23/10/10Opóźnienie czasowe i integracja (TDI) to metoda przechwytywania obrazu oparta na zasadzie skanowania liniowego, w której seria jednowymiarowych obrazów jest przechwytywana w celu wygenerowania obrazu poprzez synchronizację ruchu próbki i przechwytywanie fragmentów obrazu poprzez wyzwalanie. Chociaż technologia ta istnieje od dziesięcioleci, była zazwyczaj kojarzona z aplikacjami o niskiej czułości, takimi jak inspekcja sieci.
Nowa generacja kamer łączy czułość sCMOS z szybkością TDI, oferując obraz o jakości porównywalnej ze skanowaniem obszarowym, ale z potencjałem do zwiększenia przepustowości o rzędy wielkości. Jest to szczególnie widoczne w sytuacjach, gdy wymagane jest obrazowanie dużych próbek w warunkach słabego oświetlenia. W niniejszej nocie technicznej opisujemy działanie skanowania TDI i porównujemy czas rejestrowania obrazu z porównywalną techniką skanowania dużych obszarów, czyli obrazowaniem kafelkowym i sklejanym.
Od skanowania linii do TDI
Obrazowanie metodą skanowania liniowego to technika obrazowania wykorzystująca pojedynczą linię pikseli (nazywaną kolumną lub stolikiem) do wykonania wycinka obrazu podczas ruchu próbki. Wykorzystując mechanizmy wyzwalania elektrycznego, wykonuje się pojedynczy „wycinek” obrazu podczas przechodzenia próbki przez czujnik. Skalując częstotliwość wyzwalania kamery w celu przechwytywania obrazu zgodnie z ruchem próbki i używając przechwytywacza klatek do przechwytywania tych obrazów, można je połączyć w celu rekonstrukcji obrazu.
Obrazowanie TDI opiera się na zasadzie przechwytywania obrazu próbki, jednak wykorzystuje wiele etapów, aby zwiększyć liczbę przechwyconych fotoelektronów. W miarę jak próbka przechodzi przez każdy etap, gromadzone są kolejne informacje, które są dodawane do istniejących fotoelektronów przechwyconych przez wcześniejsze etapy i tasowane w procesie podobnym do tego, jaki zachodzi w matrycach CCD. Gdy próbka przechodzi przez ostatni etap, zebrane fotoelektrony są przesyłane do odczytu, a sygnał zintegrowany w całym zakresie jest wykorzystywany do wygenerowania wycinka obrazu. Na rysunku 1 przedstawiono przechwytywanie obrazu na urządzeniu z pięcioma kolumnami (etapami) TDI.
Rysunek 1: animowany przykład przechwytywania obrazu z wykorzystaniem technologii TDI. Próbka (niebieskie T) jest przepuszczana przez urządzenie przechwytujące obraz TDI (kolumna 5 pikseli, 5 etapów TDI), a fotoelektrony są przechwytywane na każdym etapie i dodawane do poziomu sygnału. Odczyt konwertuje go na obraz cyfrowy.
1a: Na scenie pojawia się obraz (niebieskie T), który jest w ruchu, tak jak pokazano na urządzeniu.
1b: Gdy T przechodzi przez pierwszy stopień, kamera TDI zostaje aktywowana w celu przechwycenia fotoelektronów, które są rejestrowane przez piksele w momencie ich zderzenia z pierwszym stopniem czujnika TDI. Każda kolumna składa się z szeregu pikseli, które rejestrują fotoelektrony indywidualnie.
1c: Wychwycone fotoelektrony są przenoszone do drugiego etapu, w którym każda kolumna przekazuje swój poziom sygnału do następnego etapu.
1d: W miarę przesuwania się próbki o jeden piksel, w drugim etapie rejestrowany jest drugi zestaw fotoelektronów, który jest dodawany do wcześniej rejestrowanych, zwiększając sygnał. W pierwszym etapie rejestrowany jest nowy zestaw fotoelektronów, odpowiadający kolejnemu fragmentowi obrazu.
1e: Procesy przechwytywania obrazu opisane w etapie 1d powtarzają się w miarę przesuwania się obrazu obok czujnika. W ten sposób powstaje sygnał z fotoelektronów z poszczególnych etapów. Sygnał jest przekazywany do modułu odczytu, który konwertuje sygnał fotoelektronów na odczyt cyfrowy.
1f: Odczyt cyfrowy jest wyświetlany jako obraz kolumna po kolumnie. Umożliwia to cyfrową rekonstrukcję obrazu.
Ponieważ urządzenie TDI jest w stanie jednocześnie przepuszczać fotoelektrony z jednego etapu do drugiego i wychwytywać nowe fotoelektrony z pierwszego etapu, podczas gdy próbka jest w ruchu, liczba rejestrowanych wierszy obrazu może być praktycznie nieskończona. Częstotliwości wyzwalania, które określają liczbę rejestracji obrazu (rys. 1a), mogą sięgać setek kHz.
W przykładzie z rysunku 2, preparat mikroskopowy o wymiarach 29 x 17 mm został zarejestrowany w 10,1 sekundy za pomocą kamery TDI o rozdzielczości 5 µm. Nawet przy znacznym powiększeniu, poziom rozmycia jest minimalny. Stanowi to ogromny postęp w porównaniu z poprzednimi generacjami tej technologii.
Aby uzyskać więcej szczegółów, w Tabeli 1 przedstawiono reprezentatywny czas obrazowania dla serii typowych rozmiarów próbek przy powiększeniu 10, 20 i 40-krotnym.
Rysunek 2: Obraz próbki fluorescencyjnej zarejestrowany za pomocą Tucsen 9kTDI. Czas naświetlania 10 ms, czas rejestracji 10,1 s.
Tabela 1: Macierz czasu przechwytywania różnych rozmiarów próbek (sekundy) przy użyciu kamery Tucsen 9kTDI na zmotoryzowanym stoliku serii Zaber MVR przy powiększeniach 10, 20 i 40x dla czasu ekspozycji 1 i 10 ms.
Obrazowanie skanu obszaru
Obrazowanie obszarowe w kamerach sCMOS polega na jednoczesnym rejestrowaniu całego obrazu za pomocą dwuwymiarowej matrycy pikseli. Każdy piksel rejestruje światło, przetwarzając je na sygnały elektryczne do natychmiastowego przetwarzania i tworzenia pełnego obrazu o wysokiej rozdzielczości i szybkości. Rozmiar obrazu, który można zarejestrować w ramach jednej ekspozycji, zależy od rozmiaru pikseli, powiększenia i liczby pikseli w matrycy (na (1)
W przypadku standardowej tablicy pole widzenia jest podane wzorem (2)
W przypadkach, gdy próbka jest zbyt duża dla pola widzenia kamery, obraz można uzyskać, dzieląc go na siatkę obrazów o rozmiarze odpowiadającym polu widzenia. Rejestrowanie tych obrazów odbywa się według pewnego schematu: stolik przesuwa się do pozycji na siatce, stolik się stabilizuje, a następnie obraz jest rejestrowany. W kamerach z migawką obrotową występuje dodatkowy czas oczekiwania na obrót migawki. Obrazy te można rejestrować, przesuwając kamerę i łącząc je ze sobą. Rysunek 3 przedstawia duży obraz komórki ludzkiej pod mikroskopem fluorescencyjnym, utworzony poprzez połączenie 16 mniejszych obrazów.
Rycina 3: Slajd przedstawiający komórkę ludzką uchwyconą przez kamerę skanującą obszar za pomocą technologii obrazowania kafelkowego i ściegowego.
Ogólnie rzecz biorąc, uzyskanie większej liczby szczegółów będzie wymagało wygenerowania i połączenia większej liczby obrazów w ten sposób. Jednym z rozwiązań jest wykorzystanieskanowanie kamerą wielkoformatową, który posiada duże czujniki o wysokiej liczbie pikseli, w połączeniu ze specjalistyczną optyką, co pozwala na uchwycenie większej ilości szczegółów.
Porównanie skanowania TDI i skanowania obszarowego (Tile & Stitch)
W przypadku skanowania dużych powierzchni próbek, zarówno skanowanie Tile & Stitch, jak i skanowanie TDI są odpowiednimi rozwiązaniami. Jednak wybierając najlepszą metodę, można znacznie skrócić czas skanowania próbki. Oszczędność ta wynika z możliwości skanowania TDI w zakresie skanowania poruszającej się próbki, co eliminuje opóźnienia związane z stabilizacją stolika i czasem migawki liniowej, charakterystyczne dla skanowania Tile & Stitch.
Rysunek 4 porównuje zatrzymania (zielone) i ruchy (czarne linie) wymagane do uzyskania obrazu komórki ludzkiej w skanowaniu kafelkowym i zszytym (po lewej) oraz skanowaniu TDI (po prawej). Eliminując konieczność zatrzymywania i ponownego ustawiania obrazu w skanowaniu TDI, można znacznie skrócić czas obrazowania, pod warunkiem, że czas ekspozycji jest krótki i wynosi <100 ms.
Tabela 2 przedstawia przykład skanowania pomiędzy kamerą 9k TDI a standardową kamerą sCMOS.
Rycina 4: Motyw skanowania wychwytu komórki ludzkiej pod fluorescencją ukazujący płytki i ściegi (po lewej) oraz obrazowanie TDI (po prawej).
Tabela 2: Porównanie skanowania powierzchniowego i obrazowania TDI dla próbki o wymiarach 15 x 15 mm z obiektywem 10x i czasem ekspozycji 10 ms.
Chociaż technologia TDI oferuje fantastyczny potencjał w zakresie zwiększenia szybkości przechwytywania obrazu, istnieją pewne niuanse związane z jej wykorzystaniem. W przypadku długich czasów ekspozycji (>100 ms), znaczenie czasu traconego na ruch i stabilizację obrazu podczas skanowania obszaru jest mniejsze w porównaniu z czasem ekspozycji. W takich przypadkach kamery ze skanowaniem obszaru mogą oferować krótsze czasy skanowania w porównaniu z obrazowaniem TDI. Aby sprawdzić, czy technologia TDI może przynieść korzyści w porównaniu z obecną konfiguracją,Skontaktuj się z namiaby skorzystać z kalkulatora porównawczego.
Inne zastosowania
Wiele pytań badawczych wymaga więcej informacji niż tylko pojedynczy obraz, na przykład pozyskiwanie obrazów wielokanałowych lub wieloogniskowych.
Obrazowanie wielokanałowe w kamerze skanującej obszarowo polega na jednoczesnym rejestrowaniu obrazów przy użyciu wielu długości fal. Kanały te zazwyczaj odpowiadają różnym długościom fal światła, takim jak czerwony, zielony i niebieski. Każdy kanał rejestruje określoną długość fali lub informacje spektralne ze sceny. Kamera następnie łączy te kanały, aby wygenerować obraz pełnokolorowy lub wielospektralny, zapewniając pełniejszy obraz sceny z wyraźnymi szczegółami spektralnymi. W kamerach skanujących obszarowo osiąga się to poprzez dyskretne ekspozycje, jednak w przypadku obrazowania TDI można użyć rozdzielacza do podzielenia czujnika na wiele części. Podzielenie czujnika 9kTDI (45 mm) na 3 czujniki o wymiarach 15,0 mm nadal będzie większe niż standardowy czujnik (szerokość piksela 6,5 µm, 2048 pikseli) o szerokości 13,3 mm. Ponadto, ponieważ TDI wymaga oświetlenia tylko części obrazowanej próbki, skanowanie może być wykonywane szybciej.
Innym obszarem, w którym może to mieć miejsce, jest obrazowanie wieloogniskowe. Obrazowanie wieloogniskowe w kamerach skanujących obszarowo polega na rejestrowaniu wielu obrazów z różnymi odległościami ogniskowania i łączeniu ich w celu utworzenia obrazu złożonego, w którym cała scena jest ostra. Uwzględnia ono zróżnicowaną odległość w scenie poprzez analizę i łączenie obszarów o dużej ostrości z każdego obrazu, co skutkuje bardziej szczegółowym odwzorowaniem obrazu. Ponownie, używającrozłupnikPodzielenie czujnika TDI na dwie (22,5 mm) lub trzy (15,0 mm) części może umożliwić szybsze uzyskanie obrazu wieloogniskowego niż w przypadku skanowania obszarowego. Jednak w przypadku skanowania wieloogniskowego wyższego rzędu (stosy Z równe 6 lub więcej) skanowanie obszarowe prawdopodobnie pozostanie najszybszą techniką obrazowania.
Wnioski
Niniejsza nota techniczna przedstawia różnice między skanowaniem obszarowym a technologią TDI w przypadku skanowania dużych obszarów. Łącząc skanowanie liniowe i czułość matrycy sCMOS, technologia TDI zapewnia szybkie, wysokiej jakości obrazowanie bez przerw, przewyższając tradycyjne metody skanowania obszarowego, takie jak „kafelkowanie i łączenie”. Oceń zalety korzystania z naszego kalkulatora online, biorąc pod uwagę różne założenia przedstawione w tym dokumencie. Technologia TDI to potężne narzędzie do wydajnego obrazowania, które ma duży potencjał skrócenia czasu obrazowania zarówno w standardowych, jak i zaawansowanych technikach obrazowania.Jeśli chcesz sprawdzić, czy kamera TDI lub kamera skanująca obszar spełni Twoje wymagania i skróci czas rejestrowania obrazu, skontaktuj się z nami już dziś.
