23/10/10Atraso de tempo e integração (TDI) é um método de captura de imagens baseado no princípio de varredura linear, em que uma série de imagens unidimensionais são capturadas para gerar uma imagem cronometrando o movimento da amostra e capturando fatias de imagem por disparo. Embora essa tecnologia exista há décadas, ela tem sido tipicamente associada a aplicações de baixa sensibilidade, como inspeção de bandas.
Uma nova geração de câmeras combinou a sensibilidade do sCMOS com a velocidade do TDI para oferecer captura de imagens com qualidade equivalente à varredura de área, mas com potencial para uma taxa de transferência significativamente mais rápida. Isso é particularmente evidente em situações que exigem imagens de grandes amostras em condições de baixa luminosidade. Nesta nota técnica, descrevemos como funciona a varredura TDI e comparamos o tempo de captura de imagem com uma técnica de varredura de grandes áreas comparável, a captura de imagens por mosaico e costura.
Da varredura de linha ao TDI
A imagem por varredura linear é uma técnica de imagem que utiliza uma única linha de pixels (chamada de coluna ou estágio) para capturar uma fatia de uma imagem enquanto uma amostra está em movimento. Utilizando mecanismos de disparo elétrico, uma única "fatia" da imagem é capturada conforme a amostra passa pelo sensor. Ao ajustar a taxa de disparo da câmera para capturar a imagem em sincronia com o movimento da amostra e usar um frame grabber para capturar essas imagens, elas podem ser unidas para reconstruir a imagem.
A geração de imagens TDI baseia-se neste princípio de captura de imagem de uma amostra, porém, utiliza múltiplos estágios para aumentar o número de fotoelétrons capturados. À medida que a amostra passa por cada estágio, mais informações são coletadas e adicionadas aos fotoelétrons existentes, capturados pelos estágios anteriores e embaralhados em um processo semelhante ao dos dispositivos CCD. À medida que a amostra passa pelo estágio final, os fotoelétrons coletados são enviados para um leitor, e o sinal integrado em toda a faixa é usado para gerar uma fatia de imagem. A Figura 1 mostra a captura de imagem em um dispositivo com cinco colunas TDI (estágios).
Figura 1: um exemplo animado de captura de imagem usando a tecnologia TDI. Uma amostra (T azul) é passada por um dispositivo de captura de imagem TDI (uma coluna de 5 pixels, 5 estágios TDI), e fotoelétrons são capturados em cada estágio e adicionados ao nível do sinal. Um leitor converte isso em uma imagem digital.
1a: A imagem (um T azul) é introduzida no palco; o T está em movimento, como mostrado no dispositivo.
1b: À medida que o T passa pelo primeiro estágio, a câmera TDI é acionada para aceitar fotoelétrons que são capturados pelos pixels ao atingirem o primeiro estágio do sensor TDI. Cada coluna possui uma série de pixels que capturam fotoelétrons individualmente.
1c: Esses fotoelétrons capturados são embaralhados para o segundo estágio, onde cada coluna empurra seu nível de sinal para o próximo estágio.
1d: Em sincronia com o movimento da amostra a uma distância de um pixel, um segundo conjunto de fotoelétrons é capturado no estágio dois e adicionado aos capturados anteriormente, aumentando o sinal. No estágio 1, um novo conjunto de fotoelétrons é capturado, correspondendo à próxima fatia de captura da imagem.
1e: Os processos de captura de imagem descritos na etapa 1d são repetidos à medida que a imagem passa pelo sensor. Isso gera um sinal a partir dos fotoelétrons das etapas. O sinal é passado para um leitor, que converte o sinal do fotoelétron em um leitor digital.
1f: A leitura digital é exibida como uma imagem coluna por coluna. Isso permite a reconstrução digital de uma imagem.
Como o dispositivo TDI é capaz de passar fotoelétrons simultaneamente de um estágio para o outro e capturar novos fotoelétrons do primeiro estágio enquanto a amostra está em movimento, a imagem pode ser efetivamente infinita no número de linhas capturadas. As taxas de disparo, que determinam o número de vezes que a captura da imagem (fig. 1a) ocorre, podem ser da ordem de centenas de kHz.
No exemplo da Figura 2, uma lâmina de microscópio de 29 x 17 mm foi capturada em 10,1 segundos usando uma câmera TDI de 5 µm de pixel. Mesmo em níveis de zoom significativos, o nível de desfoque é mínimo. Isso representa um enorme avanço em relação às gerações anteriores dessa tecnologia.
Para mais detalhes, a Tabela 1 mostra o tempo de imagem representativo para uma série de tamanhos de amostra comuns com zoom de 10, 20 e 40x.
Figura 2: Imagem de uma amostra fluorescente capturada com um Tucsen 9kTDI. Exposição de 10 ms, tempo de captura de 10,1 s.
Tabela 1: Matriz de tempo de captura de tamanhos de amostra variados (segundos) usando uma câmera Tucsen 9kTDI em um estágio motorizado da série Zaber MVR a 10, 20 e 40 x para tempos de exposição de 1 e 10 ms.
Imagem de varredura de área
A geração de imagens por varredura de área em câmeras sCMOS envolve a captura simultânea de uma imagem inteira usando uma matriz bidimensional de pixels. Cada pixel captura luz, convertendo-a em sinais elétricos para processamento imediato e formando uma imagem completa com alta resolução e velocidade. O tamanho de uma imagem que pode ser capturada em uma única exposição é determinado pelo tamanho do pixel, pela ampliação e pelo número de pixels em uma matriz, por (1)
Para uma matriz padrão, o campo de visão é dado por (2)
Em casos em que uma amostra é muito grande para o campo de visão de uma câmera, uma imagem pode ser construída separando-a em uma grade de imagens do tamanho do campo de visão. A captura dessas imagens segue um padrão, em que a platina se move para uma posição na grade, a platina se estabiliza e, em seguida, a imagem é capturada. Em câmeras com obturador rotativo, há um tempo de espera adicional enquanto o obturador gira. Essas imagens podem ser capturadas movendo a posição da câmera e costurando-as. A Figura 3 mostra uma imagem grande de uma célula humana sob microscopia de fluorescência, formada pela costura de 16 imagens menores.
Figura 3: Um slide de uma célula humana sendo capturada por uma câmera de varredura de área usando imagens de mosaico e costura.
Em geral, a resolução de maiores detalhes exigirá a geração e a união de mais imagens dessa forma. Uma solução para isso é empregardigitalização de câmera de grande formato, que possui sensores grandes com alta contagem de pixels, em conjunto com óptica especializada, permitindo a captura de uma quantidade maior de detalhes.
Comparação entre TDI e varredura de área (Tile & Stitch)
Para a digitalização de amostras em grandes áreas, tanto a digitalização Tile & Stitch quanto a digitalização TDI são soluções adequadas. No entanto, ao selecionar o melhor método, é possível reduzir significativamente o tempo necessário para a digitalização de uma amostra. Essa economia de tempo é gerada pela capacidade da digitalização TDI de capturar uma amostra em movimento, eliminando os atrasos associados à estabilização do estágio e ao tempo de obturação rotativa associados à geração de imagens Tile & Stitch.
A Figura 4 compara as paradas (verde) e os movimentos (linhas pretas) necessários para capturar uma imagem de uma célula humana tanto na varredura de mosaico e costura (esquerda) quanto na varredura TDI (direita). Ao eliminar a necessidade de parar e realinhar a imagem na geração de imagens TDI, é possível reduzir significativamente o tempo de geração de imagens, desde que o tempo de exposição seja baixo, <100 ms.
A Tabela 2 mostra um exemplo prático de digitalização entre um TDI de 9k e uma câmera sCMOS padrão.
Figura 4: Um motivo de digitalização da captura de uma célula humana sob fluorescência mostrando mosaico e costura (esquerda) e imagem TDI (direita).
Tabela 2: Comparação da varredura de área e da imagem TDI para uma amostra de 15 x 15 mm com uma lente objetiva de 10x e tempo de exposição de 10 ms.
Embora o TDI ofereça um potencial fantástico para aumentar a velocidade de captura de imagens, existem nuances no uso dessa tecnologia. Para tempos de exposição altos (> 100 ms), a importância do tempo perdido nos aspectos de movimento e estabilização da varredura de área é reduzida em relação ao tempo de exposição. Nesses casos, as câmeras de varredura de área podem oferecer tempos de varredura reduzidos em comparação com as imagens TDI. Para verificar se a tecnologia TDI pode oferecer vantagens em relação à sua configuração atual,Contate-nospara uma calculadora de comparação.
Outras aplicações
Muitas questões de pesquisa exigem mais informações do que uma única imagem, como aquisição de imagens multicanal ou multifoco.
A geração de imagens multicanal em uma câmera de varredura de área envolve a captura de imagens usando múltiplos comprimentos de onda simultaneamente. Esses canais normalmente correspondem a diferentes comprimentos de onda de luz, como vermelho, verde e azul. Cada canal captura informações específicas de comprimento de onda ou espectrais da cena. A câmera então combina esses canais para gerar uma imagem colorida ou multiespectral, proporcionando uma visão mais abrangente da cena com detalhes espectrais distintos. Em câmeras de varredura de área, isso é obtido por exposições discretas; no entanto, com a geração de imagens TDI, um divisor pode ser usado para separar o sensor em várias partes. Dividir um 9kTDI (45 mm) em 3 sensores de 15,0 mm ainda será maior do que um sensor padrão (largura de pixel de 6,5 µm, 2048 pixels) com largura de 13,3 mm. Além disso, como o TDI requer iluminação apenas na parte da amostra que está sendo imageada, as varreduras podem ser cicladas mais rapidamente.
Outra área onde isso pode ocorrer é na geração de imagens multifocais. A geração de imagens multifocais em câmeras de varredura de área envolve a captura de múltiplas imagens em diferentes distâncias focais e sua combinação para criar uma imagem composta com toda a cena em foco nítido. Ela aborda distâncias variáveis em uma cena, analisando e combinando regiões em foco de cada imagem, resultando em uma representação mais detalhada da imagem. Novamente, usando umdivisorAo particionar o sensor TDI em duas partes (22,5 mm) ou três (15,0 mm), pode ser possível adquirir uma imagem multifocal mais rapidamente do que uma varredura de área equivalente. Para multifocal de ordem superior (pilhas z de 6 ou mais), no entanto, a varredura de área provavelmente continuará sendo a técnica de geração de imagens mais rápida.
Conclusões
Esta nota técnica descreve as diferenças entre a tecnologia de varredura de área e a tecnologia TDI para varredura de grandes áreas. Ao combinar a varredura de linha com a sensibilidade sCMOS, a TDI obtém imagens rápidas e de alta qualidade sem interrupções, superando os métodos tradicionais de varredura de área, como "tile & stitch". Avalie as vantagens de usar nossa calculadora online, considerando as diversas premissas descritas neste documento. A TDI se destaca como uma ferramenta poderosa para imagens eficientes, com grande potencial para reduzir o tempo de geração de imagens em técnicas de imagem padrão e avançadas.Se você gostaria de ver se uma câmera TDI ou uma câmera de varredura de área pode atender à sua aplicação e melhorar seu tempo de captura, entre em contato conosco hoje mesmo.
