23/10/10O retardo e integración de tempo (TDI) é un método de captura de imaxes baseado no principio da dixitalización lineal, onde se captura unha serie de imaxes unidimensionais para xerar unha imaxe cronometrando o movemento da mostra e a captura de cortes de imaxe mediante activación. Aínda que esta tecnoloxía existe desde hai décadas, adoita asociarse a aplicacións de baixa sensibilidade, como a inspección web.
Unha nova xeración de cámaras combinou a sensibilidade do sCMOS coa velocidade do TDI para ofrecer unha captura de imaxes de igual calidade que a da exploración de área, pero co potencial dun rendemento moito máis rápido. Isto é particularmente evidente en situacións nas que se require a obtención de imaxes de mostras grandes en condicións de pouca luz. Nesta nota técnica, describimos como funciona a exploración TDI e comparamos o tempo de captura de imaxes cunha técnica de exploración de área grande comparable, a imaxe de mosaico e punto.
Da dixitalización lineal ao TDI
A obtención de imaxes por varrido lineal é unha técnica de obtención de imaxes que emprega unha única liña de píxeles (denominada columna ou etapa) para tomar unha porción dunha imaxe mentres unha mostra está en movemento. Mediante mecanismos de disparo eléctricos, tómase unha única "porción" dunha imaxe mentres a mostra pasa polo sensor. Ao escalar a velocidade de disparo da cámara para capturar a imaxe en consonancia co movemento da mostra e usar un dispositivo de captura de fotogramas para capturar estas imaxes, pódense unir para reconstruír a imaxe.
A obtención de imaxes TDI baséase neste principio de captura de imaxes dunha mostra, pero emprega varias etapas para aumentar o número de fotoelectróns capturados. A medida que a mostra pasa por cada etapa, recóllese máis información e engádese aos fotoelectróns existentes capturados polas etapas anteriores e mesturados nun proceso similar ao dos dispositivos CCD. A medida que a mostra pasa pola etapa final, os fotoelectróns recollidos envíanse a un lector e o sinal integrado en todo o rango úsase para xerar unha porción de imaxe. Na Figura 1 móstrase a captura de imaxes nun dispositivo con cinco columnas (etapas) TDI.
Figura 1: un exemplo animado de captura de imaxes mediante tecnoloxía TDI. Pásase unha mostra (T azul) por un dispositivo de captura de imaxes TDI (unha columna de 5 píxeles, 5 etapas TDI) e os fotoelectróns captúranse en cada etapa e engádense ao nivel do sinal. Unha lectura converte isto nunha imaxe dixital.
1a: A imaxe (un T azul) introdúcese no escenario; o T está en movemento como se mostra no dispositivo.
1b: Cando a T pasa pola primeira etapa, a cámara TDI actívase para aceptar fotoelectróns que son capturados polos píxeles ao chegar á primeira etapa do sensor TDI. Cada columna ten unha serie de píxeles que capturan fotoelectróns individualmente.
1c: Estes fotoelectróns capturados son barallados á segunda etapa, onde cada columna eleva o seu nivel de sinal á seguinte etapa.
1d: Ao mesmo tempo que o movemento da mostra a unha distancia dun píxel, captúrase un segundo conxunto de fotoelectróns na segunda etapa e engádense aos capturados previamente, aumentando o sinal. Na etapa 1, captúrase un novo conxunto de fotoelectróns, que corresponde á seguinte porción da captura de imaxe.
1e: Os procesos de captura de imaxes descritos na etapa 1d repítense a medida que a imaxe pasa polo sensor. Isto xera un sinal a partir de fotoelectróns das etapas. O sinal pásase a un lector, que converte o sinal de fotoelectróns nunha lectura dixital.
1f: A lectura dixital móstrase como unha imaxe columna por columna. Isto permite a reconstrución dixital dunha imaxe.
Como o dispositivo TDI é capaz de pasar simultaneamente fotoelectróns dunha etapa á seguinte e capturar novos fotoelectróns da primeira etapa mentres a mostra está en movemento, a imaxe pode ser practicamente infinita no número de filas capturadas. As taxas de disparo, que determinan o número de veces que se produce a captura de imaxes (figura 1a), poden ser da orde de centos de kHz.
No exemplo da Figura 2, capturouse un portaobxectos de microscopio de 29 x 17 mm en 10,1 segundos cunha cámara TDI de 5 µm de píxeles. Mesmo con niveis de zoom significativos, o nivel de desenfoque é mínimo. Isto representa un gran avance con respecto ás xeracións anteriores desta tecnoloxía.
Para máis detalles, a Táboa 1 mostra un tempo de imaxe representativo para unha serie de tamaños de mostra comúns con zoom de 10, 20 e 40x.
Figura 2: Imaxe dunha mostra fluorescente capturada cun Tucsen 9kTDI. Exposición 10 ms, tempo de captura 10,1 s.
Táboa 1: Matriz do tempo de captura de diferentes tamaños de mostra (segundos) usando unha cámara Tucsen 9kTDI nunha platina motorizada Zaber da serie MVR a 10, 20 e 40 x para un tempo de exposición de 1 e 10 ms.
Imaxe de exploración de área
A obtención de imaxes por exploración de área en cámaras sCMOS implica a captura dunha imaxe completa simultaneamente usando unha matriz bidimensional de píxeles. Cada píxel captura a luz, converténdoa en sinais eléctricos para o seu procesamento inmediato e formando unha imaxe completa con alta resolución e velocidade. O tamaño dunha imaxe que se pode capturar nunha soa exposición está determinado polo tamaño do píxel, o aumento e o número de píxeles dunha matriz, por (1)
Para unha matriz estándar, o campo de visión vén dado por (2)
Nos casos nos que unha mostra é demasiado grande para o campo de visión dunha cámara, pódese construír unha imaxe separándoa nunha grella de imaxes do tamaño do campo de visión. A captura destas imaxes segue un patrón no que a platina se move a unha posición na grella, a platina se asenta e, a continuación, a imaxe se captura. Nas cámaras de obturador rodante, hai un tempo de espera adicional mentres o obturador xira. Estas imaxes pódense capturar movendo a posición da cámara e uníndoas. A figura 3 mostra unha imaxe grande dunha célula humana baixo microscopía de fluorescencia formada unindo 16 imaxes máis pequenas.
Figura 3: Unha lámina dunha célula humana capturada por unha cámara de exploración de área mediante imaxes de teselas e puntadas.
En xeral, a resolución de maiores detalles requirirá a xeración e unión de máis imaxes deste xeito. Unha solución para isto é empregardixitalización con cámara de gran formato, que conta con sensores grandes cun elevado número de píxeles, xunto con ópticas especializadas, o que permite capturar unha maior cantidade de detalle.
Comparación entre TDI e dixitalización de área (Tile & Stitch)
Para a dixitalización de mostras de grandes áreas, tanto a dixitalización Tile & Stitch como a dixitalización TDI son solucións axeitadas; non obstante, ao seleccionar o mellor método, é posible reducir significativamente o tempo necesario para dixitalizar unha mostra. Este aforro de tempo xérase pola capacidade da dixitalización TDI para capturar unha mostra en movemento, eliminando os atrasos asociados coa asentamento da etapa e a temporización do obturador rodante asociada á imaxe de tile & stitch.
A figura 4 compara as paradas (verde) e os movementos (liñas negras) necesarios para capturar unha imaxe dunha célula humana tanto na dixitalización por mosaico e costura (esquerda) como na dixitalización TDI (dereita). Ao eliminar a necesidade de parar e realinear a imaxe na obtención de imaxes TDI, é posible reducir significativamente o tempo de obtención de imaxes, sempre que o tempo de exposición sexa baixo, <100 ms.
A táboa 2 mostra un exemplo práctico de dixitalización entre unha cámara TDI de 9k e unha cámara sCMOS estándar.
Figura 4: Un motivo de dixitalización da captura dunha célula humana baixo fluorescencia que mostra imaxes de mosaico e punto (esquerda) e TDI (dereita).
Táboa 2: Comparación da exploración de área e a imaxe TDI para unha mostra de 15 x 15 mm cunha lente obxectiva de 10 aumentos e un tempo de exposición de 10 ms.
Aínda que a TDI ofrece un potencial fantástico para aumentar a velocidade de captura de imaxes, existen matices no uso desta tecnoloxía. Para tempos de exposición elevados (>100 ms), a importancia do tempo perdido nos aspectos de movemento e asentamento da exploración de área redúcese en relación co tempo de exposición. Nestes casos, as cámaras de exploración de área poden ofrecer tempos de exploración reducidos en comparación coas imaxes TDI. Para ver se a tecnoloxía TDI pode ofrecerche vantaxes sobre a túa configuración actual,Contacta connoscopara unha calculadora de comparación.
Outras aplicacións
Moitas preguntas de investigación requiren máis información que unha única imaxe, como a adquisición de imaxes multicanle ou multifoco.
A obtención de imaxes multicanle nunha cámara de exploración de área implica a captura de imaxes utilizando varias lonxitudes de onda simultaneamente. Estas canles normalmente corresponden a diferentes lonxitudes de onda de luz, como o vermello, o verde e o azul. Cada canle captura información específica de lonxitudes de onda ou espectral da escena. A cámara combina entón estas canles para xerar unha imaxe a toda cor ou multiespectral, proporcionando unha vista máis completa da escena con detalles espectrais distintos. Nas cámaras de exploración de área, isto conséguese mediante exposicións discretas; non obstante, coa obtención de imaxes TDI, pódese usar un divisor para separar o sensor en varias partes. A división dun 9kTDI (45 mm) en 3 sensores de 15,0 mm seguirá sendo maior que a dun sensor estándar (6,5 µm de ancho de píxel, 2048 píxeles) de 13,3 mm de ancho. Ademais, como o TDI só require iluminación na parte da mostra que se está a fotografar, as exploracións pódense ciclar máis rápido.
Outra área onde isto pode ser o caso é na imaxe multifoco. A imaxe multifoco nas cámaras de exploración de área implica capturar varias imaxes a diferentes distancias de enfoque e mesturalas para crear unha imaxe composta con toda a escena enfocada con nitidez. Aborda as diferentes distancias nunha escena analizando e combinando as rexións enfocadas de cada imaxe, o que resulta nunha representación máis detallada dunha imaxe. De novo, ao usar undivisorPara dividir o sensor TDI en dúas partes (22,5 mm) ou tres (15,0 mm), pode ser posible adquirir unha imaxe multifoco máis rápido que cun equivalente de exploración de área. Non obstante, para multifocos de orde superior (apilamentos z de 6 ou máis), é probable que a exploración de área siga sendo a técnica de imaxe máis rápida.
Conclusións
Esta nota técnica describe as diferenzas entre a dixitalización de áreas e a tecnoloxía TDI para a dixitalización de áreas grandes. Ao combinar a dixitalización lineal e a sensibilidade sCMOS, a TDI consegue imaxes rápidas e de alta calidade sen interrupcións, superando os métodos tradicionais de dixitalización de áreas como a tile & stitch. Avalíe as vantaxes de usar a nosa calculadora en liña, considerando varias suposicións descritas neste documento. A TDI preséntase como unha ferramenta poderosa para obter imaxes eficientes cun gran potencial para reducir os tempos de obtención de imaxes tanto en técnicas de imaxe estándar como avanzadas.Se queres ver se unha cámara TDI ou unha cámara de dixitalización de área podería axustarse á túa aplicación e mellorar o tempo de captura, ponte en contacto connosco hoxe mesmo.
