23/10/10Il time delay & integration (TDI) è un metodo di acquisizione delle immagini basato sul principio della scansione lineare, in cui una serie di immagini monodimensionali viene acquisita per generare un'immagine sincronizzando il movimento del campione e l'acquisizione di sezioni di immagine tramite trigger. Sebbene questa tecnologia sia in uso da decenni, è stata tipicamente associata ad applicazioni a bassa sensibilità, come l'ispezione di nastri.
Una nuova generazione di telecamere ha combinato la sensibilità della tecnologia sCMOS con la velocità della tecnologia TDI per offrire un'acquisizione di immagini di qualità pari a quella della scansione di area, ma con il potenziale di ottenere una produttività di ordini di grandezza superiore. Ciò è particolarmente evidente nelle situazioni in cui è richiesta l'acquisizione di immagini di campioni di grandi dimensioni in condizioni di scarsa illuminazione. In questa nota tecnica, descriviamo il funzionamento della scansione TDI e confrontiamo i tempi di acquisizione delle immagini con una tecnica di scansione di area comparabile, la tecnica Tile & Stitch.
Dalla scansione lineare al TDI
L'imaging a scansione lineare è una tecnica di imaging che utilizza una singola linea di pixel (chiamata colonna o fase) per acquisire una sezione di un'immagine mentre un campione è in movimento. Utilizzando meccanismi di attivazione elettrica, viene acquisita una singola "sezione" di un'immagine mentre il campione passa davanti al sensore. Ridimensionando la frequenza di attivazione della telecamera per acquisire l'immagine in base al movimento del campione e utilizzando un frame grabber per acquisire queste immagini, è possibile unirle per ricostruire l'immagine.
L'imaging TDI si basa su questo principio di acquisizione delle immagini di un campione, tuttavia utilizza più stadi per aumentare il numero di fotoelettroni catturati. Man mano che il campione attraversa ogni stadio, vengono raccolte più informazioni che vengono aggiunte ai fotoelettroni esistenti catturati dagli stadi precedenti e mescolate con un processo simile a quello dei dispositivi CCD. Quando il campione attraversa l'ultimo stadio, i fotoelettroni raccolti vengono inviati a un dispositivo di lettura e il segnale integrato lungo l'intervallo viene utilizzato per generare una sezione di immagine. Nella Figura 1, è mostrata l'acquisizione delle immagini su un dispositivo con cinque colonne TDI (stadi).
Figura 1: un esempio animato di acquisizione di immagini mediante tecnologia TDI. Un campione (T blu) viene fatto passare attraverso un dispositivo di acquisizione immagini TDI (una colonna di 5 pixel, 5 stadi TDI) e i fotoelettroni vengono catturati in ogni stadio e aggiunti al livello del segnale. Un'unità di lettura converte l'immagine in un'immagine digitale.
1a: L'immagine (una T blu) viene introdotta sul palco; la T è in movimento come mostrato sul dispositivo.
1b: Quando la T supera il primo stadio, la telecamera TDI viene attivata per accettare i fotoelettroni che vengono catturati dai pixel quando colpiscono il primo stadio del sensore TDI. Ogni colonna ha una serie di pixel che catturano i fotoelettroni individualmente.
1c: Questi fotoelettroni catturati vengono trasferiti alla seconda fase, dove ogni colonna spinge il proprio livello di segnale alla fase successiva.
1d: A tempo con lo spostamento del campione a una distanza di un pixel, un secondo set di fotoelettroni viene catturato nella fase due e aggiunto a quelli catturati in precedenza, aumentando il segnale. Nella fase 1, viene catturato un nuovo set di fotoelettroni, corrispondente alla successiva fetta di immagine acquisita.
1e: I processi di acquisizione dell'immagine descritti nella fase 1d vengono ripetuti mentre l'immagine passa davanti al sensore. Questo genera un segnale dai fotoelettroni provenienti dalle fasi. Il segnale viene trasmesso a un dispositivo di lettura, che converte il segnale dei fotoelettroni in un'immagine digitale.
1f: La lettura digitale viene visualizzata come un'immagine colonna per colonna. Ciò consente la ricostruzione digitale di un'immagine.
Poiché il dispositivo TDI è in grado di trasferire simultaneamente fotoelettroni da uno stadio all'altro e di catturare nuovi fotoelettroni dal primo stadio mentre il campione è in movimento, l'immagine può essere praticamente infinita nel numero di righe catturate. Le frequenze di trigger, che determinano il numero di volte in cui si verifica l'acquisizione dell'immagine (fig. 1a), possono essere dell'ordine di centinaia di kHz.
Nell'esempio della Figura 2, un vetrino da microscopio da 29 x 17 mm è stato catturato in 10,1 secondi utilizzando una fotocamera TDI da 5 µm di pixel. Anche a livelli di zoom significativi, il livello di sfocatura è minimo. Questo rappresenta un enorme progresso rispetto alle generazioni precedenti di questa tecnologia.
Per maggiori dettagli, la Tabella 1 mostra il tempo di imaging rappresentativo per una serie di dimensioni di campione comuni con zoom 10, 20 e 40x.
Figura 2: Immagine di un campione fluorescente acquisita con un Tucsen 9kTDI. Esposizione 10 ms, tempo di acquisizione 10,1 s.
Tabella 1: Matrice del tempo di acquisizione di diverse dimensioni del campione (secondi) utilizzando una telecamera Tucsen 9kTDI su un tavolino motorizzato della serie Zaber MVR a 10, 20 e 40 x per tempi di esposizione di 1 e 10 ms.
Immagini di scansione dell'area
L'imaging a scansione d'area nelle telecamere sCMOS prevede l'acquisizione simultanea di un'intera immagine utilizzando una matrice bidimensionale di pixel. Ogni pixel cattura la luce, convertendola in segnali elettrici per l'elaborazione immediata e formando un'immagine completa ad alta risoluzione e velocità. La dimensione di un'immagine che può essere acquisita in una singola esposizione è determinata dalla dimensione dei pixel, dall'ingrandimento e dal numero di pixel in una matrice, per (1)
Per un array standard, il campo visivo è dato da (2)
Nei casi in cui un campione è troppo grande per il campo visivo di una telecamera, è possibile costruire un'immagine suddividendola in una griglia di immagini delle dimensioni del campo visivo. L'acquisizione di queste immagini segue uno schema: il tavolino si sposta in una posizione sulla griglia, si stabilizza e l'immagine viene acquisita. Nelle telecamere a otturatore rotante, c'è un ulteriore tempo di attesa mentre l'otturatore ruota. Queste immagini possono essere acquisite spostando la posizione della telecamera e unendole insieme. La Figura 3 mostra un'immagine di grandi dimensioni di una cellula umana al microscopio a fluorescenza, ottenuta unendo insieme 16 immagini più piccole.
Figura 3: Diapositiva di una cellula umana catturata da una telecamera a scansione d'area mediante imaging tile & stitch.
In generale, per risolvere maggiori dettagli sarà necessario generare e unire più immagini in questo modo. Una soluzione a questo problema è quella di impiegarescansione con fotocamera di grande formato, che è dotato di sensori di grandi dimensioni con un elevato numero di pixel, insieme a ottiche specializzate, che consentono di catturare una maggiore quantità di dettagli.
Confronto tra TDI e scansione dell'area (Tile & Stitch)
Per la scansione di campioni di grandi dimensioni, sia la scansione Tile & Stitch che quella TDI sono soluzioni appropriate; tuttavia, scegliendo il metodo migliore, è possibile ridurre significativamente il tempo necessario per la scansione di un campione. Questo risparmio di tempo è generato dalla capacità della scansione TDI di catturare un campione in movimento, eliminando i ritardi associati all'assestamento del piano e alla temporizzazione dell'otturatore rotante tipici dell'imaging Tile & Stitch.
La Figura 4 confronta gli arresti (in verde) e i movimenti (in nero) necessari per acquisire un'immagine di una cellula umana sia nella scansione Tile & Stitch (a sinistra) che in quella TDI (a destra). Eliminando la necessità di arrestare e riallineare l'immagine nell'imaging TDI, è possibile ridurre significativamente i tempi di imaging, a condizione che il tempo di esposizione sia <100 ms.
La tabella 2 mostra un esempio pratico di scansione tra una TDI da 9k e una telecamera sCMOS standard.
Figura 4: Un motivo di scansione della cattura di una cellula umana sotto fluorescenza che mostra tile e stitch (sinistra) e imaging TDI (destra).
Tabella 2: Confronto tra scansione dell'area e imaging TDI per un campione di 15 x 15 mm con obiettivo 10x e tempo di esposizione di 10 ms.
Sebbene la tecnologia TDI offra un potenziale straordinario per una maggiore velocità di acquisizione delle immagini, l'utilizzo di questa tecnologia presenta delle sfumature. Per tempi di esposizione elevati (>100 ms), il tempo perso per gli aspetti di movimento e assestamento della scansione area è ridotto rispetto al tempo di esposizione. In tali casi, le telecamere per la scansione area possono offrire tempi di scansione ridotti rispetto all'imaging TDI. Per verificare se la tecnologia TDI può offrire vantaggi rispetto alla configurazione attuale,contattaciper un calcolatore di confronto.
Altre applicazioni
Molte domande di ricerca richiedono più informazioni di una singola immagine, come l'acquisizione di immagini multicanale o multifocale.
L'imaging multicanale in una telecamera a scansione d'area prevede l'acquisizione di immagini utilizzando più lunghezze d'onda simultaneamente. Questi canali corrispondono in genere a diverse lunghezze d'onda della luce, come rosso, verde e blu. Ogni canale cattura informazioni specifiche sulla lunghezza d'onda o sullo spettro della scena. La telecamera combina quindi questi canali per generare un'immagine a colori o multispettrale, fornendo una visione più completa della scena con dettagli spettrali distinti. Nelle telecamere a scansione d'area, questo risultato si ottiene tramite esposizioni discrete; tuttavia, con l'imaging TDI, è possibile utilizzare uno splitter per separare il sensore in più parti. Dividere un sensore da 9kTDI (45 mm) in 3 sensori da 15,0 mm sarà comunque più grande di un sensore standard (larghezza pixel 6,5 µm, 2048 pixel) con una larghezza di 13,3 mm. Inoltre, poiché la TDI richiede l'illuminazione solo sulla parte del campione da riprendere, le scansioni possono essere eseguite più rapidamente.
Un altro ambito in cui questo potrebbe essere il caso è l'imaging multi-focus. L'imaging multi-focus nelle telecamere a scansione d'area comporta l'acquisizione di più immagini a diverse distanze di messa a fuoco e la loro fusione per creare un'immagine composita con l'intera scena a fuoco. Gestisce le diverse distanze in una scena analizzando e combinando le regioni a fuoco di ciascuna immagine, ottenendo una rappresentazione più dettagliata di un'immagine. Ancora una volta, utilizzando undivisoreSuddividendo il sensore TDI in due (22,5 mm) o tre (15,0 mm) componenti, potrebbe essere possibile acquisire un'immagine multifocale più rapidamente rispetto a un equivalente a scansione area. Per multifocali di ordine superiore (z stack di 6 o più), tuttavia, la scansione area rimarrà probabilmente la tecnica di imaging più veloce.
Conclusioni
Questa nota tecnica illustra le differenze tra la scansione area e la tecnologia TDI per la scansione di grandi aree. Combinando la scansione lineare e la sensibilità sCMOS, la tecnologia TDI consente di ottenere immagini rapide e di alta qualità senza interruzioni, superando i tradizionali metodi di scansione area come il tile & stitch. Valuta i vantaggi dell'utilizzo del nostro calcolatore online, considerando i diversi presupposti delineati in questo documento. La tecnologia TDI si propone come un potente strumento per l'imaging efficiente, con un grande potenziale di riduzione dei tempi di imaging sia nelle tecniche standard che in quelle avanzate.Se desideri scoprire se una telecamera TDI o una telecamera a scansione d'area possono adattarsi alla tua applicazione e migliorare i tempi di acquisizione, contattaci oggi stesso.
