23. 10. 2010Časovna zakasnitev in integracija (TDI) je metoda zajemanja slik, ki temelji na načelu linijskega skeniranja, kjer se zajame vrsta enodimenzionalnih slik, ki ustvarijo sliko s časovnim določanjem gibanja vzorca in zajemanjem slikovnega rezina s sprožitvijo. Čeprav ta tehnologija obstaja že desetletja, je bila običajno povezana z aplikacijami z nizko občutljivostjo, kot je pregled spleta.
Nova generacija kamer je združila občutljivost sCMOS s hitrostjo TDI, da bi ponudila zajem slike enake kakovosti kot površinsko skeniranje, vendar s potencialom za večjo prepustnost. To je še posebej očitno v situacijah, ko je potrebno slikanje velikih vzorcev v slabih svetlobnih pogojih. V tej tehnični opombi opisujemo, kako deluje TDI skeniranje, in primerjamo čas zajemanja slike s primerljivo tehniko skeniranja velikih površin, slikanjem s ploščicami in šivi.
Od linijskega skeniranja do TDI
Slikanje z vrstičnim skeniranjem je tehnika slikanja, ki uporablja eno samo vrstico slikovnih pik (imenovano stolpec ali mizica) za zajemanje dela slike, medtem ko se vzorec premika. Z uporabo električnih sprožilnih mehanizmov se zajame en sam »del« slike, ko vzorec prehaja mimo senzorja. Z nastavitvijo hitrosti proženja kamere za zajemanje slike v koraku z gibanjem vzorca in uporabo zajemalnika slik za zajemanje teh slik jih je mogoče združiti in rekonstruirati sliko.
TDI slikanje temelji na tem načelu zajemanja slike vzorca, vendar uporablja več stopenj za povečanje števila zajetih fotoelektronov. Ko vzorec prehaja skozi vsako stopnjo, se zbere več informacij, ki se dodajo obstoječim fotoelektronom, zajetim v prejšnjih stopnjah, in se premešajo na podoben način kot pri CCD napravah. Ko vzorec prehaja skozi zadnjo stopnjo, se zbrani fotoelektroni pošljejo na odčitalnik, integrirani signal v celotnem območju pa se uporabi za generiranje slikovnega reza. Na sliki 1 je prikazano zajemanje slike na napravi s petimi TDI stolpci (stopnjami).
Slika 1: animirani primer zajemanja slike s tehnologijo TDI. Vzorec (modri T) se spusti čez napravo za zajem slike TDI (stolpec s 5 slikovnimi pikami, 5 stopenj TDI) in v vsaki stopnji se zajamejo fotoelektroni, ki se dodajo nivoju signala. Odčitavanje to pretvori v digitalno sliko.
1a: Slika (modra črka T) se prikaže na odru; črka T se premika, kot je prikazano na napravi.
1b: Ko T preide prvo stopnjo, se sproži TDI kamera, ki sprejme fotoelektrone, ki jih zajamejo slikovne pike, ko dosežejo prvo stopnjo na TDI senzorju. Vsak stolpec ima vrsto slikovnih pik, ki posamezno zajamejo fotoelektrone.
1c: Ti zajeti fotoelektroni se premešajo v drugo stopnjo, kjer vsak stolpec potisne svojo raven signala v naslednjo stopnjo.
1d: Sočasno s premikanjem vzorca za razdaljo enega slikovnega pika se v drugi fazi zajame drugi niz fotoelektronov, ki se dodajo prej zajetim, s čimer se poveča signal. V 1. fazi se zajame nov niz fotoelektronov, ki ustreza naslednjemu delu zajetega posnetka slike.
1e: Postopki zajemanja slike, opisani v fazi 1d, se ponavljajo, ko se slika premika mimo senzorja. To tvori signal iz fotoelektronov iz stopenj. Signal se prenese v odčitalnik, ki pretvori signal fotoelektronov v digitalni odčitalnik.
1f: Digitalni odčitek je prikazan kot slika po stolpcih. To omogoča digitalno rekonstrukcijo slike.
Ker je naprava TDI sposobna hkrati prepuščati fotoelektrone iz ene stopnje v drugo in zajemati nove fotoelektrone iz prve stopnje, medtem ko se vzorec premika, je lahko število zajetih vrstic slike dejansko neskončno. Frekvence proženja, ki določajo, kolikokrat se slika zajame (slika 1a), so lahko reda velikosti več sto kHz.
V primeru na sliki 2 je bil mikroskopski preparat velikosti 29 x 17 mm posnet v 10,1 sekunde s kamero TDI s 5 µm slikovnimi pikami. Tudi pri znatnih stopnjah povečave je stopnja zamegljenosti minimalna. To predstavlja velik napredek v primerjavi s prejšnjimi generacijami te tehnologije.
Za več podrobnosti tabela 1 prikazuje reprezentativni čas slikanja za vrsto običajnih velikosti vzorcev pri 10-, 20- in 40-kratni povečavi.
Slika 2: Slika fluorescentnega vzorca, posneta z uporabo Tucsen 9kTDI. Osvetlitev 10 ms, čas zajemanja 10,1 s.
Tabela 1: Matrika časa zajemanja različnih velikosti vzorcev (sekunde) z uporabo kamere Tucsen 9kTDI na motorizirani mizici serije Zaber MVR pri 10, 20 in 40 x povečavi za čas osvetlitve 1 in 10 ms.
Slikanje območja s skeniranjem
Slikanje s površinskim skeniranjem v kamerah sCMOS vključuje hkratno zajemanje celotne slike z uporabo dvodimenzionalnega niza slikovnih pik. Vsak slikovni pik zajame svetlobo, jo pretvori v električne signale za takojšnjo obdelavo in oblikuje popolno sliko z visoko ločljivostjo in hitrostjo. Velikost slike, ki jo je mogoče zajeti z eno samo osvetlitvijo, je odvisna od velikosti slikovnega piksla, povečave in števila slikovnih pik v nizu na (1)
Za standardno matriko je vidno polje podano z (2)
V primerih, ko je vzorec prevelik za vidno polje kamere, lahko sliko konstruiramo tako, da sliko ločimo v mrežo slik velikosti vidnega polja. Zajem teh slik sledi vzorcu, kjer se mizica premakne na položaj na mreži, se umiri in nato se slika zajame. Pri kamerah z vrtljivim zaklopom je dodaten čas čakanja, medtem ko se zaklop vrti. Te slike je mogoče zajeti s premikanjem položaja kamere in njihovim sestavljanjem. Slika 3 prikazuje veliko sliko človeške celice pod fluorescenčno mikroskopijo, ki nastane z sestavljanjem 16 manjših slik.
Slika 3: Diapozitiv človeške celice, ki jo je zajela kamera za površinsko skeniranje z uporabo slikanja s ploščicami in šivi.
Na splošno bo za ločevanje večjih podrobnosti potrebno ustvariti več slik in jih na ta način združiti. Ena od rešitev za to je uporabaskeniranje s kamero velikega formata, ki ima velike senzorje z visokim številom slikovnih pik, skupaj s specializirano optiko, kar omogoča zajem večje količine podrobnosti.
Primerjava med TDI in površinskim skeniranjem (Tile & Stitch)
Za skeniranje vzorcev na velikih površinah sta ustrezni rešitvi tako skeniranje Tile & Stitch kot TDI, vendar je z izbiro najboljše metode mogoče znatno skrajšati čas, potreben za skeniranje vzorca. Ta prihranek časa je posledica zmožnosti skeniranja TDI, da zajame premikajoči se vzorec, s čimer se odpravijo zamude, povezane z umikanjem mizice in časom premikajočega se zaklopa, ki so značilne za slikanje Tile & Stitch.
Slika 4 primerja zaustavitve (zelene) in premike (črne črte), potrebne za zajem slike človeške celice pri skeniranju s ploščicami in šivi (levo) ter pri skeniranju s TDI (desno). Z odpravo potrebe po zaustavitvi in poravnavi slike pri slikanju s TDI je mogoče znatno skrajšati čas slikanja, če je čas osvetlitve kratek <100 ms.
Tabela 2 prikazuje praktičen primer skeniranja med 9k TDI in standardno sCMOS kamero.
Slika 4: Skenirni motiv zajemanja človeške celice pod fluorescenco, ki prikazuje slikanje s ploščicami in šivi (levo) ter slikanje s TDI (desno).
Tabela 2: Primerjava površinskega skeniranja in TDI slikanja za vzorec velikosti 15 x 15 mm z objektivom 10x in časom osvetlitve 10 ms.
Čeprav TDI ponuja fantastičen potencial za povečanje hitrosti zajemanja slik, obstajajo nianse pri uporabi te tehnologije. Pri dolgih časih osvetlitve (> 100 ms) se pomen časa, izgubljenega zaradi premikanja in umikanja pri skeniranju območja, zmanjša glede na čas osvetlitve. V takih primerih lahko kamere za skeniranje območja ponujajo krajše čase skeniranja v primerjavi s slikanjem s TDI. Če želite preveriti, ali vam tehnologija TDI lahko ponudi prednosti pred vašo trenutno nastavitvijo,kontaktirajte nasza primerjalni kalkulator.
Druge aplikacije
Številna raziskovalna vprašanja zahtevajo več informacij kot eno samo sliko, na primer pri zajemanju večkanalnih ali večfokusnih slik.
Večkanalno slikanje v kameri s površinskim skeniranjem vključuje hkratno zajemanje slik z uporabo več valovnih dolžin. Ti kanali običajno ustrezajo različnim valovnim dolžinam svetlobe, kot so rdeča, zelena in modra. Vsak kanal zajame določene valovne dolžine ali spektralne informacije iz prizora. Kamera nato združi te kanale, da ustvari barvno ali večspektralno sliko, ki zagotavlja celovitejši pogled na prizor z izrazitimi spektralnimi podrobnostmi. Pri kamerah s površinskim skeniranjem se to doseže z diskretnimi osvetlitvami, vendar se pri slikanju s TDI lahko uporabi razdelilnik za ločitev senzorja na več delov. Razdelitev 9kTDI (45 mm) na 3 senzorje velikosti 15,0 mm bo še vedno večja od standardnega senzorja (širina slikovnih pik 6,5 µm, 2048 slikovnih pik) širine 13,3 mm. Poleg tega, ker TDI zahteva osvetlitev le na delu vzorca, ki ga slikamo, je mogoče skeniranje izvajati hitreje.
Drugo področje, kjer bi to lahko veljalo, je večfokusno slikanje. Večfokusno slikanje v kamerah s površinskim skeniranjem vključuje zajemanje več slik z različnimi goriščnimi razdaljami in njihovo združevanje, da se ustvari sestavljena slika s celotnim prizorom v ostrem žarišču. Obravnava različne razdalje v prizoru z analizo in združevanjem izostrenih območij iz vsake slike, kar ima za posledico podrobnejšo predstavitev slike. Ponovno, z uporaborazdelilnikČe bi senzor TDI razdelili na dva (22,5 mm) ali tri (15,0 mm) dela, bi bilo morda mogoče pridobiti večfokusno sliko hitreje kot z ekvivalentnim površinskim skeniranjem. Pri večfokusnem slikanju višjega reda (z-nizi 6 ali več) pa bo površinsko skeniranje verjetno ostalo najhitrejša tehnika slikanja.
Zaključki
Ta tehnična opomba opisuje razlike med površinskim skeniranjem in tehnologijo TDI za skeniranje velikih površin. Z združitvijo linijskega skeniranja in občutljivosti sCMOS TDI dosega hitro in visokokakovostno slikanje brez prekinitev, s čimer presega tradicionalne metode površinskega skeniranja, kot sta ploščice in šivi. Ocenite prednosti uporabe našega spletnega kalkulatorja, pri čemer upoštevajte različne predpostavke, opisane v tem dokumentu. TDI je močno orodje za učinkovito slikanje z velikim potencialom za skrajšanje časov slikanja tako pri standardnih kot naprednih tehnikah slikanja.Če želite preveriti, ali bi TDI kamera ali kamera za površinsko skeniranje ustrezala vaši aplikaciji in izboljšala čas zajemanja, nas kontaktirajte še danes.
