10/10/2023La tecnica TDI (Time Delay & Integration) è un metodo di acquisizione di immagini basato sul principio della scansione lineare, in cui una serie di immagini unidimensionali vengono acquisite per generare un'immagine cronometrando il movimento del campione e l'acquisizione di una porzione di immagine tramite un trigger. Sebbene questa tecnologia esista da decenni, è stata tipicamente associata ad applicazioni a bassa sensibilità, come l'ispezione di siti web.
Una nuova generazione di telecamere ha combinato la sensibilità del sCMOS con la velocità del TDI per offrire un'acquisizione di immagini di qualità pari a quella della scansione di area, ma con la possibilità di ottenere una velocità di elaborazione di ordini di grandezza superiore. Ciò è particolarmente evidente in situazioni in cui è necessario acquisire 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 quelli di una tecnica di scansione di grandi aree comparabile, la tecnica tile & stitch.
Dalla scansione lineare al TDI
La scansione lineare è una tecnica di imaging che utilizza una singola riga di pixel (denominata colonna o stadio) per acquisire una porzione di immagine mentre un campione è in movimento. Tramite meccanismi di attivazione elettrica, viene acquisita una singola "porzione" di immagine al passaggio del campione davanti al sensore. Regolando la frequenza di attivazione della telecamera in modo da acquisire l'immagine in sincronia con il movimento del campione e utilizzando un frame grabber per catturare queste immagini, è possibile unirle per ricostruire l'immagine.
La tecnica di imaging TDI si basa su questo principio di acquisizione dell'immagine di un campione, ma utilizza più stadi per aumentare il numero di fotoelettroni catturati. Man mano che il campione attraversa ciascuno stadio, vengono raccolte ulteriori informazioni che si aggiungono ai fotoelettroni già catturati dagli stadi precedenti e vengono riorganizzate in un processo simile a quello dei dispositivi CCD. Quando il campione attraversa lo stadio finale, i fotoelettroni raccolti vengono inviati a un sistema di lettura e il segnale integrato sull'intera gamma viene utilizzato per generare una sezione dell'immagine. La Figura 1 mostra l'acquisizione dell'immagine su un dispositivo con cinque colonne (stadi) TDI.
Figura 1: esempio animato di acquisizione di immagini tramite tecnologia TDI. Un campione (T blu) viene fatto passare sopra 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 sistema di lettura converte il tutto 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 attraversa il primo stadio, la telecamera TDI viene attivata per acquisire i fotoelettroni catturati dai pixel che colpiscono il primo stadio del sensore TDI. Ogni colonna ha una serie di pixel che catturano i fotoelettroni singolarmente.
1c: Questi fotoelettroni catturati vengono trasferiti al secondo stadio, dove ogni colonna aumenta il livello del proprio segnale per passare allo stadio successivo.
1d: In sincronia con lo spostamento del campione di un pixel, un secondo set di fotoelettroni viene catturato sul secondo stadio e aggiunto a quelli catturati in precedenza, aumentando il segnale. Sul primo stadio viene catturato un nuovo set di fotoelettroni, corrispondente alla successiva fetta di immagine.
1e: I processi di acquisizione dell'immagine descritti nella fase 1d vengono ripetuti man mano che l'immagine passa davanti al sensore. Questo genera un segnale dai fotoelettroni provenienti dalle fasi precedenti. Il segnale viene inviato a un'unità di lettura, che converte il segnale dei fotoelettroni in un segnale 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 effettivamente infinita nel numero di righe acquisite. Le frequenze di trigger, che determinano il numero di volte in cui avviene l'acquisizione dell'immagine (fig. 1a), possono essere dell'ordine di centinaia di kHz.
Nell'esempio della Figura 2, un vetrino da microscopio di 29 x 17 mm è stato acquisito in 10,1 secondi utilizzando una telecamera TDI con pixel da 5 µm. Anche a livelli di zoom significativi, il livello di sfocatura è minimo. Ciò rappresenta un enorme progresso rispetto alle precedenti generazioni di questa tecnologia.
Per maggiori dettagli, la Tabella 1 mostra i tempi di acquisizione delle immagini rappresentativi per una serie di dimensioni del campione comuni con zoom 10x, 20x e 40x.
Figura 2: Immagine di un campione fluorescente acquisita con un Tucsen 9kTDI. Tempo di esposizione 10 ms, tempo di acquisizione 10,1 s.
Tabella 1: Matrice dei tempi di acquisizione di campioni di diverse dimensioni (secondi) utilizzando una telecamera Tucsen 9kTDI su un tavolino motorizzato Zaber serie MVR a 10, 20 e 40x per tempi di esposizione di 1 e 10 ms.
Immagini di scansione dell'area
L'imaging a scansione di 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 con alta risoluzione e velocità. Le dimensioni di un'immagine che può essere acquisita in una singola esposizione sono determinate dalle dimensioni del 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 fotocamera, è possibile ricostruire un'immagine suddividendola in una griglia di immagini delle dimensioni del campo visivo. L'acquisizione di queste immagini segue uno schema preciso: il campione si sposta in una posizione sulla griglia, si stabilizza e quindi viene acquisita l'immagine. Nelle fotocamere con otturatore a scorrimento, è previsto un ulteriore tempo di attesa dovuto alla rotazione dell'otturatore. Queste immagini possono essere acquisite spostando la posizione della fotocamera e unendole successivamente. La Figura 3 mostra un'immagine di grandi dimensioni di una cellula umana al microscopio a fluorescenza, ottenuta unendo 16 immagini più piccole.
Figura 3: Una diapositiva di una cellula umana ripresa da una telecamera a scansione di area mediante la tecnica di acquisizione a mosaico (tile & stitch imaging).
In generale, per risolvere maggiori dettagli sarà necessario generare e unire più immagini in questo modo. Una soluzione a questo è impiegarescansione con fotocamera di grande formatoche dispone di sensori di grandi dimensioni con un elevato numero di pixel, in combinazione con ottiche specializzate, che consentono di catturare una maggiore quantità di dettagli.
Confronto tra TDI e scansione di area (Tile & Stitch)
Per la scansione di campioni di grandi dimensioni, sia la scansione Tile & Stitch che la scansione TDI sono soluzioni appropriate; tuttavia, selezionando il metodo più adatto, è possibile ridurre significativamente il tempo necessario per la scansione di un campione. Questo risparmio di tempo è reso possibile dalla capacità della scansione TDI di acquisire un campione in movimento, eliminando i ritardi associati all'assestamento del campione e alla temporizzazione dell'otturatore a scorrimento tipici della scansione Tile & Stitch.
La Figura 4 confronta le pause (verdi) e i movimenti (linee nere) necessari per acquisire un'immagine di una cellula umana sia con la tecnica tile & stitch (a sinistra) che con la scansione TDI (a destra). Eliminando la necessità di interrompere e riallineare l'immagine nella tecnica TDI, è possibile ridurre significativamente il tempo di acquisizione, a condizione che il tempo di esposizione sia basso (<100 ms).
La Tabella 2 mostra un esempio pratico di scansione tra una telecamera 9k TDI e una telecamera sCMOS standard.
Figura 4: Motivo di scansione dell'acquisizione di una cellula umana in fluorescenza che mostra la tecnica tile and stitch (a sinistra) e l'imaging TDI (a destra).
Tabella 2: Confronto tra scansione di area e imaging TDI per un campione di 15 x 15 mm con un obiettivo 10x e un tempo di esposizione di 10 ms.
Sebbene la tecnologia TDI offra un fantastico potenziale per una maggiore velocità di acquisizione delle immagini, ci sono delle sfumature da considerare nell'utilizzo di questa tecnologia. Per tempi di esposizione elevati (>100 ms), l'importanza del tempo perso per le fasi di movimento e stabilizzazione della scansione di area si riduce rispetto al tempo di esposizione. In questi casi, le telecamere a scansione di 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 ad esempio l'acquisizione di immagini multicanale o multifocali.
L'imaging multicanale in una telecamera a scansione di area prevede l'acquisizione simultanea di immagini utilizzando più lunghezze d'onda. Questi canali corrispondono in genere a diverse lunghezze d'onda della luce, come rosso, verde e blu. Ciascun 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 di area, ciò si ottiene tramite esposizioni discrete; tuttavia, con l'imaging TDI, è possibile utilizzare uno splitter per suddividere il sensore in più parti. Suddividere un sensore 9kTDI (45 mm) in 3 sensori da 15,0 mm risulterà comunque più grande di un sensore standard (larghezza pixel di 6,5 µm, 2048 pixel) di 13,3 mm. Inoltre, poiché il TDI richiede l'illuminazione solo sulla parte del campione da riprendere, le scansioni possono essere eseguite più rapidamente.
Un altro ambito in cui questo può verificarsi è l'imaging multifocale. L'imaging multifocale nelle telecamere a scansione di area prevede 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. Affronta le diverse distanze in una scena analizzando e combinando le regioni a fuoco di ciascuna immagine, ottenendo una rappresentazione più dettagliata dell'immagine. Ancora una volta, utilizzando undivisoreDividendo il sensore TDI in due (22,5 mm) o tre (15,0 mm) parti, potrebbe essere possibile acquisire un'immagine multifocale più rapidamente rispetto a una scansione di area equivalente. Tuttavia, per le immagini multifocali di ordine superiore (stack z di 6 o più), la scansione di area rimarrà probabilmente la tecnica di imaging più veloce.
Conclusioni
Questa nota tecnica illustra le differenze tra la scansione di area e la tecnologia TDI per la scansione di grandi aree. Combinando la scansione di linea e la sensibilità sCMOS, la tecnologia TDI consente di ottenere immagini rapide e di alta qualità senza interruzioni, superando i metodi tradizionali di scansione di area come il tile & stitch. Valuta i vantaggi derivanti dall'utilizzo del nostro calcolatore online, tenendo conto delle diverse ipotesi descritte in questo documento. La tecnologia TDI si conferma uno strumento potente per un'acquisizione di immagini efficiente, con un grande potenziale per la riduzione dei tempi di acquisizione sia nelle tecniche di imaging standard che in quelle avanzate.Se desiderate verificare se una telecamera TDI o una telecamera a scansione d'area possono essere adatte alla vostra applicazione e migliorare i tempi di acquisizione, contattateci oggi stesso.
