2010-10-23Laiko uždelsimas ir integravimas (TDI) – tai vaizdo fiksavimo metodas, pagrįstas linijinio skenavimo principu, kai fiksuojama vienmačių vaizdų serija, kad būtų sukurtas vaizdas, nustatant mėginio judėjimo laiką ir vaizdo pjūvio fiksavimą suaktyvinant. Nors ši technologija egzistuoja jau dešimtmečius, ji paprastai siejama su mažo jautrumo taikymais, tokiais kaip tinklo patikra.
Naujos kartos kameros sujungia sCMOS jautrumą su TDI greičiu, kad būtų galima užfiksuoti tokius pat kokybės vaizdus kaip ir ploto skenavimas, tačiau su potencialiai daug didesniu našumu. Tai ypač akivaizdu situacijose, kai reikia vaizduoti didelius mėginius esant prastam apšvietimui. Šioje techninėje pastaboje apžvelgiame, kaip veikia TDI skenavimas, ir palyginame vaizdo fiksavimo laiką su panašiu didelio ploto skenavimo metodu – plytelių ir sujungimo vaizdavimu.
Nuo linijinio skenavimo iki TDI
Linijinis skenavimas – tai vaizdavimo technika, kurios metu viena pikselių linija (vadinama stulpeliu arba platforma) fiksuoja vaizdo pjūvį, mėginiui judant. Naudojant elektrinius suveikimo mechanizmus, mėginiui slenkant pro jutiklį, fiksuojamas vienas vaizdo „pjūvis“. Keičiant kameros suveikimo dažnį, kad vaizdas būtų užfiksuotas pagal mėginio judėjimą, ir naudojant kadrų griebtuvą šiems vaizdams užfiksuoti, juos galima sujungti ir atkurti vaizdą.
TDI vaizdinimas grindžiamas šiuo mėginio vaizdo fiksavimo principu, tačiau jame naudojami keli etapai, siekiant padidinti užfiksuojamų fotoelektronų skaičių. Mėginiui pereinant kiekvieną etapą, surenkama daugiau informacijos, kuri pridedama prie esamų fotoelektronų, užfiksuotų ankstesniuose etapuose, ir maišoma panašiu procesu kaip ir CCD įrenginiuose. Mėginiui pereinant paskutinį etapą, surinkti fotoelektronai siunčiami į nuskaitymo įrenginį, o integruotas signalas visame diapazone naudojamas vaizdo pjūviui generuoti. 1 paveiksle parodytas vaizdo fiksavimas įrenginyje su penkiais TDI stulpeliais (etapais).
1 pav.: animuotas vaizdo fiksavimo naudojant TDI technologiją pavyzdys. Mėginys (mėlynas T) praleidžiamas per TDI vaizdo fiksavimo įrenginį (5 pikselių stulpelis, 5 TDI etapai), ir kiekviename etape užfiksuojami fotoelektronai, kurie pridedami prie signalo lygio. Rodmuo paverčia šį vaizdą skaitmeniniu.
1a: Vaizdas (mėlyna T) pateikiamas scenoje; T juda, kaip parodyta įrenginyje.
1b: Kai T praeina pirmąjį etapą, TDI kamera suveikia ir priima fotoelektronus, kuriuos užfiksuoja pikseliai, kai jie pasiekia pirmąjį TDI jutiklio etapą. Kiekviename stulpelyje yra pikselių serija, kuri individualiai fiksuoja fotoelektronus.
1c: Šie užfiksuoti fotoelektronai perkeliami į antrąjį etapą, kur kiekvienas stulpelis perkelia savo signalo lygį į kitą etapą.
1d: Laike, mėginio judėjimui vieno pikselio atstumu, antrajame etape užfiksuojamas antras fotoelektronų rinkinys ir pridedamas prie anksčiau užfiksuotų, taip sustiprinant signalą. 1 etape užfiksuojamas naujas fotoelektronų rinkinys, atitinkantis kitą vaizdo užfiksuoto vaizdo pjūvį.
1e: 1d etape aprašyti vaizdo fiksavimo procesai kartojami vaizdui judant pro jutiklį. Taip iš etapų fotoelektronų sukuriamas signalas. Signalas perduodamas į nuskaitymo įrenginį, kuris fotoelektronų signalą paverčia skaitmeniniu rodmeniu.
1f: Skaitmeninis rodmuo rodomas kaip vaizdas stulpelis po stulpelio. Tai leidžia skaitmeniniu būdu rekonstruoti vaizdą.
Kadangi TDI įrenginys gali vienu metu perduoti fotoelektronus iš vienos pakopos į kitą ir užfiksuoti naujus fotoelektronus iš pirmosios pakopos, kol mėginys juda, vaizdo eilučių skaičius gali būti praktiškai begalinis. Suveikimo dažniai, lemiantys vaizdo fiksavimo kartų skaičių (1a pav.), gali būti šimtų kHz eilės.
2 paveiksle pateiktame pavyzdyje 29 x 17 mm mikroskopo skaidrė buvo nufotografuota per 10,1 sekundės naudojant 5 µm pikselių TDI kamerą. Net ir esant dideliam priartinimo lygiui, suliejimo lygis yra minimalus. Tai yra didžiulis žingsnis į priekį, palyginti su ankstesnėmis šios technologijos kartomis.
Daugiau informacijos rasite 1 lentelėje, kurioje parodytas tipinis vaizdavimo laikas, kai mėginių dydžiai yra įprasti ir priartinimas yra 10, 20 ir 40 kartų.
2 pav.: Fluorescencinio mėginio vaizdas, užfiksuotas naudojant „Tucsen 9kTDI“. Ekspozicija 10 ms, fiksavimo laikas 10,1 s.
1 lentelė: Įvairių mėginių dydžių (sekundėmis) fiksavimo laiko matrica, naudojant „Tucsen 9kTDI“ kamerą ant „Zaber MVR“ serijos motorizuoto staliuko, esant 10, 20 ir 40 kartų didinimui ir 1 bei 10 ms ekspozicijos laikui.
Ploto skenavimo vaizdavimas
Ploto skenavimo vaizdavimas sCMOS kamerose apima viso vaizdo fiksavimą vienu metu naudojant dvimatį pikselių masyvą. Kiekvienas pikselis fiksuoja šviesą, paverčia ją elektriniais signalais, kurie leidžia juos nedelsiant apdoroti ir suformuoti visą didelės skiriamosios gebos ir greičio vaizdą. Vaizdo, kurį galima užfiksuoti vienu metu, dydis priklauso nuo pikselio dydžio, didinimo ir pikselių skaičiaus masyve, per (1)
Standartinio masyvo matymo laukas pateikiamas (2)
Tais atvejais, kai mėginys yra per didelis kameros matymo laukui, vaizdas gali būti sukonstruotas jį padalijant į tinklelį, kurio dydis atitinka matymo lauko dydį. Šie vaizdai užfiksuojami pagal tam tikrą modelį: stacionarioji platforma pasislenka į tam tikrą tinklelio padėtį, stacionari platforma nusistovi ir tada užfiksuojamas vaizdas. Kamerose su riedančio užrakto sistema yra papildomas laukimo laikas, kol sukasi užraktas. Šiuos vaizdus galima užfiksuoti keičiant kameros padėtį ir juos sujungiant. 3 paveiksle parodytas didelis žmogaus ląstelės vaizdas fluorescencinėje mikroskopijoje, suformuotas sujungus 16 mažesnių vaizdų.
3 pav.: Žmogaus ląstelės skaidrė, užfiksuota ploto skenavimo kamera, naudojant plytelių ir dygsnių vaizdavimą.
Apskritai, norint išspręsti didesnį detalumą, reikės sugeneruoti ir tokiu būdu sujungti daugiau vaizdų. Vienas iš šios problemos sprendimų – naudotididelio formato kameros skenavimas, turintis didelius jutiklius su dideliu pikselių skaičiumi ir specializuotą optiką, leidžiančią užfiksuoti daugiau detalių.
TDI ir ploto skenavimo (plytelių ir sujungimų) palyginimas
Didelio ploto mėginių skenavimui tinkami sprendimai yra ir „Tile & Stitch“, ir TDI skenavimas, tačiau pasirinkus geriausią metodą, galima gerokai sutrumpinti mėginio skenavimo laiką. Šis laiko taupymas pasiekiamas dėl TDI skenavimo galimybės užfiksuoti judantį mėginį; taip pašalinami su stovo nusistovimu ir riedančio užrakto laiku susiję vėlavimai, būdingi „Tile & Stitch“ vaizdavimui.
4 paveiksle palyginami sustojimai (žalia spalva) ir judesiai (juodos linijos), reikalingi žmogaus ląstelės vaizdui užfiksuoti, naudojant tiek plytelių ir dygsnių (kairėje), tiek TDI (dešinėje) skenavimą. Pašalinus poreikį sustabdyti ir iš naujo sulygiuoti vaizdą TDI vaizdavime, galima žymiai sutrumpinti vaizdavimo laiką, jei ekspozicijos laikas yra trumpas <100 ms.
2 lentelėje pateiktas praktinis skenavimo tarp 9k TDI ir standartinės sCMOS kameros pavyzdys.
4 pav.: Žmogaus ląstelės skenavimo motyvas, vaizduojantis fluorescencijos fone, naudojant plytelių ir dygsnių metodą (kairėje) ir TDI vaizdinimą (dešinėje).
2 lentelė: 15 x 15 mm mėginio ploto skenavimo ir TDI vaizdinimo palyginimas su 10 kartų didinančiu objektyvu ir 10 ms ekspozicijos laiku.
Nors TDI suteikia fantastišką potencialą padidinti vaizdų fiksavimo greitį, šios technologijos naudojimas turi niuansų. Esant dideliam ekspozicijos laikui (> 100 ms), judėjimo ir nusistovimo aspektų prarandamo laiko reikšmė ploto skenavimo metu yra mažesnė, palyginti su ekspozicijos laiku. Tokiais atvejais ploto skenavimo kameros gali pasiūlyti trumpesnį skenavimo laiką, palyginti su TDI vaizdavimu. Norėdami sužinoti, ar TDI technologija gali pasiūlyti jums pranašumų, palyginti su dabartine sistema,susisiekite su mumispalyginimo skaičiuoklei.
Kitos programos
Daugeliui tyrimo klausimų reikia daugiau informacijos nei vieno vaizdo, pavyzdžiui, norint gauti daugiakanalius arba daugiafokusius vaizdus.
Daugiakanalis vaizdavimas plotinio skenavimo kameroje apima vaizdų fiksavimą naudojant kelis bangos ilgius vienu metu. Šie kanalai paprastai atitinka skirtingus šviesos bangos ilgius, tokius kaip raudona, žalia ir mėlyna. Kiekvienas kanalas fiksuoja konkretų bangos ilgį arba spektrinę informaciją iš scenos. Tada kamera sujungia šiuos kanalus, kad sukurtų spalvotą arba daugiaspektrinį vaizdą, pateikdama išsamesnį scenos vaizdą su skirtingomis spektrinėmis detalėmis. Plotinio skenavimo kamerose tai pasiekiama naudojant atskiras ekspozicijas, tačiau naudojant TDI vaizdavimą, skirstytuvą galima naudoti jutikliui padalyti į kelias dalis. 9kTDI (45 mm) padalijimas į 3 x 15,0 mm jutiklius vis tiek bus didesnis nei standartinis jutiklis (6,5 µm pikselių plotis, 2048 pikseliai), kurio plotis yra 13,3 mm. Be to, kadangi TDI reikia apšviesti tik vaizduojamą mėginio dalį, skenavimus galima atlikti greičiau.
Kita sritis, kurioje tai gali būti taikoma, yra daugiafokusis vaizdavimas. Daugiafokusis vaizdavimas ploto skenavimo kamerose apima kelių vaizdų fiksavimą skirtingais fokusavimo atstumais ir jų sujungimą, kad būtų sukurtas sudėtinis vaizdas, kuriame visa scena būtų ryškiai sufokusuota. Įvairūs atstumai scenoje sprendžiami analizuojant ir derinant sufokusuotas sritis iš kiekvieno vaizdo, todėl gaunamas detalesnis vaizdo vaizdas. Vėlgi, naudojantskirstytuvasPadalinant TDI jutiklį į dvi (22,5 mm) arba tris (15,0 mm) dalis, daugiafokusį vaizdą galima gauti greičiau nei naudojant ploto skenavimo ekvivalentą. Tačiau aukštesnės eilės daugiafokusiams vaizdams (z elementai po 6 ar daugiau) ploto skenavimas greičiausiai išliks greičiausia vaizdavimo technika.
Išvados
Šioje techninėje pastaboje aprašomi ploto skenavimo ir TDI technologijos skirtumai, taikomi dideliems plotams skenuoti. Sujungus linijinį skenavimą ir sCMOS jautrumą, TDI pasiekia greitą, aukštos kokybės vaizdą be pertraukų, pranokdamas tradicinius ploto skenavimo metodus, tokius kaip plytelių ir sujungimas. Įvertinkite mūsų internetinės skaičiuoklės naudojimo privalumus, atsižvelgdami į įvairias šiame dokumente aprašytas prielaidas. TDI yra galinga efektyvaus vaizdavimo priemonė, turinti didelį potencialą sutrumpinti vaizdavimo laiką tiek standartinėse, tiek pažangiose vaizdavimo technikose.Jei norite sužinoti, ar TDI kamera arba plotinio skenavimo kamera galėtų tikti jūsų pritaikymui ir pagerinti fiksavimo laiką, susisiekite su mumis šiandien.
