10-10-2023Tijdvertraging en -integratie (TDI) is een methode voor beeldregistratie gebaseerd 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 beeldsegmenten vast te leggen door middel van triggering. Hoewel deze technologie al tientallen jaren bestaat, werd ze 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 beelden vast te leggen met een gelijke kwaliteit als gebiedsscans, maar met de potentie voor een vele malen snellere doorvoer. Dit is met name merkbaar in situaties waar het nodig is om grote monsters in omstandigheden met weinig licht te scannen. In deze technische notitie beschrijven we hoe TDI-scanning werkt en vergelijken we de beeldopnametijd met een vergelijkbare techniek voor het scannen van grote oppervlakken, namelijk tegel- en steekbeeldvorming.
Van lijnscanning naar TDI
Lijnscanbeeldvorming is een beeldvormingstechniek die gebruikmaakt van een enkele rij pixels (ook wel een kolom of fase genoemd) om een doorsnede van een beeld te maken terwijl een monster in beweging is. Met behulp van elektrische triggermechanismen wordt een enkele 'doorsnede' van een beeld gemaakt wanneer het monster de sensor passeert. Door de triggerfrequentie van de camera aan te passen aan de beweging van het monster en een framegrabber te gebruiken om deze beelden vast te leggen, kunnen ze worden samengevoegd om het beeld te reconstrueren.
TDI-beeldvorming bouwt voort op dit principe van beeldopname van een monster, maar maakt gebruik van meerdere fasen om het aantal opgevangen foto-elektronen te verhogen. Naarmate het monster elke fase passeert, wordt meer informatie verzameld en toegevoegd aan de bestaande foto-elektronen die door eerdere fasen zijn opgevangen en herschikt in een proces dat vergelijkbaar is met 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 bereik gebruikt om een beeldsegment te genereren. Figuur 1 toont beeldopname op een apparaat met vijf TDI-kolommen (fasen).
Figuur 1: een geanimeerd voorbeeld van beeldopname met behulp van TDI-technologie. Een monster (blauwe T) wordt over een TDI-beeldopnameapparaat geleid (een kolom van 5 pixels, 5 TDI-trappen), waarbij foto-elektronen in elke trap worden opgevangen en aan het signaalniveau worden toegevoegd. Een uitleesapparaat zet dit om in een digitaal beeld.
1a: De afbeelding (een blauwe T) wordt op het podium geïntroduceerd; de T is in beweging zoals weergegeven op het apparaat.
1b: Wanneer de T de eerste trap passeert, wordt de TDI-camera geactiveerd om foto-elektronen te ontvangen die door de pixels worden opgevangen wanneer ze de eerste trap van de TDI-sensor raken. Elke kolom heeft een reeks pixels die afzonderlijk foto-elektronen opvangen.
1c: Deze opgevangen foto-elektronen worden naar de tweede fase verplaatst, waar elke kolom zijn signaalniveau doorgeeft aan de volgende fase.
1d: Gelijktijdig met de beweging van het monster over een afstand van één pixel, wordt een tweede set foto-elektronen opgevangen in fase twee en toegevoegd aan de eerder opgevangen elektronen, waardoor het signaal wordt versterkt. In fase 1 wordt een nieuwe set foto-elektronen opgevangen, overeenkomend met de volgende beeldopname.
1e: De beeldopnameprocessen beschreven in fase 1d worden herhaald terwijl het beeld langs de sensor beweegt. Hierdoor wordt een signaal opgebouwd uit foto-elektronen van de verschillende fasen. Dit signaal wordt doorgegeven aan een uitleeseenheid, die het foto-elektronensignaal omzet in een digitale waarde.
1f: De digitale uitlezing wordt kolom voor kolom als afbeelding weergegeven. Dit maakt digitale reconstructie van een afbeelding mogelijk.
Omdat het TDI-apparaat tegelijkertijd foto-elektronen van de ene naar de volgende fase kan doorgeven en nieuwe foto-elektronen van de eerste fase kan opvangen terwijl het monster in beweging is, kan het beeld in feite oneindig veel rijen bevatten. De triggerfrequentie, die bepaalt hoe vaak een beeld wordt vastgelegd (fig. 1a), kan 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 5 µm pixels. Zelfs bij aanzienlijke zoomniveaus is de onscherpte minimaal. Dit is een enorme vooruitgang ten opzichte van eerdere generaties van deze technologie.
Tabel 1 toont voor meer details de representatieve beeldvormingstijden voor een reeks gangbare monstergroottes bij 10x, 20x en 40x vergroting.
Figuur 2: Een afbeelding van een fluorescerend monster, vastgelegd met een Tucsen 9kTDI. Belichtingstijd 10 ms, opnametijd 10,1 s.
Tabel 1: Matrix van opnametijden van verschillende steekproefgroottes (seconden) met een Tucsen 9kTDI-camera op een gemotoriseerd podium van de Zaber MVR-serie bij 10x, 20x en 40x vergroting voor een belichtingstijd van 1 en 10 ms.
Beeldvorming met behulp van gebiedsscans
Bij beeldvorming met behulp van een tweedimensionale pixelarray in sCMOS-camera's wordt een volledig beeld gelijktijdig vastgelegd. Elke pixel vangt licht op, zet dit om in elektrische signalen voor onmiddellijke verwerking en vormt zo een compleet beeld met een hoge resolutie en snelheid. De grootte van een beeld dat in één opname kan worden vastgelegd, wordt bepaald door de pixelgrootte, de vergroting en het aantal pixels in de array per pixel.1)
Voor een standaard array 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 volgt een patroon: de preparaatdrager beweegt naar een positie op het raster, stabiliseert zich en vervolgens wordt het beeld 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 de beelden samen te voegen. Figuur 3 toont een groot beeld van een menselijke cel onder een fluorescentiemicroscoop, gevormd door 16 kleinere beelden samen te voegen.
Afbeelding 3: Een dia van een menselijke cel die is vastgelegd door een area-scan camera met behulp van tile & stitch imaging.
Over het algemeen geldt dat er meer afbeeldingen gegenereerd en aan elkaar geplakt moeten worden om meer details te kunnen weergeven. Een oplossing hiervoor is het gebruik vangrootformaat camera-scanningdie beschikt over grote sensoren met een hoog aantal pixels, in combinatie met gespecialiseerde optiek, 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, kan de benodigde scantijd aanzienlijk worden verkort. Deze tijdsbesparing wordt mogelijk gemaakt doordat TDI-scanning een bewegend monster kan vastleggen, waardoor de vertragingen die gepaard gaan met het stabiliseren van de tafel en de rolling shutter-timing bij Tile & Stitch-scanning 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 bij zowel tile & stitch-scanning (links) als TDI-scanning (rechts). Door het niet meer nodig te zijn om te stoppen en de afbeelding opnieuw uit te lijnen bij TDI-scanning, kan de beeldvormingstijd aanzienlijk worden verkort, 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 vastlegging van een menselijke cel onder fluorescentie, met tegel- en steekpatroon (links) en TDI-beeldvorming (rechts).
Tabel 2: Vergelijking van gebiedsscan en TDI-beeldvorming voor een monster van 15 x 15 mm met een 10x objectief en een belichtingstijd van 10 ms.
Hoewel TDI fantastische mogelijkheden biedt voor een hogere beeldsnelheid, zijn er wel nuances verbonden aan het gebruik van deze technologie. Bij lange belichtingstijden (>100 ms) is de tijd die verloren gaat aan beweging en stabilisatie bij een gebiedsscan minder relevant dan de belichtingstijd. In dergelijke gevallen kunnen camera's met gebiedsscan kortere scantijden bieden dan camera's met TDI-beeldvorming. Om te zien of TDI-technologie voordelen kan bieden ten opzichte van uw huidige configuratie,neem contact met ons opvoor een vergelijkingscalculator.
Andere toepassingen
Veel onderzoeksvragen vereisen meer informatie dan een enkele afbeelding, zoals bijvoorbeeld beeldacquisitie met meerdere kanalen of meerdere focuspunten.
Multikanaals beeldvorming in een area-scan camera houdt in dat beelden gelijktijdig met meerdere golflengten worden vastgelegd. Deze kanalen corresponderen doorgaans 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-color 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 afzonderlijke 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 sensoren van 15,0 mm is nog steeds groter dan een standaard sensor (6,5 µm pixelbreedte, 2048 pixels) met een breedte van 13,3 mm. Bovendien, omdat TDI alleen belichting vereist op het deel van het monster dat wordt afgebeeld, kunnen de scans sneller worden uitgevoerd.
Een ander gebied waar dit het geval kan zijn, is bij multifocus-beeldvorming. Multifocus-beeldvorming in area-scan camera's houdt in dat meerdere beelden op verschillende scherpstelafstanden worden vastgelegd en samengevoegd tot een composietbeeld waarin de hele scène scherp is. Het compenseert variërende afstanden in een scène door de scherpe gebieden van elk beeld te analyseren en te combineren, wat resulteert in een gedetailleerdere weergave van het beeld. Ook hier geldt dat door gebruik te maken van eensplitterDoor de TDI-sensor in twee (22,5 mm) of drie (15,0 mm) stukken te verdelen, is het mogelijk om sneller een multifocus-afbeelding te verkrijgen dan met een equivalente vlakscan. Voor multifocus van hogere orde (z-stacks van 6 of meer) blijft vlakscan echter waarschijnlijk de snelste beeldvormingstechniek.
Conclusies
Deze technische notitie beschrijft de verschillen tussen gebiedsscanning en TDI-technologie voor het scannen van grote oppervlakken. Door lijnscanning en sCMOS-gevoeligheid te combineren, realiseert TDI snelle, hoogwaardige en ononderbroken beeldvorming, waarmee traditionele gebiedsscanmethoden zoals tegel- en steektechnieken worden overtroffen. 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 beeldvormingstijden bij zowel standaard als geavanceerde beeldvormingstechnieken.Wilt u weten of een TDI-camera of een gebiedsscancamera geschikt is voor uw toepassing en uw opnametijd kan verkorten? Neem dan vandaag nog contact met ons op.
