23/10/10Time delay & integration (TDI) is een beeldregistratiemethode die gebaseerd is op het principe van lijnscanning, waarbij een reeks eendimensionale beelden wordt vastgelegd om een beeld te genereren door de beweging van het monster te timen en de beeldsegmenten te triggeren. Hoewel deze technologie al tientallen jaren bestaat, wordt deze doorgaans geassocieerd met toepassingen met een lage gevoeligheid, zoals webinspectie.
Een nieuwe generatie camera's combineert de gevoeligheid van sCMOS met de snelheid van TDI om beeldopnames te bieden van dezelfde kwaliteit als een oppervlaktescan, maar met de potentie voor een veel snellere doorvoer. Dit is met name duidelijk in situaties waarin beeldvorming van grote monsters bij weinig licht vereist is. In deze technische notitie beschrijven we hoe TDI-scans werkt en vergelijken we de beeldopnametijd met een vergelijkbare techniek voor het scannen van grote oppervlakken, tile & stitch imaging.
Van lijnscanning naar TDI
Line scan imaging is een beeldvormingstechniek waarbij één enkele pixelrij (ook wel een kolom of stage genoemd) wordt gebruikt om een deel van een afbeelding te maken terwijl een monster in beweging is. Met behulp van elektrische triggermechanismen wordt één 'deel' van een afbeelding gemaakt terwijl het monster de sensor passeert. Door de triggerfrequentie van de camera aan te passen om het beeld gelijk op te nemen met de beweging van het monster en een framegrabber te gebruiken om deze beelden vast te leggen, kunnen ze aan elkaar worden geplakt om het beeld te reconstrueren.
TDI-beeldvorming bouwt voort op dit principe van beeldregistratie van een monster, maar gebruikt meerdere fasen om het aantal vastgelegde foto-elektronen te verhogen. Naarmate het monster elke fase passeert, wordt er meer informatie verzameld en toegevoegd aan de bestaande foto-elektronen die door eerdere fasen zijn vastgelegd en vervolgens zijn herschikt in een vergelijkbaar proces als bij CCD-apparaten. Wanneer het monster de laatste fase passeert, worden de verzamelde foto-elektronen naar een uitleesapparaat gestuurd en wordt het geïntegreerde signaal over het hele bereik gebruikt om een beeldfragment te genereren. In Figuur 1 wordt beeldregistratie op een apparaat met vijf TDI-kolommen (fasen) getoond.
Figuur 1: een animatievoorbeeld van beeldregistratie met behulp van TDI-technologie. Een monster (blauwe T) wordt over een TDI-beeldregistratieapparaat (een kolom van 5 pixels, 5 TDI-trappen) geleid, en in elke trap worden foto-elektronen vastgelegd en aan het signaalniveau toegevoegd. Een uitleesapparaat zet dit om in een digitaal beeld.
1a: Het beeld (een blauwe T) wordt op het podium geïntroduceerd; de T beweegt zoals op het apparaat wordt getoond.
1b: Wanneer de T de eerste fase passeert, wordt de TDI-camera geactiveerd om foto-elektronen te ontvangen. Deze worden door de pixels opgevangen wanneer ze de eerste fase van de TDI-sensor raken. Elke kolom heeft een reeks pixels die afzonderlijk foto-elektronen opvangen.
1c: Deze opgevangen foto-elektronen worden doorgestuurd naar de tweede trap, waar elke kolom zijn signaalniveau naar de volgende trap duwt.
1d: Gelijktijdig met de verplaatsing van de pixelafstand van het monster wordt in fase twee een tweede set foto-elektronen vastgelegd en toegevoegd aan de eerder vastgelegde, waardoor het signaal wordt versterkt. In fase 1 wordt een nieuwe set foto-elektronen vastgelegd, die overeenkomt met het volgende deel van de vastgelegde afbeelding.
1e: De beeldregistratieprocessen beschreven in stap 1d worden herhaald terwijl het beeld langs de sensor beweegt. Dit genereert een signaal van de foto-elektronen uit de stappen. Het signaal wordt doorgegeven aan een uitleesapparaat, dat het foto-elektronensignaal omzet in een digitale uitlezing.
1f: De digitale uitlezing wordt kolom voor kolom als een afbeelding weergegeven. Dit maakt digitale reconstructie van een afbeelding mogelijk.
Omdat het TDI-apparaat in staat is om gelijktijdig foto-elektronen van de ene fase naar de volgende door te geven en nieuwe foto-elektronen van de eerste fase te vangen terwijl het monster in beweging is, kan het aantal vastgelegde rijen in het beeld effectief oneindig zijn. De triggerfrequenties, die bepalen hoe vaak het beeld wordt vastgelegd (fig. 1a), kunnen in de orde van honderden kHz liggen.
In het voorbeeld van figuur 2 werd een microscoopglaasje van 29 x 17 mm in 10,1 seconden vastgelegd met een TDI-camera met een pixelgrootte van 5 µm. Zelfs bij aanzienlijke zoomniveaus is de onscherpte minimaal. Dit is een enorme vooruitgang ten opzichte van eerdere generaties van deze technologie.
Voor meer details toont Tabel 1 de representatieve beeldvormingstijd voor een reeks veelvoorkomende steekproefgroottes bij een zoom van 10, 20 en 40 keer.
Figuur 2: Een afbeelding van een fluorescerend monster, vastgelegd met een Tucsen 9kTDI. Belichtingstijd 10 ms, opnametijd 10,1 s.
Tabel 1: Matrix van opnametijd van verschillende steekproefgroottes (seconden) met behulp van een Tucsen 9kTDI-camera op een gemotoriseerd Zaber MVR-serie-objectief bij 10, 20 en 40 x voor een belichtingstijd van 1 en 10 ms.
Gebiedsscanbeeldvorming
Area scan imaging in sCMOS-camera's omvat het gelijktijdig vastleggen van een volledig beeld met behulp van een tweedimensionale matrix van pixels. Elke pixel vangt licht op en zet dit om in elektrische signalen voor directe verwerking, waardoor een compleet beeld ontstaat met een hoge resolutie en snelheid. De grootte van een beeld dat in één belichting kan worden vastgelegd, wordt bepaald door de pixelgrootte, de vergroting en het aantal pixels in een matrix, per (1)
Voor een standaardarray wordt het gezichtsveld gegeven door (2)
In gevallen waarin een monster te groot is voor het gezichtsveld van een camera, kan een beeld worden geconstrueerd door het beeld op te delen in een raster van beelden ter grootte van het gezichtsveld. Het vastleggen van deze beelden verloopt volgens een patroon, waarbij de tafel naar een positie op het raster beweegt, de tafel tot rust komt en vervolgens het beeld wordt vastgelegd. Bij camera's met een rolling shutter is er een extra wachttijd terwijl de sluiter draait. Deze beelden kunnen worden vastgelegd door de camerapositie te verplaatsen en ze aan elkaar te plakken. Figuur 3 toont een grote afbeelding van een menselijke cel onder fluorescentiemicroscopie, gevormd door 16 kleinere beelden aan elkaar te plakken.
Figuur 3: Een dia van een menselijke cel die wordt vastgelegd door een area scan camera met behulp van tile & stitch imaging.
Over het algemeen vereist het oplossen van meer details dat er meer afbeeldingen worden gegenereerd en op deze manier aan elkaar worden geplakt. Een oplossing hiervoor is omgrootformaat camerascanning, die grote sensoren met een groot aantal pixels heeft, in combinatie met gespecialiseerde optica, waardoor er meer details kunnen worden vastgelegd.
Vergelijking tussen TDI en gebiedsscanning (Tile & Stitch)
Voor het scannen van grote oppervlakken van monsters zijn zowel Tile & Stitch als TDI-scanning geschikte oplossingen. Door de beste methode te kiezen, is het echter mogelijk om de scantijd van een monster aanzienlijk te verkorten. Deze tijdsbesparing wordt gegenereerd door de mogelijkheid van TDI-scanning om een bewegend monster vast te leggen, waardoor de vertragingen die gepaard gaan met het zetten van de stage en de rolling shutter-timing die gepaard gaan met Tile & Stitch-beeldvorming, worden geëlimineerd.
Figuur 4 vergelijkt de stops (groen) en bewegingen (zwarte lijnen) die nodig zijn om een afbeelding van een menselijke cel vast te leggen in zowel Tile & Stitch (links) als TDI (rechts) scanning. Door de noodzaak om te stoppen en de afbeelding opnieuw uit te lijnen bij TDI-beeldvorming weg te nemen, is het mogelijk de beeldvormingstijd aanzienlijk te verkorten, mits de belichtingstijd laag is (<100 ms).
Tabel 2 toont een uitgewerkt voorbeeld van scannen tussen een 9k TDI en een standaard sCMOS-camera.
Figuur 4: Een scanmotief van de opname van een menselijke cel onder fluorescentie, met tile en stitch (links) en TDI-beeldvorming (rechts).
Tabel 2: Vergelijking van area scan en TDI-beeldvorming voor een monster van 15 x 15 mm met een 10x objectieflens en een belichtingstijd van 10 ms.
Hoewel TDI fantastische mogelijkheden biedt voor een hogere snelheid van beeldregistratie, zijn er nuances in het gebruik van deze technologie. Bij hoge belichtingstijden (> 100 ms) is het tijdverlies door de bewegings- en zettingsaspecten van een gebiedsscan minder belangrijk dan de belichtingstijd. In dergelijke gevallen kunnen gebiedsscancamera's kortere scantijden bieden in vergelijking met TDI-beeldvorming. Om te zien of TDI-technologie u voordelen biedt ten opzichte van uw huidige opstelling,Neem contact met ons opvoor een vergelijkingscalculator.
Andere toepassingen
Veel onderzoeksvragen vereisen meer informatie dan één afbeelding, zoals multichannel- of multifocus-beeldacquisitie.
Multikanaalsbeeldvorming in een area scan camera omvat het gelijktijdig vastleggen van beelden met meerdere golflengten. Deze kanalen komen doorgaans overeen met verschillende golflengten van licht, zoals rood, groen en blauw. Elk kanaal legt specifieke golflengte- of spectrale informatie van de scène vast. De camera combineert deze kanalen vervolgens om een full-colour of multispectraal beeld te genereren, wat een completer beeld van de scène oplevert met duidelijke spectrale details. Bij area scan camera's wordt dit bereikt door middel van discrete belichtingen, maar bij TDI-beeldvorming kan een splitter worden gebruikt om de sensor in meerdere delen te splitsen. Het splitsen van een 9kTDI (45 mm) in 3 x 15,0 mm sensoren is nog steeds groter dan een standaardsensor (pixelbreedte 6,5 µm, 2048 pixels) met een breedte van 13,3 mm. Bovendien, omdat TDI alleen belichting vereist op het deel van het te fotograferen monster, kunnen de scans sneller worden doorlopen.
Een ander gebied waar dit het geval kan zijn, is multifocus-beeldvorming. Multifocus-beeldvorming in areascancamera's omvat het vastleggen van meerdere beelden op verschillende focusafstanden en het samenvoegen hiervan tot een samengesteld beeld met de gehele scène scherp in beeld. Het pakt verschillende afstanden in een scène aan door de scherpgestelde gebieden van elk beeld te analyseren en te combineren, wat resulteert in een gedetailleerdere weergave van een beeld. Ook hier geldt:splitterDoor de TDI-sensor in twee (22,5 mm) of drie (15,0 mm) delen te verdelen, is het mogelijk om sneller een multifocusbeeld te verkrijgen dan een equivalent van een area scan. Voor multifocus van hogere orde (z-stapels van 6 of meer) blijft area scan echter waarschijnlijk de snelste beeldvormingstechniek.
Conclusies
Deze technische notitie beschrijft de verschillen tussen area scanning en TDI-technologie voor het scannen van grote oppervlakken. Door lijnscanning en sCMOS-gevoeligheid te combineren, bereikt TDI snelle, hoogwaardige beelden zonder onderbrekingen, waarmee het traditionele area scanning-methoden zoals tile & stitch overtreft. Beoordeel de voordelen van het gebruik van onze online calculator, rekening houdend met de verschillende aannames die in dit document worden beschreven. TDI is een krachtig hulpmiddel voor efficiënte beeldvorming met een groot potentieel voor het verkorten van de beeldvormingstijd, zowel bij standaard als bij geavanceerde beeldvormingstechnieken.Wilt u weten of een TDI-camera of area scan-camera geschikt is voor uw toepassing en uw opnametijd kan verbeteren? Neem dan vandaag nog contact met ons op.
