant et en combinant les zones nettes de chaque image, ce qui permet d'obtenir une représentation plus détaillée de l'image. Là encore, en utilisant unséparateurEn divisant le capteur TDI en deux (22,5 mm) ou trois (15,0 mm), il est possible d'acquérir une image multifocus plus rapidement qu'avec un balayage matriciel équivalent. Cependant, pour les multifocus d'ordre supérieur (piles z de 6 ou plus), le balayage matriciel reste probablement la technique d'imagerie la plus rapide.
Conclusions
Cette note technique décrit les différences entre le balayage matriciel et la technologie TDI pour la numérisation de grandes surfaces. En combinant le balayage linéaire et la sensibilité sCMOS, le TDI permet une imagerie rapide et de haute qualité, sans interruption, surpassant les méthodes traditionnelles de balayage matriciel comme le « tuile et assemblage ». Évaluez les avantages de notre calculateur en ligne en tenant compte des différentes hypothèses présentées dans ce document. Le TDI est un outil puissant pour une imagerie efficace, offrant un potentiel considérable de réduction des temps d'imagerie, tant pour les techniques d'imagerie standard que avancées.Si vous souhaitez voir si une caméra TDI ou une caméra à balayage de zone pourrait correspondre à votre application et améliorer votre temps de capture, contactez-nous dès aujourd'hui.
