23/10/10Tidsforsinkelse og integrasjon (TDI) er en metode for bildeopptak bygget på prinsippet om linjeskanning, der en serie endimensjonale bilder tas for å generere et bilde ved å tidsbestemme prøvebevegelsen og bildesnittopptaket ved å trigge. Selv om denne teknologien har eksistert i flere tiår, har den vanligvis vært assosiert med lavfølsomhetsapplikasjoner, for eksempel nettinspeksjon.
En ny generasjon kameraer har kombinert følsomheten til sCMOS med hastigheten til TDI for å tilby bildeopptak av samme kvalitet som områdeskanning, men med potensial for betydelig raskere gjennomstrømning. Dette er spesielt tydelig i situasjoner der avbildning av store prøver under dårlige lysforhold er nødvendig. I denne tekniske notaten skisserer vi hvordan TDI-skanning fungerer, og sammenligner bildeopptakstiden med en sammenlignbar storområdeskanningsteknikk, flis- og stingavbildning.
Fra linjeskanning til TDI
Linjeskanningsavbildning er en avbildningsteknikk som bruker en enkelt linje med piksler (referert til som en kolonne eller et trinn) for å ta et utsnitt av et bilde mens en prøve er i bevegelse. Ved hjelp av elektriske utløsermekanismer tas et enkelt «utsnitt» av et bilde når prøven passerer sensoren. Ved å skalere kameraets utløserhastighet for å fange bildet i takt med prøvebevegelsen og bruke en bildefanger til å fange disse bildene, kan de sys sammen for å rekonstruere bildet.
TDI-avbildning bygger på dette prinsippet for bildeopptak av en prøve, men bruker flere trinn for å øke antallet fotoelektroner som fanges opp. Etter hvert som prøven passerer hvert trinn, samles det inn mer informasjon, som legges til de eksisterende fotoelektronene som er fanget opp av tidligere trinn og omstokket i en lignende prosess som CCD-enheter. Når prøven passerer over det siste trinnet, sendes de innsamlede fotoelektronene til en avlesning, og det integrerte signalet over hele området brukes til å generere et bildesnitt. Figur 1 viser bildeopptak på en enhet med fem TDI-kolonner (trinn).
Figur 1: et animert eksempel på bildeopptak ved bruk av TDI-teknologi. En prøve (blå T) føres over en TDI-bildeopptaksenhet (en kolonne med 5 piksler, 5 TDI-trinn), og fotoelektroner fanges opp i hvert trinn og legges til signalnivået. En avlesning konverterer dette til et digitalt bilde.
1a: Bildet (en blå T) introduseres på scenen; T-en er i bevegelse som vist på enheten.
1b: Når T-en passerer det første trinnet, trigges TDI-kameraet til å akseptere fotoelektroner som fanges opp av pikslene når de treffer det første trinnet på TDI-sensoren. Hver kolonne har en serie piksler som fanger opp fotoelektroner individuelt.
1c: Disse innfangede fotoelektronene blir omstokket til det andre trinnet, hvor hver kolonne skyver signalnivået sitt til neste trinn.
1d: I takt med bevegelsen av prøvens avstand på én piksel, fanges et andre sett med fotoelektroner opp i trinn to, og legges til de tidligere fangede, noe som øker signalet. I trinn 1 fanges et nytt sett med fotoelektroner opp, som tilsvarer det neste bildet.
1e: Bildeopptaksprosessene beskrevet i trinn 1d gjentas etter hvert som bildet beveger seg forbi sensoren. Dette bygger opp et signal fra fotoelektroner fra trinnene. Signalet sendes til en avleser, som konverterer fotoelektronsignalet til en digital avleser.
1f: Den digitale avlesningen vises som et bilde kolonne for kolonne. Dette muliggjør digital rekonstruksjon av et bilde.
Siden TDI-enheten er i stand til å sende fotoelektroner fra ett trinn til det neste samtidig, og fange opp nye fotoelektroner fra det første trinnet mens prøven er i bevegelse, kan bildet effektivt være uendelig i antall rader som tas. Utløserfrekvensene, som bestemmer antall ganger bildeopptak (fig. 1a) skjer, kan være i størrelsesorden hundrevis av kHz.
I eksemplet i figur 2 ble et objektglass på 29 x 17 mm tatt på 10,1 sekunder med et TDI-kamera med 5 µm piksler. Selv ved betydelige zoomnivåer er uskarpheten minimal. Dette representerer et stort fremskritt i forhold til tidligere generasjoner av denne teknologien.
For ytterligere detaljer viser tabell 1 representativ avbildningstid for en serie vanlige utvalgsstørrelser ved 10, 20 og 40 x zoom.
Figur 2: Et bilde av en fluorescerende prøve tatt med en Tucsen 9kTDI. Eksponeringstid 10 ms, opptakstid 10,1 s.
Tabell 1: Matrise av opptakstid for varierende utvalgsstørrelser (sekunder) ved bruk av et Tucsen 9kTDI-kamera på en motorisert scene i Zaber MVR-serien ved 10, 20 og 40 x for 1 og 10 ms eksponeringstid.
Avbildning av områdeskanning
Områdeskanningsavbildning i sCMOS-kameraer innebærer å ta et helt bilde samtidig ved hjelp av en todimensjonal matrise med piksler. Hver piksel fanger opp lys, konverterer det til elektriske signaler for umiddelbar behandling og danner et komplett bilde med høy oppløsning og hastighet. Størrelsen på et bilde som kan tas i en enkelt eksponering styres av pikselstørrelsen, forstørrelsen og antall piksler i en matrise, per (1)
For en standardmatrise er synsfeltet gitt av (2)
I tilfeller der en prøve er for stor for kameraets synsfelt, kan et bilde konstrueres ved å dele bildet inn i et rutenett av bilder med samme størrelse som synsfeltet. Bildene tas etter et mønster, der scenen beveger seg til en posisjon på rutenettet, scenen stabiliserer seg, og deretter tas bildet. I rullende lukkerkameraer er det en ekstra ventetid mens lukkeren roterer. Disse bildene kan tas ved å flytte kameraposisjonen og sy dem sammen. Figur 3 viser et stort bilde av en menneskecelle under fluorescensmikroskopi dannet ved å sy sammen 16 mindre bilder.
Figur 3: Et lysbilde av en menneskecelle som blir tatt med et områdeskanningskamera ved hjelp av flis- og stingavbildning.
Generelt sett vil det å løse flere detaljer kreve at flere bilder genereres og settes sammen på denne måten. En løsning på dette er å brukeskanning med storformatkamera, som har store sensorer med et høyt pikseltall, kombinert med spesialisert optikk, noe som gjør det mulig å fange opp en større mengde detaljer.
Sammenligning mellom TDI og områdeskanning (Flise og Stitch)
For skanning av prøver over store områder er både Tile & Stitch- og TDI-skanning passende løsninger, men ved å velge den beste metoden er det mulig å redusere tiden som kreves for å skanne en prøve betydelig. Denne tidsbesparelsen genereres av TDI-skanningens evne til å fange opp en prøve i bevegelse, noe som fjerner forsinkelsene forbundet med scenesetting og rullende lukkertiming forbundet med tile & stitch-avbildning.
Figur 4 sammenligner stoppene (grønne) og bevegelsene (svarte linjer) som kreves for å ta et bilde av en menneskecelle i både flis- og stingskanning (venstre) og TDI-skanning (høyre). Ved å fjerne behovet for å stoppe og justere bildet i TDI-avbildning, er det mulig å redusere avbildningstiden betydelig, forutsatt at eksponeringstiden er lav <100 ms.
Tabell 2 viser et eksempel på skanning mellom et 9k TDI-kamera og et standard sCMOS-kamera.
Figur 4: Et skanningsmotiv av innfanging av en menneskecelle under fluorescens som viser flis og sting (venstre) og TDI-avbildning (høyre).
Tabell 2: Sammenligning av områdeskanning og TDI-avbildning for en 15 x 15 mm prøve med en 10x objektivlinse og 10 ms eksponeringstid.
Selv om TDI tilbyr et fantastisk potensial for økt bildehastighet, er det nyanser knyttet til bruken av denne teknologien. For lange eksponeringstider (>100 ms) reduseres betydningen av tiden som går tapt til bevegelses- og settingsaspektene ved områdeskanning i forhold til eksponeringstiden. I slike tilfeller kan områdeskanningskameraer tilby reduserte skannetider sammenlignet med TDI-avbildning. For å se om TDI-teknologi kan gi deg fordeler i forhold til ditt nåværende oppsett,kontakt ossfor en sammenligningskalkulator.
Andre applikasjoner
Mange forskningsspørsmål krever mer informasjon enn et enkelt bilde, for eksempel flerkanals- eller multifokusbildeopptak.
Flerkanalsavbildning i et områdeskanningskamera innebærer å ta bilder med flere bølgelengder samtidig. Disse kanalene korresponderer vanligvis med forskjellige bølgelengder av lys, for eksempel rødt, grønt og blått. Hver kanal fanger opp spesifikk bølgelengde- eller spektralinformasjon fra motivet. Kameraet kombinerer deretter disse kanalene for å generere et fullfarge- eller multispektralbilde, noe som gir en mer omfattende visning av motivet med distinkte spektrale detaljer. I områdeskanningskameraer oppnås dette ved diskrete eksponeringer, men med TDI-avbildning kan en splitter brukes til å dele sensoren i flere deler. Å dele en 9kTDI (45 mm) i 3 x 15,0 mm sensorer vil fortsatt være større enn en standard sensor (6,5 µm pikselbredde, 2048 piksler) bredde på 13,3 mm. Dessuten, siden TDI bare krever belysning på den delen av prøven som avbildes, kan skanningene sykles raskere.
Et annet område der dette kan være tilfelle er innen multifokusavbildning. Multifokusavbildning i områdeskanningskameraer innebærer å ta flere bilder med forskjellige fokusavstander og blande dem for å lage et sammensatt bilde med hele scenen i skarpt fokus. Den adresserer varierende avstander i en scene ved å analysere og kombinere fokusområder fra hvert bilde, noe som resulterer i en mer detaljert representasjon av et bilde. Igjen, ved å bruke ensplitterFor å dele TDI-sensoren i to (22,5 mm) eller tre (15,0 mm) deler, kan det være mulig å få et multifokusbilde raskere enn med en tilsvarende områdeskanning. For høyere ordens multifokus (z-stabler på 6 eller mer) vil imidlertid områdeskanning sannsynligvis forbli den raskeste avbildningsteknikken.
Konklusjoner
Denne tekniske merknaden skisserer forskjellene mellom områdeskanning og TDI-teknologi for skanning av store områder. Ved å slå sammen linjeskanning og sCMOS-følsomhet oppnår TDI rask, høykvalitets avbildning uten avbrudd, og overgår tradisjonelle områdeskanningsmetoder som flis og sting. Vurder fordelene ved å bruke vår online kalkulator, med tanke på ulike antagelser som er skissert i dette dokumentet. TDI står som et kraftig verktøy for effektiv avbildning med stort potensial for å redusere avbildningstider i både standard og avanserte avbildningsteknikker.Hvis du vil se om et TDI-kamera eller et områdeskanningskamera kan passe til bruksområdet ditt og forbedre opptakstiden, ta kontakt med oss i dag.
