23. 10. 2010Časové oneskorenie a integrácia (TDI) je metóda snímania obrazu založená na princípe riadkového skenovania, kde sa zachytáva séria jednorozmerných obrazov na generovanie obrazu načasovaním pohybu vzorky a zachytávaním obrazového segmentu spúšťaním. Hoci táto technológia existuje už desaťročia, zvyčajne sa spája s aplikáciami s nízkou citlivosťou, ako je napríklad kontrola pásov.
Nová generácia kamier kombinuje citlivosť sCMOS s rýchlosťou TDI, aby ponúkla snímanie obrazu rovnakej kvality ako pri plošnom skenovaní, ale s potenciálom pre rádovo rýchlejší prietok. Toto je obzvlášť zrejmé v situáciách, keď je potrebné snímanie veľkých vzoriek v podmienkach slabého osvetlenia. V tejto technickej poznámke načrtneme, ako funguje skenovanie TDI, a porovnáme čas snímania obrazu s porovnateľnou technikou skenovania veľkých oblastí, zobrazovaním tile & stitch.
Od riadkového skenovania k TDI
Riadkové skenovanie je zobrazovacia technika, ktorá využíva jeden riadok pixelov (označovaný ako stĺpec alebo stolík) na zachytenie výrezu obrazu, zatiaľ čo sa vzorka pohybuje. Pomocou elektrických spúšťacích mechanizmov sa pri prechode vzorky cez senzor zachytí jeden „výrez“ obrazu. Úpravou spúšťacej frekvencie kamery na zachytenie obrazu v súlade s pohybom vzorky a použitím frame grabberu na zachytenie týchto obrázkov je možné ich spojiť a rekonštruovať obraz.
Zobrazovanie TDI je založené na tomto princípe snímania obrazu vzorky, avšak využíva viacero stupňov na zvýšenie počtu zachytených fotoelektrónov. Ako vzorka prechádza každým stupňom, zhromažďuje sa viac informácií, ktoré sa pridávajú k existujúcim fotoelektrónom zachyteným predchádzajúcimi stupňami a premiešavajú sa podobným procesom ako v prípade CCD zariadení. Keď vzorka prechádza cez posledný stupeň, zhromaždené fotoelektróny sa odosielajú na odčítací výstup a integrovaný signál v celom rozsahu sa používa na generovanie obrazového segmentu. Na obrázku 1 je znázornené snímanie obrazu na zariadení s piatimi stĺpcami (stupňami) TDI.
Obrázok 1: animovaný príklad snímania obrazu pomocou technológie TDI. Vzorka (modré T) prechádza cez zariadenie na snímanie obrazu TDI (stĺpec s 5 pixelmi, 5 stupňov TDI) a v každom stupni sa zachytávajú fotoelektróny a pridávajú sa k úrovni signálu. Výpis prevedie tento údaj na digitálny obraz.
1a: Na stolík sa dostane obraz (modré T); T sa pohybuje, ako je znázornené na zariadení.
1b: Keď T prechádza prvým stupňom, TDI kamera sa spustí a prijme fotoelektróny, ktoré sú zachytené pixelmi pri dopade na prvý stupeň na TDI senzore. Každý stĺpec obsahuje sériu pixelov, ktoré zachytávajú fotoelektróny jednotlivo.
1c: Tieto zachytené fotoelektróny sú premiešané do druhého stupňa, kde každý stĺpec posúva svoju úroveň signálu do ďalšieho stupňa.
1d: Súbežne s pohybom vzorky o vzdialenosť jedného pixelu sa v druhej fáze zachytí druhá sada fotoelektrónov, ktorá sa pridá k predtým zachyteným, čím sa zvýši signál. V prvej fáze sa zachytí nová sada fotoelektrónov, ktorá zodpovedá ďalšiemu úseku zachyteného obrazu.
1e: Procesy snímania obrazu opísané v kroku 1d sa opakujú, keď sa obraz pohybuje okolo senzora. Tým sa vytvára signál z fotoelektrónov z jednotlivých stupňov. Signál sa prenáša do výstupu, ktorý prevádza signál fotoelektrónu na digitálny výstup.
1f: Digitálny údaj sa zobrazuje ako obrázok stĺpec po stĺpci. To umožňuje digitálnu rekonštrukciu obrazu.
Keďže TDI zariadenie je schopné súčasne prepúšťať fotoelektróny z jedného stupňa do druhého a zachytávať nové fotoelektróny z prvého stupňa, zatiaľ čo sa vzorka pohybuje, obraz môže byť v podstate nekonečný, čo sa týka počtu zachytených riadkov. Spúšťacie frekvencie, ktoré určujú počet zachytení obrazu (obr. 1a), môžu byť rádovo stovky kHz.
V príklade na obrázku 2 bol mikroskopický preparát s rozmermi 29 x 17 mm nasnímaný za 10,1 sekundy pomocou 5 µm pixelovej TDI kamery. Aj pri významných úrovniach priblíženia je úroveň rozmazania minimálna. To predstavuje obrovský pokrok oproti predchádzajúcim generáciám tejto technológie.
Pre ďalšie podrobnosti tabuľka 1 zobrazuje reprezentatívny čas snímania pre sériu bežných veľkostí vzoriek pri 10-, 20- a 40-násobnom priblížení.
Obrázok 2: Snímok fluorescenčnej vzorky zachytený pomocou Tucsen 9kTDI. Expozícia 10 ms, čas zachytenia 10,1 s.
Tabuľka 1: Matica času snímania vzoriek rôznych veľkostí (sekundy) s použitím kamery Tucsen 9kTDI na motorizovanom stolíku Zaber série MVR pri zväčšení 10, 20 a 40 x pre expozičný čas 1 a 10 ms.
Zobrazovanie oblasti skenovaním
Plošné skenovanie obrazu v sCMOS kamerách zahŕňa súčasné zachytenie celého obrazu pomocou dvojrozmerného poľa pixelov. Každý pixel zachytáva svetlo, premieňa ho na elektrické signály na okamžité spracovanie a vytvára kompletný obraz s vysokým rozlíšením a rýchlosťou. Veľkosť obrazu, ktorý je možné zachytiť v jednej expozícii, je určená veľkosťou pixelu, zväčšením a počtom pixelov v poli na (1)
Pre štandardné pole je zorné pole dané vzťahom (2)
V prípadoch, keď je vzorka príliš veľká pre zorné pole kamery, je možné obraz vytvoriť rozdelením obrazu do mriežky obrazov s veľkosťou zorného poľa. Zachytenie týchto obrazov sa riadi vzorom, kde sa stolík presunie do polohy na mriežke, stolík sa ustáli a potom sa obraz zachytí. Pri kamerách s postupnou uzávierkou je potrebný dodatočný čas čakania, kým sa uzávierka otáča. Tieto obrazy je možné zachytiť posunutím polohy kamery a ich spojením. Obrázok 3 zobrazuje veľký obraz ľudskej bunky pod fluorescenčnou mikroskopiou, ktorý vznikol spojením 16 menších obrazov.
Obrázok 3: Snímka ľudskej bunky zachytenej kamerou s plošným skenovaním pomocou zobrazovania metódou dlaždicového a stehového zobrazovania.
Vo všeobecnosti si rozlíšenie väčších detailov vyžaduje generovanie a spájanie väčšieho množstva obrázkov týmto spôsobom. Jedným z riešení je použitieskenovanie veľkoformátovou kamerou, ktorý má veľké senzory s vysokým počtom pixelov v spojení so špecializovanou optikou, čo umožňuje zachytiť väčšie množstvo detailov.
Porovnanie medzi TDI a plošným skenovaním (Tile & Stitch)
Na skenovanie veľkoplošných vzoriek sú vhodnými riešeniami skenovanie Tile & Stitch aj TDI, avšak výberom najlepšej metódy je možné výrazne skrátiť čas potrebný na skenovanie vzorky. Táto úspora času je dosiahnutá schopnosťou TDI skenovania zachytiť pohybujúcu sa vzorku, čím sa eliminujú oneskorenia spojené s ustálením stolíka a časovaním rolovacej uzávierky, ktoré sa vyskytujú pri skenovaní Tile & Stitch.
Obrázok 4 porovnáva zastavenia (zelené) a pohyby (čierne čiary) potrebné na zachytenie obrazu ľudskej bunky pri skenovaní typu tile & stitch (vľavo) a TDI (vpravo). Odstránením potreby zastavenia a opätovného zarovnania obrazu pri zobrazovaní TDI je možné výrazne skrátiť čas zobrazovania za predpokladu, že expozičný čas je nízky <100 ms.
Tabuľka 2 zobrazuje praktický príklad skenovania medzi 9k TDI a štandardnou sCMOS kamerou.
Obrázok 4: Skenovací motív zachytenia ľudskej bunky pod fluorescenciou zobrazujúci dlaždicové a stehové (vľavo) a TDI zobrazovanie (vpravo).
Tabuľka 2: Porovnanie plošného skenovania a TDI zobrazovania pre vzorku s rozmermi 15 x 15 mm s objektívom s 10-násobným zväčšením a expozičným časom 10 ms.
Hoci TDI ponúka fantastický potenciál pre zvýšenie rýchlosti snímania obrazu, používanie tejto technológie má svoje nuansy. Pri vysokých expozičných časoch (> 100 ms) sa význam času strateného na pohyb a usadzovanie pri skenovaní plochy znižuje v porovnaní s expozičným časom. V takýchto prípadoch môžu kamery s plošným skenovaním ponúkať kratšie časy skenovania v porovnaní so snímaním TDI. Ak chcete zistiť, či vám technológia TDI môže ponúknuť výhody oproti vášmu súčasnému nastaveniu,kontaktujte náspre porovnávaciu kalkulačku.
Iné aplikácie
Mnohé výskumné otázky vyžadujú viac informácií ako jeden obrázok, napríklad viackanálové alebo viacohniskové získavanie obrázkov.
Viackanálové zobrazovanie v plošnej skenovacej kamere zahŕňa súčasné snímanie obrázkov s použitím viacerých vlnových dĺžok. Tieto kanály zvyčajne zodpovedajú rôznym vlnovým dĺžkam svetla, ako je červená, zelená a modrá. Každý kanál zachytáva špecifickú vlnovú dĺžku alebo spektrálne informácie zo scény. Kamera potom tieto kanály skombinuje a vygeneruje plnofarebný alebo multispektrálny obraz, ktorý poskytuje komplexnejší pohľad na scénu s výraznými spektrálnymi detailmi. V plošných skenovacích kamerách sa to dosahuje diskrétnymi expozíciami, avšak pri TDI zobrazovaní je možné použiť delič na rozdelenie senzora na viacero častí. Rozdelenie 9kTDI (45 mm) na 3 x 15,0 mm senzory bude stále väčšie ako štandardný senzor (šírka pixelu 6,5 µm, 2048 pixelov) so šírkou 13,3 mm. Navyše, keďže TDI vyžaduje osvetlenie iba na časti zobrazovanej vzorky, skenovanie je možné cyklovať rýchlejšie.
Ďalšou oblasťou, kde to môže byť prípad, je viacohniskové zobrazovanie. Viacohniskové zobrazovanie v plošných skenovacích kamerách zahŕňa snímanie viacerých snímok s rôznymi ohniskovými vzdialenosťami a ich zlúčenie za účelom vytvorenia kompozitného obrazu s celou scénou v ostrom zaostrení. Rieši rôzne vzdialenosti v scéne analýzou a kombinovaním zaostrených oblastí z každého obrazu, čo vedie k detailnejšiemu zobrazeniu obrazu. Opäť, použitímrozdeľovačRozdelením TDI senzora na dve (22,5 mm) alebo tri (15,0 mm) časti je možné získať viacohniskový obraz rýchlejšie ako pri ekvivalentnom plošnom skenovaní. Pri viacohniskovom skenovaní vyššieho rádu (z-vrstvy 6 alebo viac) však plošné skenovanie pravdepodobne zostane najrýchlejšou zobrazovacou technikou.
Závery
Táto technická poznámka načrtáva rozdiely medzi plošným skenovaním a technológiou TDI pre skenovanie veľkých plôch. Spojením riadkového skenovania a citlivosti sCMOS dosahuje TDI rýchle a vysokokvalitné zobrazovanie bez prerušení, čím prekonáva tradičné metódy plošného skenovania, ako je dlaždicové a stehové skenovanie. Zhodnoťte výhody použitia našej online kalkulačky, berúc do úvahy rôzne predpoklady uvedené v tomto dokumente. TDI predstavuje výkonný nástroj pre efektívne zobrazovanie s veľkým potenciálom na skrátenie časov zobrazovania v štandardných aj pokročilých zobrazovacích technikách.Ak by ste chceli zistiť, či by TDI kamera alebo kamera na skenovanie oblasti mohla vyhovovať vašej aplikácii a zlepšiť čas snímania, kontaktujte nás ešte dnes.
