23.10.10.Laika aizkave un integrācija (TDI) ir attēlu uztveršanas metode, kas balstīta uz līniju skenēšanas principa, kur tiek uztverta virkne viendimensiju attēlu, lai ģenerētu attēlu, sinhronizējot parauga kustību un attēla šķēles uztveršanu, aktivizējot. Lai gan šī tehnoloģija pastāv jau gadu desmitiem, tā parasti ir saistīta ar zemas jutības lietojumprogrammām, piemēram, tīmekļa pārbaudi.
Jaunās paaudzes kameras ir apvienojušas sCMOS jutību ar TDI ātrumu, lai piedāvātu attēlu uzņemšanu ar tādu pašu kvalitāti kā apgabala skenēšanai, bet ar potenciālu par lieluma kārtām ātrākai caurlaidspējai. Tas ir īpaši acīmredzams situācijās, kad nepieciešams attēlot lielus paraugus vāja apgaismojuma apstākļos. Šajā tehniskajā piezīmē mēs ieskicējam, kā darbojas TDI skenēšana, un salīdzinām attēla uzņemšanas laiku ar salīdzināmu lielu apgabalu skenēšanas metodi — mozaīkas un savienojuma attēlveidošanu.
No līniju skenēšanas līdz TDI
Līniju skenēšanas attēlveidošana ir attēlveidošanas metode, kurā tiek izmantota viena pikseļu līnija (saukta par kolonnu vai platformu), lai uzņemtu attēla šķēli, kamēr paraugs atrodas kustībā. Izmantojot elektriskos iedarbināšanas mehānismus, paraugam šķērsojot sensoru, tiek uzņemta viena attēla "šķēle". Mērogojot kameras iedarbināšanas ātrumu, lai uzņemtu attēlu atbilstoši parauga kustībai, un izmantojot kadru uztvērēju šo attēlu uzņemšanai, tos var savienot kopā, lai rekonstruētu attēlu.
TDI attēlveidošana balstās uz šo parauga attēla uztveršanas principu, tomēr izmanto vairākus posmus, lai palielinātu uztverto fotoelektronu skaitu. Paraugam izejot cauri katram posmam, tiek savākta vairāk informācijas un pievienota esošajiem fotoelektroniem, kas uzņemti iepriekšējos posmos, un sajaukta līdzīgā procesā kā CCD ierīcēs. Paraugam izejot cauri pēdējam posmam, savāktie fotoelektroni tiek nosūtīti uz nolasīšanas ierīci, un integrētais signāls visā diapazonā tiek izmantots attēla šķēles ģenerēšanai. 1. attēlā parādīta attēla uztveršana ierīcē ar piecām TDI kolonnām (posmiem).
1. attēls: animēts attēla uzņemšanas piemērs, izmantojot TDI tehnoloģiju. Paraugs (zils T) tiek virzīts cauri TDI attēla uzņemšanas ierīcei (5 pikseļu kolonna, 5 TDI pakāpes), un katrā pakāpē tiek uztverti fotoelektroni un pievienoti signāla līmenim. Nolasījums to pārveido digitālā attēlā.
1.a: Attēls (zils T) tiek parādīts uz skatuves; T kustas, kā parādīts ierīcē.
1.b: Kad T šķērso pirmo pakāpi, TDI kamera tiek aktivizēta, lai uztvertu fotoelektronus, kurus uztver pikseļi, tiem sasniedzot pirmo pakāpi uz TDI sensora. Katrā kolonnā ir pikseļu sērija, kas uztver fotoelektronus atsevišķi.
1.c: Šie uztvertie fotoelektroni tiek pārvietoti uz otro pakāpi, kur katra kolonna paaugstina savu signāla līmeni uz nākamo pakāpi.
1d: Laikā līdz ar parauga kustību viena pikseļa attālumā otrajā posmā tiek uztverts otrs fotoelektronu komplekts un pievienots iepriekš uztvertajiem, palielinot signālu. 1. posmā tiek uztverts jauns fotoelektronu komplekts, kas atbilst nākamajai attēla uztveršanas daļai.
1.e: 1.d posmā aprakstītie attēlu uzņemšanas procesi tiek atkārtoti, attēlam pārvietojoties garām sensoram. Tas veido signālu no pakāpju fotoelektroniem. Signāls tiek nodots nolasīšanas ierīcei, kas pārveido fotoelektronu signālu digitālā nolasīšanas ierīcē.
1.f: Digitālais rādījums tiek parādīts kā attēls pa kolonnām. Tas ļauj veikt attēla digitālu rekonstrukciju.
Tā kā TDI ierīce spēj vienlaikus nodot fotoelektronus no viena posma uz nākamo un uztvert jaunus fotoelektronus no pirmā posma, kamēr paraugs ir kustībā, attēla rindu skaits var būt faktiski bezgalīgs. Aktivizēšanas frekvence, kas nosaka attēla uztveršanas reižu skaitu (1.a att.), var būt simtiem kHz.
2. attēla piemērā 29 x 17 mm mikroskopa preparāts tika uzņemts 10,1 sekundē, izmantojot 5 µm pikseļu TDI kameru. Pat pie ievērojama tālummaiņas līmeņa izplūšanas līmenis ir minimāls. Tas ir milzīgs progress salīdzinājumā ar iepriekšējām šīs tehnoloģijas paaudzēm.
Sīkākai informācijai 1. tabulā ir parādīts reprezentatīvs attēlveidošanas laiks virknei izplatītu paraugu izmēru ar 10, 20 un 40 reizes tālummaiņu.
2. attēls: Fluorescējoša parauga attēls, kas uzņemts, izmantojot Tucsen 9kTDI. Ekspozīcijas laiks 10 ms, uzņemšanas laiks 10,1 s.
1. tabula: Dažādu paraugu lielumu (sekundēs) uzņemšanas laika matrica, izmantojot Tucsen 9kTDI kameru uz Zaber MVR sērijas motorizētas platformas ar 10, 20 un 40 x palielinājumu 1 un 10 ms ekspozīcijas laikam.
apgabala skenēšanas attēlveidošana
Laukuma skenēšanas attēlveidošana sCMOS kamerās ietver visa attēla vienlaicīgu uztveršanu, izmantojot divdimensiju pikseļu masīvu. Katrs pikselis uztver gaismu, pārveidojot to elektriskos signālos tūlītējai apstrādei un pilnīga attēla veidošanai ar augstu izšķirtspēju un ātrumu. Attēla izmēru, ko var uzņemt vienā ekspozīcijā, nosaka pikseļa izmērs, palielinājums un pikseļu skaits masīvā uz (1)
Standarta masīvam redzes lauku nosaka (2)
Gadījumos, kad paraugs ir pārāk liels kameras redzes laukam, attēlu var konstruēt, sadalot attēlu režģī ar attēliem, kuru lielums ir atbilstošs redzes lauka lielumam. Šo attēlu uzņemšana notiek pēc noteikta modeļa, kur platforma pārvietojas uz noteiktu pozīciju režģī, platforma nosēžas un pēc tam attēls tiek uzņemts. Rullējošā slēdža kamerās ir papildu gaidīšanas laiks, kamēr slēdzis griežas. Šos attēlus var uzņemt, pārvietojot kameras pozīciju un savienojot tos kopā. 3. attēlā redzams liels cilvēka šūnas attēls fluorescences mikroskopijā, kas izveidots, savienojot 16 mazākus attēlus.
3. attēls: Cilvēka šūnas slaids, kas uzņemts ar laukuma skenēšanas kameru, izmantojot mozaīkas un šuves attēlveidošanu.
Kopumā, lai izšķirtu lielākas detaļas, būs nepieciešams ģenerēt un šādā veidā savienot vairāk attēlu. Viens no risinājumiem ir izmantotlielformāta kameras skenēšana, kam ir lieli sensori ar augstu pikseļu skaitu apvienojumā ar specializētu optiku, kas ļauj uztvert lielāku detaļu daudzumu.
TDI un laukuma skenēšanas (Tile & Stitch) salīdzinājums
Liela laukuma paraugu skenēšanai piemērots risinājums ir gan Tile & Stitch, gan TDI skenēšana, tomēr, izvēloties labāko metodi, ir iespējams ievērojami samazināt parauga skenēšanai nepieciešamo laiku. Šo laika ietaupījumu nodrošina TDI skenēšanas spēja uztvert kustīgu paraugu, novēršot aizkaves, kas saistītas ar poda nosēšanos un slīdošā slēdža laiku, kas raksturīgs Tile & Stitch attēlveidošanai.
4. attēlā ir salīdzinātas apstāšanās (zaļā krāsā) un kustības (melnās līnijas), kas nepieciešamas, lai uzņemtu cilvēka šūnas attēlu gan mozaīkas un sašūšanas (pa kreisi), gan TDI (pa labi) skenēšanā. Novēršot nepieciešamību apturēt un atkārtoti izlīdzināt attēlu TDI attēlveidošanā, ir iespējams ievērojami samazināt attēlveidošanas laiku, ja ekspozīcijas laiks ir <100 ms.
2. tabulā parādīts skenēšanas piemērs starp 9k TDI un standarta sCMOS kameru.
4. attēls: Cilvēka šūnas uztveršanas skenēšanas motīvs fluorescences ietekmē, kurā redzama flīžu un dūrienu metode (pa kreisi) un TDI attēlveidošana (pa labi).
2. tabula: Laukuma skenēšanas un TDI attēlveidošanas salīdzinājums 15 x 15 mm paraugam ar 10x objektīvu un 10 ms ekspozīcijas laiku.
Lai gan TDI piedāvā fantastisku potenciālu attēlu uzņemšanas ātruma palielināšanai, šīs tehnoloģijas izmantošanā ir nianses. Ilgiem ekspozīcijas laikiem (>100 ms) zonas skenēšanas kustības un nosēšanās aspektos zaudētā laika nozīme ir mazāka salīdzinājumā ar ekspozīcijas laiku. Šādos gadījumos zonas skenēšanas kameras var piedāvāt īsāku skenēšanas laiku salīdzinājumā ar TDI attēlveidošanu. Lai noskaidrotu, vai TDI tehnoloģija var piedāvāt priekšrocības salīdzinājumā ar pašreizējo iestatījumu,sazinieties ar mumssalīdzināšanas kalkulatoram.
Citi pielietojumi
Daudziem pētniecības jautājumiem ir nepieciešama vairāk informācijas nekā viens attēls, piemēram, daudzkanālu vai daudzfokusu attēlu iegūšana.
Daudzkanālu attēlveidošana laukuma skenēšanas kamerā ietver attēlu uzņemšanu, izmantojot vienlaicīgus vairākus viļņu garumus. Šie kanāli parasti atbilst dažādiem gaismas viļņu garumiem, piemēram, sarkanai, zaļai un zilai gaismai. Katrs kanāls uztver noteiktu viļņa garumu vai spektrālo informāciju no ainas. Pēc tam kamera apvieno šos kanālus, lai ģenerētu pilnkrāsu vai multispektrālu attēlu, nodrošinot visaptverošāku ainas skatu ar atšķirīgām spektrālajām detaļām. Laukuma skenēšanas kamerās tas tiek panākts ar atsevišķām ekspozīcijām, tomēr TDI attēlveidošanā sensoru var sadalīt vairākās daļās, izmantojot sadalītāju. 9kTDI (45 mm) sadalīšana 3 x 15,0 mm sensoros joprojām būs lielāka nekā standarta sensors (6,5 µm pikseļu platums, 2048 pikseļi) ar platumu 13,3 mm. Turklāt, tā kā TDI ir nepieciešams apgaismojums tikai uz attēlojamās parauga daļas, skenēšanu var veikt ātrāk.
Vēl viena joma, kur tas varētu būt iespējams, ir daudzfokusu attēlveidošana. Daudzfokusu attēlveidošana apgabala skenēšanas kamerās ietver vairāku attēlu uzņemšanu dažādos fokusa attālumos un to apvienošanu, lai izveidotu saliktu attēlu, kurā visa aina ir asā fokusā. Tā risina dažādus attālumus ainā, analizējot un apvienojot katra attēla fokusā esošos apgabalus, kā rezultātā tiek iegūts detalizētāks attēla attēlojums. Atkal, izmantojotsadalītājsLai sadalītu TDI sensoru divos (22,5 mm) vai trijos (15,0 mm) gabalos, var būt iespējams iegūt daudzfokusa attēlu ātrāk nekā ar laukuma skenēšanas ekvivalentu. Tomēr augstākas kārtas daudzfokusiem (z steki pa 6 vai vairāk) laukuma skenēšana, visticamāk, joprojām būs ātrākā attēlveidošanas metode.
Secinājumi
Šajā tehniskajā piezīmē ir izklāstītas atšķirības starp apgabala skenēšanu un TDI tehnoloģiju lielu apgabalu skenēšanai. Apvienojot līniju skenēšanu un sCMOS jutību, TDI panāk ātru, augstas kvalitātes attēlveidošanu bez pārtraukumiem, pārspējot tradicionālās apgabala skenēšanas metodes, piemēram, mozaīkas un savienošanas metodi. Novērtējiet mūsu tiešsaistes kalkulatora izmantošanas priekšrocības, ņemot vērā dažādus šajā dokumentā izklāstītos pieņēmumus. TDI ir spēcīgs rīks efektīvai attēlveidošanai ar lielu potenciālu attēlveidošanas laika samazināšanai gan standarta, gan uzlabotās attēlveidošanas tehnikās.Ja vēlaties uzzināt, vai TDI kamera vai laukuma skenēšanas kamera varētu atbilst jūsu vajadzībām un uzlabot uzņemšanas laiku, sazinieties ar mums jau šodien.
