23.10.2010.Vremensko kašnjenje i integracija (TDI) je metoda snimanja slike izgrađena na principu linijskog skeniranja, gdje se niz jednodimenzionalnih slika snima kako bi se generirala slika mjerenjem vremena kretanja uzorka i snimanjem sloja slike okidanjem. Iako ova tehnologija postoji već desetljećima, obično se povezuje s primjenama niske osjetljivosti, kao što je inspekcija weba.
Nova generacija kamera kombinira osjetljivost sCMOS-a s brzinom TDI-ja kako bi ponudila snimanje slike jednake kvalitete kao i površinsko skeniranje, ali s potencijalom za znatno brži protok. To je posebno vidljivo u situacijama kada je potrebno snimanje velikih uzoraka u uvjetima slabog osvjetljenja. U ovoj tehničkoj bilješci opisujemo kako TDI skeniranje funkcionira i uspoređujemo vrijeme snimanja slike s usporedivom tehnikom skeniranja velikih površina, snimanjem pločica i šavova.
Od linijskog skeniranja do TDI-ja
Linijsko skeniranje je tehnika snimanja koja koristi jedan redak piksela (naziva se stupac ili pozornica) za snimanje dijela slike dok se uzorak kreće. Pomoću električnih mehanizama okidanja, jedan 'dijelak' slike se snima dok uzorak prolazi pored senzora. Skaliranjem brzine okidanja kamere za snimanje slike u skladu s kretanjem uzorka i korištenjem hvatača okvira za snimanje tih slika, one se mogu spojiti kako bi se rekonstruirala slika.
TDI snimanje temelji se na ovom principu snimanja slike uzorka, međutim koristi više faza kako bi se povećao broj snimljenih fotoelektrona. Kako uzorak prolazi kroz svaku fazu, prikuplja se više informacija koje se dodaju postojećim fotoelektronima snimljenim ranijim fazama i miješaju na sličan način kao i CCD uređaji. Kako uzorak prolazi kroz završnu fazu, prikupljeni fotoelektroni šalju se na očitavanje, a integrirani signal u cijelom rasponu koristi se za generiranje presjeka slike. Na slici 1 prikazano je snimanje slike na uređaju s pet TDI stupaca (faza).
Slika 1: animirani primjer snimanja slike pomoću TDI tehnologije. Uzorak (plavo T) prolazi preko TDI uređaja za snimanje slike (stupac od 5 piksela, 5 TDI stupnjeva), a fotoelektroni se hvataju u svakom stupnju i dodaju razini signala. Očitavanje to pretvara u digitalnu sliku.
1a: Slika (plavi T) se uvodi na pozornicu; T se kreće kao što je prikazano na uređaju.
1b: Kako T prolazi prvu fazu, TDI kamera se aktivira kako bi prihvatila fotoelektrone koje hvataju pikseli dok udaraju u prvu fazu na TDI senzoru. Svaki stupac ima niz piksela koji pojedinačno hvataju fotoelektrone.
1c: Ovi uhvaćeni fotoelektroni se prebacuju u drugu fazu, gdje svaki stupac pomiče svoju razinu signala u sljedeću fazu.
1d: U skladu s pomicanjem uzorka za udaljenost od jednog piksela, u drugoj fazi hvata se drugi skup fotoelektrona i dodaje se prethodno snimljenima, povećavajući signal. U prvoj fazi hvata se novi skup fotoelektrona koji odgovara sljedećem isječku snimanja slike.
1e: Procesi snimanja slike opisani u fazi 1d ponavljaju se dok se slika pomiče pored senzora. Time se stvara signal od fotoelektrona iz faza. Signal se prenosi u očitavanje, koje pretvara signal fotoelektrona u digitalno očitavanje.
1f: Digitalno očitanje prikazuje se kao slika stupac po stupac. To omogućuje digitalnu rekonstrukciju slike.
Budući da TDI uređaj može istovremeno propuštati fotoelektrone iz jedne faze u drugu i snimati nove fotoelektrone iz prve faze dok se uzorak kreće, slika može biti efektivno beskonačna u broju snimljenih redaka. Frekvencije okidanja, koje određuju broj snimanja slike (slika 1a), mogu biti reda veličine stotina kHz.
U primjeru na slici 2, mikroskopsko staklo dimenzija 29 x 17 mm snimljeno je za 10,1 sekundi pomoću TDI kamere s pikselima od 5 µm. Čak i pri značajnim razinama zumiranja, razina zamućenja je minimalna. To predstavlja ogroman napredak u odnosu na prethodne generacije ove tehnologije.
Za više detalja, Tablica 1 prikazuje reprezentativno vrijeme snimanja za niz uobičajenih veličina uzoraka pri zumu od 10, 20 i 40x.
Slika 2: Slika fluorescentnog uzorka snimljena pomoću Tucsen 9kTDI. Ekspozicija 10 ms, vrijeme snimanja 10,1 s.
Tablica 1: Matrica vremena snimanja različitih veličina uzoraka (sekunde) korištenjem Tucsen 9kTDI kamere na motoriziranom stoliću serije Zaber MVR pri 10, 20 i 40 x za vrijeme ekspozicije od 1 i 10 ms.
Skeniranje područja
Snimanje površinskim skeniranjem u sCMOS kamerama uključuje istovremeno snimanje cijele slike pomoću dvodimenzionalnog niza piksela. Svaki piksel hvata svjetlost, pretvarajući je u električne signale za trenutnu obradu i formirajući cjelovitu sliku visoke rezolucije i brzine. Veličina slike koja se može snimiti u jednoj ekspoziciji određena je veličinom piksela, povećanjem i brojem piksela u nizu, po (1)
Za standardni niz, vidno polje je dano s (2)
U slučajevima kada je uzorak prevelik za vidno polje kamere, slika se može konstruirati odvajanjem slike u mrežu slika veličine vidnog polja. Snimanje tih slika slijedi obrazac, gdje će se stolić pomaknuti na poziciju na mreži, stolić će se smiriti, a zatim će se slika snimiti. Kod kamera s rolling shutterom postoji dodatno vrijeme čekanja dok se zatvarač okreće. Ove se slike mogu snimiti pomicanjem položaja kamere i njihovim spajanjem. Slika 3 prikazuje veliku sliku ljudske stanice pod fluorescentnom mikroskopijom nastalu spajanjem 16 manjih slika.
Slika 3: Slajd ljudske stanice snimljen kamerom za skeniranje područja korištenjem tehnike tile & stitch snimanja.
Općenito, razrješavanje većih detalja zahtijevat će generiranje i spajanje više slika na ovaj način. Jedno rješenje za to je korištenjeskeniranje kamerom velikog formata, koji ima velike senzore s visokim brojem piksela, zajedno sa specijaliziranom optikom, što omogućuje snimanje veće količine detalja.
Usporedba TDI-ja i površinskog skeniranja (Tile & Stitch)
Za skeniranje uzoraka velikih površina, i Tile & Stitch i TDI skeniranje su prikladna rješenja, no odabirom najbolje metode moguće je značajno smanjiti vrijeme potrebno za skeniranje uzorka. Ova ušteda vremena generira se sposobnošću TDI skeniranja da snimi uzorak u pokretu; uklanjajući kašnjenja povezana sa smirivanjem stolića i vremenom pomicanja zatvarača povezanim sa snimanjem Tile & Stitch.
Slika 4 uspoređuje zaustavljanja (zeleno) i pokrete (crne linije) potrebne za snimanje slike ljudske stanice kod skeniranja popločavanjem i spajanjem (lijevo) i TDI (desno) skeniranja. Uklanjanjem potrebe za zaustavljanjem i poravnavanjem slike kod TDI snimanja, moguće je značajno smanjiti vrijeme snimanja, pod uvjetom da je vrijeme ekspozicije kratko <100 ms.
Tablica 2 prikazuje rađeni primjer skeniranja između 9k TDI i standardne sCMOS kamere.
Slika 4: Skenirajući motiv snimanja ljudske stanice pod fluorescentnim svjetlom koji prikazuje snimanje pločicama i šavovima (lijevo) i TDI snimanje (desno).
Tablica 2: Usporedba površinskog skeniranja i TDI snimanja za uzorak veličine 15 x 15 mm s objektivom od 10x i vremenom ekspozicije od 10 ms.
Iako TDI nudi fantastičan potencijal za povećanje brzine snimanja slike, postoje nijanse u korištenju ove tehnologije. Za duga vremena ekspozicije (>100 ms), značaj vremena izgubljenog zbog aspekata pomicanja i smirivanja skeniranja područja smanjuje se u odnosu na vrijeme ekspozicije. U takvim slučajevima, kamere za skeniranje područja mogu ponuditi skraćeno vrijeme skeniranja u usporedbi sa snimanjem putem TDI-a. Da biste vidjeli može li vam TDI tehnologija ponuditi prednosti u odnosu na vašu trenutnu postavku,kontaktirajte nasza kalkulator za usporedbu.
Druge primjene
Mnoga istraživačka pitanja zahtijevaju više informacija od jedne slike, kao što je akvizicija višekanalne ili višefokusne slike.
Višekanalno snimanje u kameri za skeniranje područja uključuje istovremeno snimanje slika korištenjem više valnih duljina. Ti kanali obično odgovaraju različitim valnim duljinama svjetlosti, poput crvene, zelene i plave. Svaki kanal snima određenu valnu duljinu ili spektralne informacije sa scene. Kamera zatim kombinira ove kanale kako bi generirala sliku u punoj boji ili multispektralnu sliku, pružajući sveobuhvatniji prikaz scene s izrazitim spektralnim detaljima. U kamerama za skeniranje područja to se postiže diskretnim ekspozicijama, međutim, kod TDI snimanja, razdjelnik se može koristiti za odvajanje senzora na više dijelova. Podjela 9kTDI (45 mm) na 3 x 15,0 mm senzora i dalje će biti veća od standardnog senzora (širine piksela 6,5 µm, 2048 piksela) širine 13,3 mm. Štoviše, budući da TDI zahtijeva osvjetljenje samo na dijelu uzorka koji se snima, skeniranje se može brže ciklirati.
Drugo područje gdje bi to mogao biti slučaj je višefokusno snimanje. Višefokusno snimanje u kamerama za skeniranje područja uključuje snimanje više slika na različitim udaljenostima fokusa i njihovo spajanje kako bi se stvorila kompozitna slika s cijelom scenom u oštrom fokusu. Obrađuje različite udaljenosti u sceni analizirajući i kombinirajući područja u fokusu sa svake slike, što rezultira detaljnijim prikazom slike. Opet, korištenjemcjepidlakaZa podjelu TDI senzora na dva (22,5 mm) ili tri (15,0 mm) dijela, moguće je brže dobiti višefokusnu sliku nego ekvivalentnim površinskim skeniranjem. Međutim, za višefokusni fokus višeg reda (z-nizovi od 6 ili više), površinsko skeniranje vjerojatno će ostati najbrža tehnika snimanja.
Zaključci
Ova tehnička napomena opisuje razlike između površinskog skeniranja i TDI tehnologije za skeniranje velikih površina. Spajanjem linijskog skeniranja i sCMOS osjetljivosti, TDI postiže brzo, visokokvalitetno snimanje bez prekida, nadmašujući tradicionalne metode površinskog skeniranja poput tile & stitch. Procijenite prednosti korištenja našeg online kalkulatora, uzimajući u obzir različite pretpostavke navedene u ovom dokumentu. TDI predstavlja moćan alat za učinkovito snimanje s velikim potencijalom za smanjenje vremena snimanja i u standardnim i u naprednim tehnikama snimanja.Ako želite vidjeti odgovara li TDI kamera ili kamera za skeniranje područja vašoj primjeni i poboljšati vrijeme snimanja, kontaktirajte nas još danas.
