10/10/2023A tecnologia de atraso e integração de tempo (TDI, do inglês Time Delay & Integration) é um método de captura de imagens baseado no princípio da varredura linear, onde uma série de imagens unidimensionais são capturadas para gerar uma imagem através da sincronização do movimento da amostra e da captura de fatias da imagem por meio de disparo. Embora essa tecnologia exista há décadas, ela tem sido tipicamente associada a aplicações de baixa sensibilidade, como inspeção de bobinas.
Uma nova geração de câmeras combinou a sensibilidade do sCMOS com a velocidade do TDI para oferecer captura de imagem com qualidade equivalente à varredura de área, mas com potencial para uma produtividade ordens de magnitude maior. Isso é particularmente evidente em situações que exigem imagens de amostras grandes 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 grande área comparável, a imagem de mosaico e costura.
Da leitura de linhas ao TDI
A microscopia de varredura linear é uma técnica de imagem que utiliza uma única linha de pixels (chamada de coluna ou estágio) para capturar uma fatia da imagem enquanto a amostra está em movimento. Utilizando mecanismos de disparo elétrico, uma única "fatia" da imagem é capturada à medida que a amostra passa pelo sensor. Ajustando a taxa de disparo da câmera para capturar a imagem em sincronia com o movimento da amostra e utilizando um dispositivo de captura de imagens (frame grabber) para capturar essas imagens, elas podem ser unidas para reconstruir a imagem.
A imagem TDI baseia-se nesse 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 já capturados pelos estágios anteriores, sendo reorganizadas em um processo similar ao dos dispositivos CCD. Ao passar pelo estágio final, os fotoelétrons coletados são enviados para um leitor, e o sinal integrado ao longo de todo o percurso é utilizado para gerar uma fatia da imagem. A Figura 1 mostra a captura de imagem em um dispositivo com cinco colunas (estágios) TDI.
Figura 1: um exemplo animado de captura de imagem usando a tecnologia TDI. Uma amostra (azul T) passa por um dispositivo de captura de imagem TDI (uma coluna de 5 pixels, 5 estágios TDI), e os 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, conforme mostrado no dispositivo.
1b: À medida que o T passa pelo primeiro estágio, a câmera TDI é acionada para receber 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 transferidos 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 segundo estágio e adicionado aos capturados anteriormente, aumentando o sinal. No estágio 1, um novo conjunto de fotoelétrons é capturado, correspondendo à próxima fatia da captura de 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 provenientes dos estágios. O sinal é então enviado para um leitor, que o converte em uma leitura 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 seguinte e capturar novos fotoelétrons do primeiro estágio enquanto a amostra está em movimento, a imagem pode ser efetivamente infinita em termos do 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 com pixels de 5 µm. Mesmo com níveis de zoom significativos, o nível de desfoque é mínimo. Isso representa um grande avanço em relação às gerações anteriores dessa tecnologia.
Para obter mais detalhes, a Tabela 1 mostra o tempo de aquisição de imagens representativo para uma série de tamanhos de amostra comuns com zoom de 10x, 20x e 40x.
Figura 2: Imagem de uma amostra fluorescente capturada usando um detector Tucsen 9kTDI. Tempo de exposição: 10 ms; tempo de captura: 10,1 s.
Tabela 1: Matriz de tempo de captura de tamanhos de amostra variáveis (segundos) usando uma câmera Tucsen 9kTDI em uma plataforma motorizada Zaber série MVR em 10, 20 e 40x para tempos de exposição de 1 e 10 ms.
varredura de área
A tecnologia de 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 da imagem que pode ser capturada em uma única exposição é determinado pelo tamanho do pixel, pela ampliação e pelo número de pixels na matriz.1)
Para uma matriz padrão, o campo de visão é dado por (2)
Nos casos em que uma amostra é muito grande para o campo de visão de uma câmera, uma imagem pode ser construída dividindo-a em uma grade de imagens do tamanho do campo de visão. A captura dessas imagens segue um padrão: a plataforma se move para uma posição na grade, estabiliza e, em seguida, a imagem é capturada. Em câmeras com obturador eletrônico (rolling shutter), há um tempo de espera adicional enquanto o obturador gira. Essas imagens podem ser capturadas movendo-se a posição da câmera e unindo-as. A Figura 3 mostra uma imagem ampliada de uma célula humana sob microscopia de fluorescência, formada pela junção de 16 imagens menores.
Figura 3: Imagem de uma célula humana sendo capturada por uma câmera de varredura de área usando a técnica de mosaico e junção de imagens.
Em geral, para obter maior detalhamento, será necessário gerar e unir mais imagens dessa maneira. Uma solução para isso é empregar...digitalização por 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 técnica Tile & Stitch quanto a digitalização TDI são soluções adequadas. No entanto, ao selecionar o método mais adequado, é possível reduzir significativamente o tempo necessário para digitalizar 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 da plataforma e ao tempo de resposta do obturador eletrônico presentes na técnica Tile & Stitch.
A Figura 4 compara as paradas (verde) e os movimentos (linhas pretas) necessários para capturar a imagem de uma célula humana tanto na varredura em mosaico (à esquerda) quanto na varredura TDI (à direita). Ao eliminar a necessidade de parar e realinhar a imagem na aquisição TDI, é possível reduzir significativamente o tempo de aquisição, desde que o tempo de exposição seja baixo (<100 ms).
A Tabela 2 mostra um exemplo prático de digitalização entre um sensor TDI de 9k e uma câmera sCMOS padrão.
Figura 4: Um padrão de varredura da captura de uma célula humana sob fluorescência, mostrando a técnica de mosaico e junção (à esquerda) e a imagem TDI (à direita).
Tabela 2: Comparação entre a varredura de área e a imagem TDI para uma amostra de 15 x 15 mm com uma lente objetiva de 10x e tempo de exposição de 10 ms.
Embora a tecnologia TDI ofereça um potencial fantástico para aumentar a velocidade de captura de imagens, existem nuances no uso dessa tecnologia. Para tempos de exposição elevados (>100 ms), a importância do tempo perdido com o movimento e a estabilização da imagem na varredura de área é reduzida em relação ao tempo de exposição. Nesses casos, as câmeras de varredura de área podem oferecer tempos de varredura menores em comparação com a imagem TDI. Para verificar se a tecnologia TDI pode oferecer benefícios 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 a aquisição de imagens multicanal ou multifocais.
A captura de imagens multicanal em uma câmera de varredura de área envolve a captura simultânea de imagens usando múltiplos comprimentos de onda. Esses canais geralmente correspondem a diferentes comprimentos de onda da luz, como vermelho, verde e azul. Cada canal captura informações específicas de comprimento de onda ou espectro 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 meio de exposições discretas; no entanto, com a tecnologia TDI, um divisor pode ser usado para separar o sensor em várias partes. Dividir um sensor 9kTDI (45 mm) em 3 sensores de 15,0 mm ainda resultará em uma área maior do que a de um sensor padrão (largura de pixel de 6,5 µm, 2048 pixels) com 13,3 mm de largura. Além disso, como a tecnologia TDI requer iluminação apenas na parte da amostra que está sendo imageada, as varreduras podem ser realizadas mais rapidamente.
Outra área onde isso pode ocorrer é na imagem multifoco. A imagem multifoco em câmeras de varredura de área envolve a captura de múltiplas imagens em diferentes distâncias de foco e a combinação delas para criar uma imagem composta com toda a cena em foco nítido. Ela lida com distâncias variáveis em uma cena analisando e combinando regiões em foco de cada imagem, resultando em uma representação mais detalhada da imagem. Novamente, ao usar umadivisorAo dividir o sensor TDI em duas (22,5 mm) ou três (15,0 mm) partes, pode ser possível adquirir uma imagem multifocal mais rapidamente do que uma varredura de área equivalente. No entanto, para multifocal de ordem superior (pilhas z de 6 ou mais), a varredura de área provavelmente continuará sendo a técnica de imagem mais rápida.
Conclusões
Esta nota técnica descreve as diferenças entre a varredura de área e a tecnologia TDI para varredura de grandes áreas. Ao combinar a varredura de linha com a sensibilidade do sCMOS, a TDI permite a aquisição de imagens rápidas e de alta qualidade sem interrupções, superando os métodos tradicionais de varredura de área, como o mosaico e a costura de imagens. Avalie as vantagens de usar nossa calculadora online, considerando as diversas premissas descritas neste documento. A TDI se destaca como uma ferramenta poderosa para a aquisição eficiente de imagens, com grande potencial para reduzir os tempos de aquisição tanto em técnicas de imagem padrão quanto avançadas.Se você deseja verificar se uma câmera TDI ou uma câmera de varredura de área pode atender às suas necessidades e melhorar o tempo de captura, entre em contato conosco hoje mesmo.
