2010. október 23.Az időkésleltetés és integráció (TDI) a vonalszkennelés elvén alapuló képrögzítési módszer, ahol egydimenziós képsorozatot rögzítenek, hogy a minta mozgásának időzítésével és a képszelet rögzítésével triggerelés útján képet hozzanak létre. Bár ez a technológia már évtizedek óta létezik, jellemzően alacsony érzékenységű alkalmazásokhoz, például webes ellenőrzéshez kapcsolódik.
Az új generációs kamerák ötvözik az sCMOS érzékenységét a TDI sebességével, így a területi szkenneléssel megegyező minőségű képalkotást kínálnak, de nagyságrendekkel gyorsabb átviteli sebességgel. Ez különösen akkor nyilvánvaló, amikor nagy minták képalkotása szükséges gyenge fényviszonyok mellett. Ebben a technikai megjegyzésben felvázoljuk, hogyan működik a TDI szkennelés, és összehasonlítjuk a képalkotási időt egy hasonló nagy területű szkennelési technikával, a csempe és varrás képalkotással.
A vonalszkenneléstől a TDI-ig
A vonalas pásztázásos képalkotás egy olyan képalkotási technika, amely egyetlen pixelsort (oszlopot vagy tárgyasztalt) használ a kép egy szeletének elkészítéséhez, miközben a minta mozgásban van. Elektromos triggermechanizmusok segítségével egyetlen „szelet” készül a képből, miközben a minta áthalad az érzékelőn. A kamera triggersebességének skálázásával, hogy a kép a minta mozgásával összhangban legyen rögzítve, és egy képkocka-rögzítő segítségével ezek a képek összeilleszthetők a kép rekonstruálásához.
A TDI képalkotás a minta képalkotásának ezen elvén alapul, azonban több szakaszt használ a befogott fotoelektronok számának növelése érdekében. Ahogy a minta áthalad az egyes szakaszokon, további információkat gyűjt össze, és hozzáadódik a korábbi szakaszok által rögzített meglévő fotoelektronokhoz, majd a CCD-eszközökhöz hasonló folyamatban keveri őket. Ahogy a minta áthalad az utolsó szakaszon, a begyűjtött fotoelektronokat egy kiolvasó készülékre küldik, és a tartományon belüli integrált jelet használják fel egy képszelet létrehozásához. Az 1. ábrán egy öt TDI oszloppal (szakaszokkal) rendelkező eszközön történő képrögzítés látható.
1. ábra: animált példa a TDI technológiával történő képrögzítésre. Egy mintát (kék T) átvezetnek egy TDI képrögzítő eszközön (5 pixeles oszlop, 5 TDI fokozat), és minden fokozatban fotoelektronokat rögzítenek, majd hozzáadják a jelszinthez. Egy kijelzés ezt digitális képpé alakítja.
1a: A kép (egy kék T) megjelenik a színpadon; a T mozgásban van, ahogy az a készüléken látható.
1b: Ahogy a T áthalad az első fokozaton, a TDI kamera bekapcsol, hogy fotoelektronokat fogadjon, amelyeket a pixelek rögzítenek, amikor azok elérik a TDI érzékelő első fokozatát. Minden oszlop egy pixelsorozatot tartalmaz, amelyek egyenként rögzítik a fotoelektronokat.
1c: Ezeket a befogott fotoelektronokat a második fokozatba keverik, ahol minden oszlop a jelszintjét a következő fokozatba emeli.
1d: A minta egy pixelnyi távolsággal történő elmozdulásával egy időben egy második fotoelektronkészletet rögzítenek a második szakaszban, és hozzáadják a korábban rögzítettekhez, növelve a jelet. Az 1. szakaszban egy új fotoelektronkészletet rögzítenek, amely a képrögzítés következő szeletének felel meg.
1e: Az 1d lépésben leírt képrögzítési folyamatok ismétlődnek, ahogy a kép elhalad az érzékelő előtt. Ez a lépésekből származó fotoelektronokból jelet épít fel. A jel egy kiolvasóba kerül, amely a fotoelektronjelet digitális kijelzéssé alakítja.
1f: A digitális kijelzés oszloponként jelenik meg. Ez lehetővé teszi a kép digitális rekonstrukcióját.
Mivel a TDI eszköz képes egyszerre fotoelektronokat továbbítani az egyik fokozatból a másikba, és új fotoelektronokat rögzíteni az első fokozatból, miközben a minta mozgásban van, a kép gyakorlatilag végtelen számú sort rögzíthet. A triggerelési gyakoriság, amely meghatározza a képrögzítések számát (1a. ábra), több száz kHz nagyságrendű lehet.
A 2. ábrán látható példában egy 29 x 17 mm-es mikroszkóp tárgylemezt 10,1 másodperc alatt rögzítettek egy 5 µm-es pixeles TDI kamerával. Még jelentős zoom szintek mellett is minimális az elmosódás mértéke. Ez hatalmas előrelépést jelent a technológia korábbi generációihoz képest.
További részletekért az 1. táblázat reprezentatív képalkotási időt mutat be 10, 20 és 40-szeres nagyításban alkalmazott gyakori mintaméretek sorozatára.
2. ábra: Fluoreszcens minta képe, Tucsen 9kTDI készülékkel rögzítve. Expozíció 10 ms, rögzítési idő 10,1 s.
1. táblázat: Különböző mintanagyságok (másodperc) rögzítési idejének mátrixa Tucsen 9kTDI kamerával Zaber MVR sorozatú motoros tárgyasztalon 10, 20 és 40x nagyítással 1 és 10 ms expozíciós idővel.
Területi képalkotás
Az sCMOS kamerákban a területi pásztázásos képalkotás során egy teljes képet egyidejűleg rögzítenek egy kétdimenziós pixeltömb segítségével. Minden pixel befogja a fényt, elektromos jelekké alakítja azt azonnali feldolgozáshoz, és nagy felbontású és sebességű teljes képet alkot. Az egyetlen expozícióval rögzíthető kép méretét a pixelméret, a nagyítás és a tömbben lévő pixelek száma határozza meg (1)
Egy szabványos tömb esetében a látómezőt a következő adja meg: (2)
Azokban az esetekben, amikor egy minta túl nagy a kamera látómezejéhez, a kép úgy konstruálható, hogy a képet a látómező méretű képek rácsára bontjuk. Ezeknek a képeknek a rögzítése egy mintát követ, ahol a tárgyasztal a rács egy adott pozíciójába mozdul, a tárgyasztal leülepedik, majd a kép elkészül. A gördülő záras kameráknál további várakozási idő van, amíg a zár forog. Ezek a képek a kamera pozíciójának mozgatásával és összeillesztésükkel rögzíthetők. A 3. ábra egy emberi sejt fluoreszcens mikroszkóp alatti nagyméretű képét mutatja, amely 16 kisebb kép összeillesztéséből áll.
3. ábra: Egy emberi sejt diafelvétele, amelyet egy területszkenner kamerával rögzítettek mozaik- és varrástechnikával.
Általánosságban elmondható, hogy a nagyobb részletek felbontásához több kép generálására és ilyen módon történő összeillesztésére van szükség. Ennek egyik megoldása a következő:nagyméretű kamerás szkennelés, amely nagyméretű, magas pixelszámú érzékelőkkel, valamint speciális optikával rendelkezik, lehetővé téve a részletgazdagságabb rögzítését.
TDI és területszkennelés (Tile & Stitch) összehasonlítása
Nagy felületű minták szkenneléséhez mind a Tile & Stitch, mind a TDI szkennelés megfelelő megoldás, azonban a legjobb módszer kiválasztásával jelentősen csökkenthető a minta szkenneléséhez szükséges idő. Ez az időmegtakarítás a TDI szkennelés mozgó minta rögzítésére való képességének köszönhető, kiküszöbölve a Tile & Stitch képalkotással járó tárgyasztal-leülepedéssel és a gördülő zár időzítésével járó késleltetéseket.
A 4. ábra összehasonlítja az emberi sejt képének rögzítéséhez szükséges megállásokat (zöld) és mozgásokat (fekete vonalak) mind a mozaik-öltéses (balra), mind a TDI (jobbra) szkennelés során. A TDI képalkotás során a kép megállításának és újraigazításának szükségességének megszüntetésével jelentősen csökkenthető a képalkotási idő, feltéve, hogy az expozíciós idő alacsony, <100 ms.
A 2. táblázat egy kidolgozott példát mutat be egy 9k TDI és egy szabványos sCMOS kamera közötti szkennelésre.
4. ábra: Fluoreszcencia alatti emberi sejt befogásának szkennelt motívuma, amelyen csempe és öltés (balra), valamint TDI képalkotás (jobbra) látható.
2. táblázat: A területszkennelés és a TDI képalkotás összehasonlítása egy 15 x 15 mm-es mintán, 10x-es objektívvel és 10 ms expozíciós idővel.
Bár a TDI fantasztikus lehetőségeket kínál a képalkotás sebességének növelésére, a technológia használatában vannak árnyalatok. Magas expozíciós idők (>100 ms) esetén a területszkennelés mozgási és ülepedési aspektusai miatti időveszteség jelentősége csökken az expozíciós időhöz képest. Ilyen esetekben a területszkennelő kamerák rövidebb szkennelési időt kínálhatnak a TDI képalkotáshoz képest. Annak megállapításához, hogy a TDI technológia kínál-e előnyöket a jelenlegi beállításához képest,lépjen kapcsolatba velünkegy összehasonlító kalkulátorhoz.
Egyéb alkalmazások
Sok kutatási kérdés több információt igényel, mint egyetlen kép, például többcsatornás vagy többfókuszú képalkotás.
A területkamerákban végzett többcsatornás képalkotás során egyszerre több hullámhosszon rögzítenek képeket. Ezek a csatornák jellemzően a fény különböző hullámhosszainak felelnek meg, például a vörösnek, zöldnek és kéknek. Minden csatorna meghatározott hullámhosszú vagy spektrális információkat rögzít a jelenetből. A kamera ezután ezeket a csatornákat kombinálja egy teljes színű vagy multispektrális kép létrehozásához, amely átfogóbb képet nyújt a jelenetről, különálló spektrális részletekkel. A területkamerákban ezt diszkrét expozíciókkal érik el, azonban a TDI képalkotásnál egy osztóval az érzékelő több részre választható. Egy 9kTDI (45 mm) 3 x 15,0 mm-es érzékelőre való felosztása továbbra is nagyobb lesz, mint egy standard érzékelő (6,5 µm pixelszélesség, 2048 pixel) 13,3 mm szélessége. Továbbá, mivel a TDI csak a képalkotott minta azon részén igényel megvilágítást, a szkennelések gyorsabban elvégezhetők.
Egy másik terület, ahol ez előfordulhat, a többfókuszú képalkotás. A területpásztázó kamerákban a többfókuszú képalkotás során több képet rögzítenek különböző fókusztávolságokon, majd ezeket összekeverik, hogy egy összetett képet hozzanak létre, amelyben a teljes jelenet élesen fókuszál. A jelenetben lévő változó távolságokat úgy kezeli, hogy elemzi és kombinálja az egyes képek fókuszban lévő területeit, ami a kép részletesebb ábrázolását eredményezi. Ismét egyelosztóHa a TDI-érzékelőt két (22,5 mm) vagy három (15,0 mm) darabra osztjuk, akkor gyorsabban lehet többfókuszú képet készíteni, mint egy területalapú szkenneléssel. Magasabb rendű többfókuszú képek esetén (6-os vagy nagyobb z-rétegek) azonban a területalapú szkennelés valószínűleg továbbra is a leggyorsabb képalkotási technika marad.
Következtetések
Ez a technikai megjegyzés a területszkennelés és a TDI technológia közötti különbségeket vázolja fel nagy területek szkennelése esetén. A vonalszkennelés és az sCMOS érzékenység egyesítésével a TDI gyors, kiváló minőségű, megszakítás nélküli képalkotást ér el, felülmúlva a hagyományos területszkennelési módszereket, mint például a mozaik és összeillesztés. Értékelje online kalkulátorunk használatának előnyeit, figyelembe véve a jelen dokumentumban vázolt különféle feltételezéseket. A TDI egy hatékony eszköz a hatékony képalkotáshoz, amely nagy potenciállal rendelkezik a képalkotási idő csökkentésére mind a standard, mind a fejlett képalkotási technikákban.Ha szeretné megtudni, hogy egy TDI kamera vagy egy területi szkennelésű kamera megfelel-e az Ön alkalmazásának, és javíthatja-e a felvételi időt, vegye fel velünk a kapcsolatot még ma.
