15/06/2022Capturar luz fora de foco é um desafio para obter imagens nítidas e de alto contraste em muitas aplicações de imagem. A Microscopia de Varredura Digital por Folha de Luz (DSLM) oferece uma maneira eficaz de reduzir a captura de luz fora de foco, sincronizando a iluminação com o obturador eletrônico das câmeras CMOS modernas. No entanto, essa sincronização precisa exige controle total sobre a operação do obturador eletrônico da câmera – um recurso oferecido pelas câmeras Tucsen com o Modo de Controle do Obturador Eletrônico.
O que é uma persiana de enrolar?
O obturador é a parte da câmera que inicia e interrompe a exposição da imagem à luz. Antigamente, as câmeras científicas utilizavam obturadores mecânicos, que se abriam para expor a imagem e se fechavam para encerrar a exposição. Os obturadores mecânicos eram lentos e sujeitos a problemas de confiabilidade com o uso prolongado. Atualmente, as câmeras científicas utilizam obturadores eletrônicos, que são significativamente mais rápidos, simples e versáteis.
As câmeras com obturador eletrônico iniciam a aquisição na parte superior do sensor e "rolam" linha por linha até a parte inferior. Essa aquisição envolve três processos: reinicialização do sinal, exposição à luz e leitura.
A exposição de cada linha começa com a reinicialização do sinal adquirido de cada pixel. Após o tempo de exposição designado para a linha superior, a leitura, que marca o fim da aquisição, desce da mesma forma. Isso deixa uma área de pixels ativos que se estende do topo à base da câmera, com sua altura determinada pela duração do tempo de exposição. Com a câmera funcionando em velocidade máxima, o atraso por linha é tipicamente entre 5 e 25 microssegundos por linha de pixels, dependendo da velocidade da câmera.
Para tirar proveito de técnicas ópticas que exigem a sincronização da varredura da iluminação com o obturador eletrônico da câmera, normalmente esse atraso é muito curto, o que significa que o obturador eletrônico opera rápido demais para que outros componentes do hardware consigam acompanhar. É aí que entra o Modo de Controle do Obturador Eletrônico.
Figura 1: Diagrama esquemático do funcionamento de uma persiana de enrolar
Como funciona o modo de controle de obturador rolante
Graças à inteligência integrada nas câmeras Tucsen, o funcionamento do obturador eletrônico da câmera pode ser ajustado com precisão para sincronizar com hardware externo. Ao adicionar um pequeno atraso entre a reinicialização e a leitura de cada linha, o tempo necessário para a área de pixels ativa percorrer o sensor pode ser controlado para permitir essa sincronização.
Além disso, a 'altura da fenda' da área ativa escaneada pode ser ajustada com precisão. Tempos de exposição mais longos ou atrasos de linha mais curtos resultam em uma altura de fenda maior. No caso do DSLM, isso pode ser usado para corresponder apenas à área iluminada da amostra, encontrando um equilíbrio entre expor os pixels pelo tempo máximo possível para uma captura de sinal eficaz e minimizar a luz fora de foco.
Figura2À esquerda: Esquema de funcionamento do obturador eletrônico em velocidade máxima da câmera. À direita: Esquema mostrando a velocidade do obturador eletrônico com o Modo de Controle do Obturador Eletrônico adicionando um atraso extra entre cada linha para permitir a sincronização com outros componentes de hardware.
Com esse atraso opcional, agora existem três variáveis importantes a serem compreendidas que determinam o funcionamento do obturador eletrônico, indicando a altura da área de pixels 'ativos' e a velocidade com que ele percorre o sensor.
Tempo de linhaEste é o tempo padrão que o sensor leva para ler uma linha e passar para a próxima. Ele determina a "velocidade" nativa do sensor da câmera e pode ser especificado no software da câmera ou aproximado para uma determinada região de interesse (ROI) e modo de câmera por:
Onde 'Taxa Máxima de Quadros da Câmera' se refere à taxa de quadros quando não há limitação por tempo de exposição ou taxa de disparo externo.
Período de exposição:Isso determina por quanto tempo cada linha de pixels permanece ativa, definindo assim a altura da área ativa para um determinado tempo de linha e tempo de atraso.
Atraso de tempo na linha:Este é o atraso adicional adicionado pelo Modo de Controle de Obturador Rolante. O Modo de Controle de Obturador Rolante permite adicionar atraso.em múltiplos inteiros do tempo de linhaPor exemplo, se o tempo de linha para uma câmera for de 10 microssegundos, um atraso adicional por linha de 1, 2,…Podem ser adicionados até 8.928, indicando o número de múltiplos de 10 microssegundos.
Também é importante a altura da região de interesse (ROI) utilizada, pois isso determinará o número de linhas que a área ativa deve percorrer antes de ser reiniciada.
Modos de sincronização do modo de controle do obturador rolante
Existem dois modos de operação para o Modo de Controle de Persianas Rolantes, dependendo de qual variável é mais importante controlar.
In Modo de atraso de tempo de linhaVocê pode definir o tempo de atraso conforme especificado acima. O software poderá então indicar, para o tempo de exposição especificado, qual será a altura da fenda resultante – a altura dos pixels ativos no obturador eletrônico.
In Altura do pixel ativo/fendaNo modo de varredura, você pode definir o número de linhas do sensor que deseja ativar durante a varredura do obturador rolante. O tempo de exposição especificado será então usado para calcular o atraso de tempo de linha necessário para fornecer essa altura de fenda automaticamente.
Configurar o modo de controle de obturador rolante no software
Controles de Modo Operacional (Status)
Figura 3: Exemplo de interface para controlar o Modo de Controle de Persianas Rolantes a partir do software Tucsen Mosaic. Todas as opções. Disponível via Micro-Manager e SDK.
Três modos de funcionamento estão disponíveis:Off, Atraso de tempo de linha, Altura da fenda.
• Quando definido paraDesligadoO sensor comporta-se normalmente, sem qualquer atraso adicional.
• Quando definido paraAtraso de tempo de linhaNo modo, você pode especificar o atraso de tempo da linha em unidades de tempo de linha, conforme explicado acima.
Figura 4: Opções de software de atraso de tempo de linha. ExemploInterface do software Tucsen Mosaic. Todas as opções estão disponíveis via Micro-Manager e SDK.
O número de ciclos de tempo de linha que podem ser adicionados ao atraso configurável varia de câmera para câmera. O novo tempo de linha da câmera, após a adição do atraso, será então:
Tempo de intervalo na linha = Tempo na linha(sensor)+(Tempo de linha)(sensor)× Atraso de tempo de linha)
O valor do parâmetro deVelocidade de rolamentoé igual aTempo de intervalo de linha.
O tempo total de leitura da imagem é então:
Rlertempo limite(imagem)= Tempo de intervalo de linha×Nlinhas.
Nlinhasé o número total de linhas de pixels de imagem na região de interesse. A taxa de quadros ao gerar imagens neste modo depende do número de linhas a serem capturadas e do tempo de ciclo da linha:
Taxa de quadros = 1/(Tempo de leitura)(imagem)+ Tempo de exposição)
•Quando definido paraAltura da fenda mode, você pode definir otamanho da área ativa escaneada, dado por to número de linhas de pixels entre o sinal de "reset" e o sinal de "readout".A altura da fenda varia de 1 a 2048 pixels. Para converter esse valor em tamanho físico, multiplique-o pela dimensão em pixels especificada na ficha técnica da câmera.
Figura 5: Opções de controle do modo Altura da Fenda. ExemploInterface do software Tucsen Mosaic. Todas as opções estão disponíveis via Micro-Manager e SDK.
O software calculará automaticamente o tempo de atraso na linha e o intervalo de tempo na linha necessários. A fórmula é a seguinte:
Tempo de atraso na linha = Tempo de exposição(Linhas)/ Altura da fenda(Linhas)
No Modo de Alta Velocidade (modo de ganho da câmera), o intervalo de Altura da Fenda só pode ser definido para um número par, já que nesse modo as linhas são lidas duas a duas. Os parâmetros no Modo de Alta Velocidade são calculados da seguinte forma.
Tempo de atraso na linha = Tempo de exposição(Linhas)/ ½ Altura da fenda(Linhas)
Altura da fenda = (Período de exposição(Linhas)÷ Atraso de tempo de linha) × 2
Controles de direção de varredura
Existem três opções para a direção da persiana de enrolar:
DterA direção de varredura para baixo é a direção de varredura padrão para câmeras sCMOS. O obturador eletrônico inicia na primeira linha na parte superior do sensor e varre até a última linha na parte inferior. Cada aquisição de quadro subsequente começa na primeira linha na parte superior.
Figura 6: Esquema do Modo de Varredura Descendente
Up：No modo de varredura ascendente, o obturador rolante inicia a varredura na linha inferior e sobe até a linha superior da primeira linha. Cada aquisição de quadro subsequente começa na linha inferior. Embora a ordem de captura de dados na câmera esteja agora invertida, a imagem resultante enviada ao software ainda mostrará a orientação original, ou seja, a imagem não será invertida verticalmente em relação ao modo de varredura descendente.
Figura 7: Esquema do Modo de Varredura Ascendente
Ciclo de subida e descidaAo realizar a varredura alternadamente para cima e para baixo, o obturador rolante inicia na primeira linha, no topo, e desce até a última linha, na parte inferior. Para o próximo quadro, o obturador rolante inicia na linha inferior e varre até a linha superior, e assim por diante. A orientação da imagem adquirida neste modo é a mesma da orientação da varredura para baixo.
Figura 8: Esquema do modo de varredura de ciclo ascendente-descendente
• Readireção de reinicialização
Esta função está disponível apenas no modo de ciclo de subida e descida.
A configuração padrão para este parâmetro é "Sim", o que garante que o primeiro quadro de cada nova sequência de aquisição começará na linha superior e percorrerá a imagem de cima para baixo.
Quando este parâmetro estiver definido como "Não", o primeiro quadro de cada nova aquisição começará na posição do último quadro da sequência anterior. Se o último quadro terminar na linha inferior, o primeiro quadro das aquisições subsequentes começará na linha inferior e se propagará para cima.
