10.10.2023Метод задержки и интеграции по времени (TDI) — это способ захвата изображения, основанный на принципе линейного сканирования, при котором для создания изображения захватывается серия одномерных изображений путем синхронизации движения образца и захвата срезов изображения по триггеру. Хотя эта технология существует уже несколько десятилетий, она обычно ассоциируется с приложениями с низкой чувствительностью, такими как контроль качества веб-продукции.
Новое поколение камер объединило чувствительность sCMOS-матрицы со скоростью TDI, обеспечивая получение изображений такого же качества, как и при сканировании больших площадей, но с потенциально на порядки большей производительностью. Это особенно заметно в ситуациях, когда требуется получение изображений больших образцов в условиях низкой освещенности. В этой технической заметке мы описываем принцип работы сканирования TDI и сравниваем время получения изображения с аналогичным методом сканирования больших площадей — методом сшивания и обработки изображений (tile & stitch imaging).
От линейного сканирования до TDI
Линейное сканирование — это метод получения изображений, использующий одну линию пикселей (называемую столбцом или столиком) для получения среза изображения во время движения образца. С помощью электрических механизмов запуска делается один «срез» изображения, когда образец проходит мимо датчика. Путем масштабирования частоты срабатывания камеры для захвата изображения в соответствии с движением образца и использования устройства захвата кадров для получения этих изображений, их можно объединить для восстановления изображения.
Метод TDI-изображения основан на принципе захвата изображения образца, однако использует многоступенчатую обработку для увеличения количества захватываемых фотоэлектронов. По мере прохождения образца через каждую ступень, собирается дополнительная информация, которая добавляется к уже захваченным фотоэлектронам на предыдущих ступенях и перемешивается аналогично процессу, используемому в ПЗС-матрицах. Когда образец проходит через заключительную ступень, собранные фотоэлектроны передаются на устройство считывания, а интегрированный сигнал по всему диапазону используется для создания среза изображения. На рисунке 1 показана обработка изображения на устройстве с пятью колонками (ступенями) TDI.
Рисунок 1: анимированный пример захвата изображения с использованием технологии TDI. Образец (синяя буква Т) проходит над устройством захвата изображения TDI (столбец из 5 пикселей, 5 ступеней TDI), и фотоэлектроны захватываются на каждой ступени и добавляются к уровню сигнала. Считывание преобразует это в цифровое изображение.
1a: На сцену выводится изображение (синяя буква Т); буква Т находится в движении, как показано на экране устройства.
1b: Когда Т проходит первую ступень, камера TDI срабатывает, чтобы принимать фотоэлектроны, которые захватываются пикселями при попадании на первую ступень датчика TDI. Каждый столбец содержит ряд пикселей, которые захватывают фотоэлектроны по отдельности.
1c: Захваченные фотоэлектроны перемещаются на второй этап, где каждый столбец повышает уровень своего сигнала до следующего этапа.
1d: В такт перемещению образца на расстояние в один пиксель, на втором этапе захватывается второй набор фотоэлектронов, которые добавляются 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 датчика. Это формирует сигнал от фотоэлектронов, полученных на этапах. Сигнал передается на устройство считывания, которое преобразует сигнал фотоэлектронов в цифровой сигнал.
1f: Цифровые показания отображаются в виде изображения, столбец за столбцом. 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 во время движения образца, количество захватываемых строк изображения может быть практически бесконечным. Частота срабатывания триггера, определяющая количество захватов изображения (рис. 1а), может достигать сотен кГц.
В примере на рисунке 2 микроскопический препарат размером 29 x 17 мм был получен за 10,1 секунды с помощью камеры TDI с разрешением 5 мкм. Даже при значительном увеличении степень размытия минимальна. Это представляет собой огромный шаг вперед по сравнению с предыдущими поколениями этой технологии.
Для получения более подробной информации в таблице 1 показано типичное время получения изображений для ряда распространенных размеров выборки при увеличении в 10, 20 и 40 раз.
Рисунок 2: Изображение флуоресцентного образца, полученное с помощью прибора Tucsen 9kTDI. Выдержка 10 мс, время съемки 10,1 с.
Таблица 1: Матрица времени захвата изображения при различных размерах выборки (в секундах) с использованием камеры Tucsen 9kTDI на моторизованном столике серии Zaber MVR при 10, 20 и 40 увеличениях для времени экспозиции 1 и 10 мс.
сканирование области изображения
В sCMOS-камерах сканирование по области предполагает одновременное получение всего изображения с помощью двумерного массива пикселей. Каждый пиксель захватывает свет, преобразуя его в электрические сигналы для немедленной обработки и формирования полного изображения с высоким разрешением и скоростью. Размер изображения, которое можно получить за один снимок, определяется размером пикселя, увеличением и количеством пикселей в массиве (1)
Для стандартной антенной решетки поле зрения определяется следующим образом (2)
В случаях, когда образец слишком велик для поля зрения камеры, изображение можно построить, разделив его на сетку изображений размером с поле зрения. Получение этих изображений происходит по определенной схеме: предметный столик перемещается в положение на сетке, затем фиксируется, после чего происходит захват изображения. В камерах с скользящим затвором существует дополнительное время ожидания, пока затвор вращается. Эти изображения можно получить, перемещая положение камеры и сшивая их вместе. На рисунке 3 показано большое изображение человеческой клетки под флуоресцентным микроскопом, полученное путем сшивания 16 меньших изображений.
Рисунок 3: Слайд с изображением человеческой клетки, полученным с помощью камеры с сканированием по площади с использованием метода мозаичного и сшитого изображения.
В целом, для получения более детального изображения потребуется создать и сшить больше снимков таким способом. Одним из решений этой проблемы является использованиесканирование с помощью крупноформатной камеры, которая оснащена большими сенсорами с высоким разрешением в сочетании со специализированной оптикой, что позволяет получать более детальные снимки.
Сравнение TDI и сканирования области (Tile & Stitch)
Для сканирования больших площадей образцов подходят как метод Tile & Stitch, так и метод TDI, однако, выбрав оптимальный метод, можно значительно сократить время, необходимое для сканирования образца. Эта экономия времени достигается за счет способности метода TDI сканировать движущийся образец, устраняя задержки, связанные с стабилизацией положения столика и временем срабатывания скользящего затвора, характерные для метода Tile & Stitch.
На рисунке 4 сравниваются остановки (зеленые) и перемещения (черные линии), необходимые для получения изображения человеческой клетки при использовании методов сканирования «плитка и сшивка» (слева) и TDI (справа). Устранение необходимости остановки и повторной настройки изображения при TDI-сканировании позволяет значительно сократить время съемки при условии низкой выдержки (<100 мс).
В таблице 2 приведен пример сканирования между 9k TDI-камерой и стандартной sCMOS-камерой.
Рисунок 4: Схема сканирования при захвате человеческой клетки под флуоресцентным контролем, демонстрирующая метод «плитки и шва» (слева) и метод TDI-изображения (справа).
Таблица 2: Сравнение сканирования по площади и TDI-изображения для образца размером 15 х 15 мм с объективом 10x и временем экспозиции 10 мс.
Хотя технология TDI обладает огромным потенциалом для увеличения скорости захвата изображений, в её использовании есть свои нюансы. При длительной выдержке (>100 мс) потери времени на перемещение и стабилизацию при сканировании области уменьшаются по сравнению с длительностью выдержки. В таких случаях камеры с сканированием области могут обеспечить меньшее время сканирования по сравнению с камерами, использующими технологию TDI. Чтобы понять, может ли технология TDI предложить вам преимущества по сравнению с вашей текущей системой,связаться с намикалькулятор сравнения.
Другие приложения
Для решения многих исследовательских задач требуется больше информации, чем просто одно изображение, например, многоканальное или многофокусное получение изображений.
Многоканальная визуализация в сканирующей камере с плоскостным сканированием предполагает одновременный захват изображений с использованием нескольких длин волн. Эти каналы обычно соответствуют различным длинам волн света, таким как красный, зеленый и синий. Каждый канал захватывает определенную длину волны или спектральную информацию об изображении. Затем камера объединяет эти каналы для создания полноцветного или мультиспектрального изображения, обеспечивая более полное представление об изображении с четкими спектральными деталями. В сканирующих камерах с плоскостным сканированием это достигается дискретной экспозицией, однако при визуализации с использованием TDI можно использовать разветвитель для разделения сенсора на несколько частей. Разделение 9kTDI (45 мм) на 3 сенсора размером 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, которая подвергается визуализации, сканирование можно проводить быстрее.
Ещё одна область, где это может быть актуально, — это многофокусная съёмка. Многофокусная съёмка в камерах с сканирующим полем включает в себя захват нескольких изображений на разных фокусных расстояниях и их объединение для создания составного изображения, в котором вся сцена находится в резком фокусе. Она учитывает различные расстояния в сцене, анализируя и объединяя области в фокусе каждого изображения, что приводит к более детальному представлению изображения. Опять же, используяразветвительРазделение датчика TDI на две (22,5 мм) или три (15,0 мм) части может позволить получить многофокусное изображение быстрее, чем при использовании метода сканирования по площади. Однако для многофокусных изображений более высокого порядка (стеки по оси Z равные 6 или более) сканирование по площади, вероятно, останется самым быстрым методом получения изображений.
Выводы
В этом техническом описании изложены различия между сканированием по площади и технологией TDI для сканирования больших площадей. Благодаря объединению линейного сканирования и чувствительности sCMOS, технология TDI обеспечивает быструю и высококачественную съемку без прерываний, превосходя традиционные методы сканирования по площади, такие как «плиточное сканирование» и «сшивание». Оцените преимущества, используя наш онлайн-калькулятор, учитывая различные предположения, изложенные в этом документе. Технология TDI является мощным инструментом для эффективной съемки с большим потенциалом для сокращения времени съемки как в стандартных, так и в современных методах визуализации.Если вы хотите узнать, подходит ли вам камера TDI или камера с сканированием области, и как это может сократить время съемки, свяжитесь с нами сегодня.
