23/10/10Integrarea și întârzierea temporală (TDI) este o metodă de captare a imaginilor construită pe principiul scanării liniare, în care o serie de imagini unidimensionale sunt capturate pentru a genera o imagine prin sincronizarea mișcării eșantionului și capturarea feliei de imagine prin declanșare. Deși această tehnologie există de zeci de ani, a fost de obicei asociată cu aplicații cu sensibilitate redusă, cum ar fi inspecția web.
O nouă generație de camere a combinat sensibilitatea sCMOS cu viteza TDI pentru a oferi o captură de imagine de calitate egală cu cea a scanării de suprafață, dar cu potențialul unui randament mult mai rapid. Acest lucru este evident în special în situațiile în care este necesară imagistica unor mostre mari în condiții de lumină slabă. În această notă tehnică, vom prezenta modul în care funcționează scanarea TDI și vom compara timpul de captură a imaginii cu o tehnică comparabilă de scanare de suprafețe mari, imagistica tile & stitch.
De la scanarea liniară la TDI
Imagistica prin scanare liniară este o tehnică de imagistică ce utilizează o singură linie de pixeli (denumită coloană sau scenă) pentru a captura o felie dintr-o imagine în timp ce o mostră este în mișcare. Folosind mecanisme de declanșare electrică, se captează o singură „felie” dintr-o imagine pe măsură ce mostra trece prin senzor. Prin scalarea ratei de declanșare a camerei pentru a captura imaginea în pas cu mișcarea mostrei și utilizând un aparat de captare a cadrelor pentru a captura aceste imagini, acestea pot fi îmbinate pentru a reconstrui imaginea.
Imagistica TDI se bazează pe acest principiu de captare a imaginii unei probe, însă utilizează mai multe etape pentru a crește numărul de fotoelectroni capturați. Pe măsură ce proba trece de fiecare etapă, se colectează mai multe informații și se adaugă fotoelectronilor existenți capturați de etapele anterioare și amestecați într-un proces similar cu dispozitivele CCD. Pe măsură ce proba trece peste etapa finală, fotoelectronii colectați sunt trimiși către un dispozitiv de citire, iar semnalul integrat pe întregul interval este utilizat pentru a genera o secțiune de imagine. În Figura 1 este prezentată captura de imagine pe un dispozitiv cu cinci coloane TDI (etape).
Figura 1: un exemplu animat de captare a imaginii folosind tehnologia TDI. O mostră (T albastru) este trecută peste un dispozitiv de captare a imaginii TDI (o coloană de 5 pixeli, 5 etape TDI), iar fotoelectronii sunt capturați în fiecare etapă și adăugați la nivelul semnalului. O citire convertește aceasta într-o imagine digitală.
1a: Imaginea (un T albastru) este introdusă pe scenă; T-ul este în mișcare, așa cum se arată pe dispozitiv.
1b: Pe măsură ce T trece de prima etapă, camera TDI este declanșată să accepte fotoelectroni care sunt captați de pixeli pe măsură ce aceștia ating prima etapă a senzorului TDI. Fiecare coloană are o serie de pixeli care captează fotoelectroni individual.
1c: Acești fotoelectroni captați sunt mutați în a doua etapă, unde fiecare coloană își împinge nivelul semnalului în etapa următoare.
1d: În ritmul deplasării eșantionului la o distanță de un pixel, un al doilea set de fotoelectroni este capturat în etapa a doua și adăugat la cei capturați anterior, crescând semnalul. În etapa 1, este capturat un nou set de fotoelectroni, corespunzător următoarei secțiuni de captură de imagine.
1e: Procesele de captare a imaginii descrise în etapa 1d se repetă pe măsură ce imaginea trece pe lângă senzor. Aceasta generează un semnal din fotoelectronii proveniți din etape. Semnalul este transmis către un dispozitiv de citire, care convertește semnalul fotoelectronic într-un afișaj digital.
1f: Citirea digitală este afișată ca o imagine coloană cu coloană. Aceasta permite reconstrucția digitală a unei imagini.
Întrucât dispozitivul TDI este capabil să transmită simultan fotoelectroni de la o etapă la alta și să capteze noi fotoelectroni din prima etapă în timp ce proba este în mișcare, imaginea poate fi practic infinită în ceea ce privește numărul de rânduri capturate. Ratele de declanșare, care determină numărul de ori în care are loc capturarea imaginii (fig. 1a), pot fi de ordinul sutelor de kHz.
În exemplul din Figura 2, o lamă de microscop de 29 x 17 mm a fost capturată în 10,1 secunde folosind o cameră TDI de 5 µm pixeli. Chiar și la niveluri de zoom semnificative, nivelul de neclaritate este minim. Aceasta reprezintă un progres uriaș față de generațiile anterioare ale acestei tehnologii.
Pentru detalii suplimentare, Tabelul 1 prezintă un timp reprezentativ de imagistică pentru o serie de dimensiuni comune ale eșantioanelor la zoom de 10, 20 și 40x.
Figura 2: O imagine a unei probe fluorescente capturate folosind un Tucsen 9kTDI. Expunere 10 ms, timp de capturare 10,1 s.
Tabelul 1: Matricea timpului de captură pentru diferite dimensiuni ale eșantioanelor (secunde) utilizând o cameră Tucsen 9kTDI pe o platformă motorizată Zaber seria MVR la 10, 20 și 40 x pentru un timp de expunere de 1 și 10 ms.
Imagistică prin scanare de zonă
Imagistica prin scanare de suprafață în camerele sCMOS implică capturarea simultană a unei imagini întregi utilizând o matrice bidimensională de pixeli. Fiecare pixel captează lumina, transformând-o în semnale electrice pentru procesare imediată și formând o imagine completă cu rezoluție și viteză ridicate. Dimensiunea unei imagini care poate fi capturată într-o singură expunere este determinată de dimensiunea pixelului, mărire și numărul de pixeli dintr-o matrice, per (1)
Pentru o matrice standard, câmpul vizual este dat de (2)
În cazurile în care o mostră este prea mare pentru câmpul vizual al unei camere, o imagine poate fi construită prin separarea imaginii într-o grilă de imagini de dimensiunea câmpului vizual. Captura acestor imagini urmează un model, în care platforma se va deplasa într-o poziție pe grilă, platforma se va stabiliza, iar apoi imaginea va fi capturată. În cazul camerelor cu obturator rotativ, există un timp de așteptare suplimentar în timp ce obturatorul se rotește. Aceste imagini pot fi capturate prin mutarea poziției camerei și îmbinarea lor. Figura 3 prezintă o imagine mare a unei celule umane sub microscopie cu fluorescență, formată prin îmbinarea a 16 imagini mai mici.
Figura 3: O diapozitiv a unei celule umane capturată de o cameră de scanare a zonei folosind imagistica tile & stitch.
În general, rezolvarea unor detalii mai mari va necesita generarea și îmbinarea mai multor imagini în acest fel. O soluție la acest lucru este utilizareascanare cu cameră de format mare, care are senzori mari cu un număr mare de pixeli, împreună cu optică specializată, permițând captarea unei cantități mai mari de detalii.
Comparație între TDI și scanarea de suprafață (Tile & Stitch)
Pentru scanarea unor suprafețe mari de probe, atât scanarea Tile & Stitch, cât și scanarea TDI sunt soluții adecvate, însă prin selectarea celei mai bune metode, este posibil să se reducă semnificativ timpul necesar scanării unei probe. Această economie de timp este generată de capacitatea scanării TDI de a captura o probă în mișcare; eliminând întârzierile asociate cu stabilizarea etapei și temporizarea obturatorului rulant asociate cu imagistica tile & stitch.
Figura 4 compară opririle (verde) și mișcările (linii negre) necesare pentru a captura o imagine a unei celule umane atât în scanarea tile & stitch (stânga), cât și în scanarea TDI (dreapta). Prin eliminarea necesității de a opri și realinia imaginea în imagistica TDI, este posibil să se reducă semnificativ timpul de imagistică, cu condiția ca timpul de expunere să fie <100 ms.
Tabelul 2 prezintă un exemplu practic de scanare între un TDI de 9k și o cameră sCMOS standard.
Figura 4: Un motiv de scanare al captării unei celule umane sub fluorescență, prezentând imagistica tile and stitch (stânga) și TDI (dreapta).
Tabelul 2: Comparație între scanarea ariei și imagistica TDI pentru o probă de 15 x 15 mm cu un obiectiv de 10x și un timp de expunere de 10 ms.
Deși TDI oferă un potențial fantastic pentru creșterea vitezei de captare a imaginilor, există nuanțe în utilizarea acestei tehnologii. Pentru timpi de expunere mari (>100 ms), importanța timpului pierdut pentru aspectele de mișcare și stabilizare ale scanării zonei este redusă în raport cu timpul de expunere. În astfel de cazuri, camerele cu scanare de zonă pot oferi timpi de scanare reduși în comparație cu imagistica TDI. Pentru a vedea dacă tehnologia TDI vă poate oferi beneficii față de configurația actuală,contactaţi-nepentru un calculator de comparație.
Alte aplicații
Multe întrebări de cercetare necesită mai multe informații decât o singură imagine, cum ar fi achiziția de imagini multicanal sau multifocalizare.
Imagistica multicanal într-o cameră cu scanare de arie implică capturarea de imagini utilizând simultan mai multe lungimi de undă. Aceste canale corespund de obicei unor lungimi de undă diferite ale luminii, cum ar fi roșu, verde și albastru. Fiecare canal captează informații specifice despre lungimea de undă sau spectrale din scenă. Camera combină apoi aceste canale pentru a genera o imagine color sau multispectrală, oferind o vedere mai cuprinzătoare a scenei cu detalii spectrale distincte. În camerele cu scanare de arie, acest lucru se realizează prin expuneri discrete, însă, în cazul imagisticii TDI, se poate utiliza un divizor pentru a separa senzorul în mai multe părți. Împărțirea unui senzor de 9kTDI (45 mm) în 3 senzori de 15,0 mm va fi totuși mai mare decât un senzor standard (lățime pixel de 6,5 µm, 2048 pixeli) cu lățimea de 13,3 mm. Mai mult, deoarece TDI necesită iluminare doar pe partea din eșantion care este fotografiată, scanările pot fi ciclate mai rapid.
Un alt domeniu în care acest lucru poate fi valabil este imagistica multifocală. Imagistica multifocală în camerele cu scanare de arie implică capturarea mai multor imagini la distanțe focale diferite și combinarea lor pentru a crea o imagine compozită cu întreaga scenă focalizată clar. Aceasta abordează distanțele variabile dintr-o scenă prin analizarea și combinarea regiunilor focalizate din fiecare imagine, rezultând o reprezentare mai detaliată a unei imagini. Din nou, prin utilizarea unui...divizorPentru a împărți senzorul TDI în două (22,5 mm) sau trei (15,0 mm) bucăți, este posibil să se obțină o imagine multifocală mai rapid decât o scanare de suprafață echivalentă. Cu toate acestea, pentru multifocalizare de ordin superior (z stacks de 6 sau mai mult), scanarea de suprafață este probabil să rămână cea mai rapidă tehnică de imagistică.
Concluzii
Această notă tehnică prezintă diferențele dintre scanarea de suprafețe și tehnologia TDI pentru scanarea de suprafețe mari. Prin combinarea scanării liniare cu sensibilitatea sCMOS, TDI realizează imagini rapide și de înaltă calitate, fără întreruperi, depășind metodele tradiționale de scanare de suprafețe, cum ar fi tile & stitch. Evaluați avantajele utilizării calculatorului nostru online, luând în considerare diversele ipoteze prezentate în acest document. TDI reprezintă un instrument puternic pentru imagistica eficientă, cu un mare potențial de reducere a timpilor de imagistică, atât în tehnicile standard, cât și în cele avansate.Dacă doriți să vedeți dacă o cameră TDI sau o cameră de scanare a zonei s-ar potrivi aplicației dumneavoastră și ar îmbunătăți timpul de captură, contactați-ne astăzi.
