23/10/10Временная задержка и интегрирование (TDI) — это метод захвата изображений, основанный на принципе строчной развёртки, при котором серия одномерных изображений регистрируется для формирования изображения путём синхронизации движения образца и захвата фрагмента изображения по сигналу триггера. Хотя эта технология существует уже несколько десятилетий, она обычно ассоциируется с низкочувствительными приложениями, такими как веб-инспекция.
Новое поколение камер сочетает чувствительность sCMOS со скоростью TDI, обеспечивая получение изображений, сопоставимых по качеству со сканированием по площади, но с потенциалом на порядки более высокой производительности. Это особенно очевидно в ситуациях, когда требуется получение изображений больших образцов в условиях низкой освещенности. В данной технической заметке мы описываем принцип работы сканирования TDI и сравниваем время получения изображения с сопоставимым методом сканирования больших площадей — методом «плитка и сшивка».
От строчного сканирования до TDI
Линейная развёртка — это метод визуализации, при котором для получения фрагмента изображения используется одна строка пикселей (называемая столбцом или столиком), пока образец находится в движении. С помощью электрических механизмов запуска делается один фрагмент изображения, когда образец проходит мимо сенсора. Масштабируя частоту срабатывания камеры для съёмки изображения синхронно с движением образца, и используя устройство захвата кадров для захвата этих изображений, их можно сшить для реконструкции изображения.
Визуализация методом TDI основана на этом принципе захвата изображения образца, однако использует несколько стадий для увеличения количества захваченных фотоэлектронов. По мере прохождения образцом каждой стадии накапливается дополнительная информация, которая добавляется к уже захваченным на предыдущих стадиях фотоэлектронам и перемешивается аналогично ПЗС-устройствам. Когда образец проходит последнюю стадию, собранные фотоэлектроны передаются на считывающее устройство, и интегрированный сигнал по всему диапазону используется для формирования среза изображения. На рисунке 1 показан захват изображения на устройстве с пятью столбцами (стадиями) TDI.
Рисунок 1: анимированный пример захвата изображения с использованием технологии TDI. Образец (синий T) проходит через устройство захвата изображения TDI (столбец из 5 пикселей, 5 каскадов TDI), и фотоэлектроны захватываются на каждом каскаде и суммируются с уровнем сигнала. Устройство считывания преобразует его в цифровое изображение.
1а: На сцену выводится изображение (синяя буква Т); буква Т движется, как показано на устройстве.
1b: Когда транспортное средство T проходит первую ступень, камера TDI активируется для приёма фотоэлектронов, которые регистрируются пикселями датчика TDI при их попадании на первую ступень. Каждый столбец содержит ряд пикселей, которые регистрируют фотоэлектроны по отдельности.
1c: Захваченные фотоэлектроны перемещаются на второй этап, где каждый столбец повышает свой уровень сигнала на следующий этап.
1d: Одновременно с перемещением образца на расстояние в один пиксель на втором этапе захватывается второй набор фотоэлектронов, который добавляется к ранее захваченным, увеличивая сигнал. На первом этапе захватывается новый набор фотоэлектронов, соответствующий следующему срезу изображения.
1e: Процессы захвата изображения, описанные на этапе 1d, повторяются по мере перемещения изображения мимо сенсора. Это приводит к формированию сигнала из фотоэлектронов, полученных на этапах. Сигнал передаётся на считывающее устройство, которое преобразует сигнал фотоэлектронов в цифровую форму.
1f: Цифровые показания отображаются столбцом по столбцам. Это позволяет выполнить цифровую реконструкцию изображения.
Поскольку устройство TDI способно одновременно передавать фотоэлектроны с одной ступени на другую и захватывать новые фотоэлектроны с первой ступени, пока образец находится в движении, изображение может быть фактически бесконечным по количеству захватываемых строк. Частота срабатывания, определяющая количество захватов изображения (рис. 1а), может составлять порядка сотен кГц.
В примере на рисунке 2 предметное стекло микроскопа размером 29 x 17 мм было снято за 10,1 секунды с помощью камеры TDI с разрешением 5 мкм. Даже при значительном увеличении уровень размытия минимален. Это значительный шаг вперёд по сравнению с предыдущими поколениями этой технологии.
Для получения более подробной информации в Таблице 1 показано типичное время получения изображений для ряда распространенных размеров образцов при 10-, 20- и 40-кратном увеличении.
Рисунок 2: Изображение флуоресцентного образца, полученное с помощью Tucsen 9kTDI. Экспозиция 10 мс, время захвата 10,1 с.
Таблица 1: Матрица времени захвата различных размеров выборки (секунды) с использованием камеры Tucsen 9kTDI на моторизованном столике серии Zaber MVR при увеличении 10, 20 и 40 x для времени экспозиции 1 и 10 мс.
Сканирование области изображения
Визуализация методом сканирования области в камерах sCMOS предполагает одновременную полную запись изображения с помощью двумерного массива пикселей. Каждый пиксель улавливает свет, преобразуя его в электрические сигналы для немедленной обработки и формирования полного изображения с высоким разрешением и скоростью. Размер изображения, которое можно получить за одну экспозицию, определяется размером пикселя, увеличением и количеством пикселей в массиве (на (1)
Для стандартной решетки поле зрения определяется выражением (2)
В случаях, когда образец слишком велик для поля зрения камеры, изображение можно построить, разделив его на сетку изображений размером с поле зрения. Запись этих изображений происходит по определённой схеме: столик перемещается в определённое положение на сетке, фиксируется, и затем происходит запись изображения. В камерах с подвижным затвором существует дополнительное время ожидания, пока вращается затвор. Эти изображения можно получить, перемещая камеру и сшивая их вместе. На рисунке 3 показано большое изображение клетки человека, полученное под флуоресцентным микроскопом путём сшивки 16 изображений меньшего размера.
Рисунок 3: Слайд человеческой клетки, полученный с помощью сканирующей камеры с использованием метода мозаики и сшивания изображений.
Как правило, для получения более детальных изображений потребуется сгенерировать и сшить больше изображений таким способом. Одним из решений является использованиеширокоформатное сканирование камерой, которая оснащена большими сенсорами с высоким количеством пикселей в сочетании со специализированной оптикой, что позволяет улавливать больше деталей.
Сравнение TDI и сканирования области (Tile & Stitch)
Для сканирования образцов большой площади как Tile & Stitch, так и TDI-сканирование являются подходящими решениями. Однако, выбрав оптимальный метод, можно значительно сократить время сканирования образца. Эта экономия времени достигается за счет возможности сканирования TDI-сканированием захватывать движущийся образец, устраняя задержки, связанные с стабилизацией столика и синхронизацией скользящего затвора, характерные для сканирования методом Tile & Stitch.
На рисунке 4 сравниваются остановки (зелёные линии) и перемещения (чёрные линии), необходимые для получения изображения клетки человека при сканировании методом «плитка и сшивка» (слева) и TDI (справа). Исключая необходимость остановки и повторного выравнивания изображения при TDI-сканировании, можно значительно сократить время получения изображения, при условии, что время экспозиции составляет <100 мс.
В таблице 2 показан рабочий пример сканирования между 9k TDI и стандартной камерой sCMOS.
Рисунок 4: Сканирование фрагмента человеческой клетки под флуоресценцией, показывающее мозаику и стежки (слева) и TDI-изображения (справа).
Таблица 2: Сравнение результатов сканирования области и получения изображений TDI для образца размером 15 x 15 мм с объективом 10x и временем экспозиции 10 мс.
Хотя технология TDI обладает фантастическим потенциалом для повышения скорости захвата изображений, существуют нюансы в использовании этой технологии. При больших выдержках (>100 мс) время, затрачиваемое на перемещение и стабилизацию при сканировании области, уменьшается по сравнению со временем экспозиции. В таких случаях камеры с зональным сканированием могут обеспечить более короткое время сканирования по сравнению с TDI-визуализацией. Чтобы узнать, может ли технология TDI дать вам преимущества по сравнению с вашей текущей системой,связаться с намидля сравнительного калькулятора.
Другие приложения
Для решения многих исследовательских задач требуется больше информации, чем просто одно изображение, например, получение многоканальных или многофокусных изображений.
Многоканальная визуализация в камере с зональным сканированием предполагает одновременную съемку изображений на нескольких длинах волн. Эти каналы обычно соответствуют различным длинам волн света, таким как красный, зеленый и синий. Каждый канал захватывает определенную длину волны или спектральную информацию от сцены. Затем камера объединяет эти каналы для создания полноцветного или мультиспектрального изображения, обеспечивая более полное представление сцены с четкими спектральными деталями. В камерах с зональным сканированием это достигается за счет дискретных экспозиций, однако при съемке с зональным сканированием (TDI) можно использовать разделитель для разделения сенсора на несколько частей. Разделение сенсора 9kTDI (45 мм) на 3 сенсора по 15,0 мм все равно будет больше, чем стандартный сенсор (ширина пикселя 6,5 мкм, 2048 пикселей) шириной 13,3 мм. Более того, поскольку TDI требует освещения только той части образца, на которой ведется съемка, сканирование может выполняться быстрее.
Другая область, где это может иметь место, — это многофокусная визуализация. Многофокусная визуализация в камерах с зонным сканированием включает в себя захват нескольких изображений с разным фокусным расстоянием и их слияние для создания составного изображения, на котором вся сцена находится в резком фокусе. Этот метод учитывает разницу расстояний в сцене, анализируя и объединяя области в фокусе каждого изображения, что приводит к более детальному отображению изображения. Опять же, с помощьюразветвительРазделив датчик TDI на две (по 22,5 мм) или три (по 15,0 мм) части, можно получить многофокусное изображение быстрее, чем при зонном сканировании. Однако для многофокусных изображений более высокого порядка (z-стеки 6 и более) зонное сканирование, вероятно, останется самым быстрым методом получения изображений.
Выводы
В этой технической заметке описываются различия между технологией сканирования областей и TDI для сканирования больших площадей. Благодаря сочетанию линейного сканирования и чувствительности sCMOS, TDI обеспечивает быструю и высококачественную визуализацию без задержек, превосходя традиционные методы сканирования областей, такие как мозаика и сшивка. Оцените преимущества использования нашего онлайн-калькулятора, учитывая различные допущения, изложенные в этом документе. TDI — это мощный инструмент для эффективной визуализации с большим потенциалом для сокращения времени сканирования как при стандартных, так и при сложных методах визуализации.Если вы хотите узнать, подойдет ли камера TDI или камера с зональным сканированием для решения ваших задач и улучшит время захвата, свяжитесь с нами сегодня.
