23/10/10Tidsfördröjning och integration (TDI) är en metod för bildtagning som bygger på principen om linjeskanning, där en serie endimensionella bilder tas för att generera en bild genom att tidsbestämma provrörelsen och bildsegmenttagningen genom triggning. Även om denna teknik har funnits i årtionden har den vanligtvis förknippats med lågkänsliga tillämpningar, såsom webbinspektion.
En ny generation kameror har kombinerat sCMOS:s känslighet med TDI:s hastighet för att erbjuda bildtagning av samma kvalitet som areaskanning, men med potential för betydligt snabbare dataflöde. Detta är särskilt tydligt i situationer där avbildning av stora prover i svagt ljus krävs. I denna tekniska anteckning beskriver vi hur TDI-skanning fungerar och jämför bildtagningstiden med en jämförbar storyteskanningsteknik, kakel- och stitchavbildning.
Från linjeskanning till TDI
Linjeskanningsavbildning är en avbildningsteknik som använder en enda rad pixlar (kallad kolumn eller scen) för att ta en bit av en bild medan ett prov är i rörelse. Med hjälp av elektriska utlösningsmekanismer tas en enda "bit" av en bild när provet passerar sensorn. Genom att skala kamerans utlösningshastighet för att fånga bilden i takt med provrörelsen och använda en bildtagningsenhet för att fånga dessa bilder kan de sys ihop för att rekonstruera bilden.
TDI-avbildning bygger på denna princip för bildtagning av ett prov, men använder flera steg för att öka antalet infångade fotoelektroner. Allt eftersom provet passerar varje steg samlas mer information in och läggs till de befintliga fotoelektroner som fångats upp av tidigare steg och blandas i en liknande process som CCD-enheter. När provet passerar över det sista steget skickas de insamlade fotoelektronerna till en avläsning, och den integrerade signalen över hela intervallet används för att generera en bildskiva. I figur 1 visas bildtagning på en enhet med fem TDI-kolumner (steg).
Figur 1: ett animerat exempel på bildtagning med TDI-teknik. Ett prov (blått T) passerar över en TDI-bildtagningsenhet (en kolumn med 5 pixlar, 5 TDI-steg), och fotoelektroner fångas upp i varje steg och läggs till signalnivån. En avläsning omvandlar detta till en digital bild.
1a: Bilden (ett blått T) introduceras på scenen; T:et är i rörelse som visas på enheten.
1b: När T-signalen passerar det första steget utlöses TDI-kameran för att ta emot fotoelektroner som fångas upp av pixlarna när de träffar det första steget på TDI-sensorn. Varje kolumn har en serie pixlar som fångar fotoelektroner individuellt.
1c: Dessa infångade fotoelektroner flyttas till det andra steget, där varje kolumn flyttar sin signalnivå till nästa steg.
1d: I takt med att provet rör sig en pixels avstånd, fångas en andra uppsättning fotoelektroner i steg två, och läggs till de tidigare fångade, vilket ökar signalen. I steg 1 fångas en ny uppsättning fotoelektroner, motsvarande nästa bildsegment.
1e: Bildtagningsprocesserna som beskrivs i steg 1d upprepas allt eftersom bilden rör sig förbi sensorn. Detta skapar en signal från fotoelektroner från stegen. Signalen skickas till en avläsare som omvandlar fotoelektronsignalen till en digital avläsning.
1f: Den digitala avläsningen visas som en bild kolumn för kolumn. Detta möjliggör digital rekonstruktion av en bild.
Eftersom TDI-enheten kan skicka fotoelektroner från ett steg till nästa samtidigt, och fånga nya fotoelektroner från det första steget medan provet är i rörelse, kan bilden i praktiken vara oändlig i antalet rader som tas. Utlösningsfrekvenserna, som avgör antalet gånger bildtagning (fig 1a) sker, kan vara i storleksordningen hundratals kHz.
I exemplet i figur 2 togs ett objektglas på 29 x 17 mm på 10,1 sekunder med en TDI-kamera med 5 µm pixel. Även vid betydande zoomnivåer är oskärpan minimal. Detta representerar ett enormt framsteg jämfört med tidigare generationer av denna teknik.
För ytterligare detaljer visar tabell 1 representativ avbildningstid för en serie vanliga provstorlekar vid 10, 20 och 40 x zoom.
Figur 2: En bild av ett fluorescerande prov taget med en Tucsen 9kTDI. Exponering 10 ms, inspelningstid 10,1 s.
Tabell 1: Matris över inspelningstid för varierande samplingsstorlekar (sekunder) med en Tucsen 9kTDI-kamera på en motoriserad scen i Zaber MVR-serien vid 10, 20 och 40 x för 1 och 10 ms exponeringstid.
Områdesavbildning
Area-skanning i sCMOS-kameror innebär att en hel bild tas samtidigt med hjälp av en tvådimensionell matris av pixlar. Varje pixel fångar ljus, omvandlar det till elektriska signaler för omedelbar bearbetning och bildar en komplett bild med hög upplösning och hastighet. Storleken på en bild som kan tas i en enda exponering styrs av pixelstorleken, förstoringsgraden och antalet pixlar i en matris, per (1)
För en standardmatris ges synfältet av (2)
I de fall där ett prov är för stort för kamerans synfält kan en bild konstrueras genom att separera bilden i ett rutnät av bilder med samma storlek som synfältet. Bildtagningen följer ett mönster där scenen flyttas till en position på rutnätet, scenen stabiliseras och sedan tas bilden. I rullande slutarkameror finns det en extra väntetid medan slutaren roterar. Dessa bilder kan tas genom att flytta kamerans position och sammanfoga dem. Figur 3 visar en stor bild av en mänsklig cell under fluorescensmikroskopi som bildats genom att sammanfoga 16 mindre bilder.
Figur 3: Ett diabild av en mänsklig cell som fångas med en area-skanningskamera med hjälp av kakel- och stygnavbildning.
I allmänhet kräver fler bilder att genereras och sammanfogas på detta sätt för att upplösa fler detaljer. En lösning på detta är att användastorformatskameraskanning, som har stora sensorer med ett högt pixelantal, i kombination med specialiserad optik, vilket möjliggör att en större mängd detaljer kan fångas.
Jämförelse mellan TDI och områdesskanning (Kakel och sammanfogning)
För skanning av prover över stora ytor är både Tile & Stitch- och TDI-skanning lämpliga lösningar, men genom att välja den bästa metoden är det möjligt att minska den tid som krävs för att skanna ett prov avsevärt. Denna tidsbesparing genereras av TDI-skanningens förmåga att fånga ett rörligt prov; vilket eliminerar fördröjningarna i samband med sceninställning och rullande slutartid i samband med tile & stitch-avbildning.
Figur 4 jämför de stopp (gröna) och rörelser (svarta linjer) som krävs för att ta en bild av en mänsklig cell i både kakel- och hopfogningsskanning (vänster) och TDI-skanning (höger). Genom att ta bort behovet av att stoppa och justera bilden i TDI-avbildning är det möjligt att minska avbildningstiden avsevärt, förutsatt att exponeringstiden är låg <100 ms.
Tabell 2 visar ett fungerande exempel på skanning mellan en 9k TDI och en standard sCMOS-kamera.
Figur 4: Ett skanningsmotiv av infångningen av en mänsklig cell under fluorescens som visar kakel och stygn (vänster) och TDI-avbildning (höger).
Tabell 2: Jämförelse av ytskanning och TDI-avbildning för ett 15 x 15 mm-prov med en 10x objektivlins och 10 ms exponeringstid.
Även om TDI erbjuder fantastisk potential för ökad bildtagningshastighet, finns det nyanser i användningen av denna teknik. För höga exponeringstider (>100 ms) minskar betydelsen av den tid som förloras på grund av rörelse- och stabiliseringsaspekterna av områdesskanning i förhållande till exponeringstiden. I sådana fall kan områdesskanningskameror erbjuda reducerade skanningstider jämfört med TDI-avbildning. För att se om TDI-tekniken kan erbjuda dig fördelar jämfört med din nuvarande installation,kontakta ossför en jämförelsekalkylator.
Andra tillämpningar
Många forskningsfrågor kräver mer information än en enda bild, såsom bildtagning med flera kanaler eller flera fokusenheter.
Flerkanalsavbildning i en områdesskanningskamera innebär att bilder tas samtidigt med flera våglängder. Dessa kanaler motsvarar vanligtvis olika ljusvåglängder, såsom rött, grönt och blått. Varje kanal fångar specifik våglängds- eller spektralinformation från scenen. Kameran kombinerar sedan dessa kanaler för att generera en helfärgs- eller multispektralbild, vilket ger en mer omfattande vy av scenen med distinkta spektraldetaljer. I områdesskanningskameror uppnås detta genom diskreta exponeringar, men med TDI-avbildning kan en splitter användas för att separera sensorn i flera delar. Att dela en 9kTDI (45 mm) i 3 x 15,0 mm sensorer kommer fortfarande att vara större än en standardsensor (6,5 µm pixelbredd, 2048 pixlar) bredd på 13,3 mm. Eftersom TDI bara kräver belysning på den del av provet som avbildas kan skanningarna dessutom cyklas snabbare.
Ett annat område där detta kan vara fallet är inom multifokusavbildning. Multifokusavbildning i områdesskanningskameror innebär att man tar flera bilder med olika fokusavstånd och blandar dem för att skapa en sammansatt bild med hela scenen i skarpt fokus. Den hanterar varierande avstånd i en scen genom att analysera och kombinera fokusområden från varje bild, vilket resulterar i en mer detaljerad representation av bilden. Återigen, genom att använda endelareFör att dela upp TDI-sensorn i två (22,5 mm) eller tre (15,0 mm) delar kan det vara möjligt att få en multifokusbild snabbare än med en motsvarande ytskanning. För multifokus av högre ordning (z-staplar om 6 eller fler) är det dock sannolikt att ytskanning förblir den snabbaste avbildningstekniken.
Slutsatser
Denna tekniska anmärkning beskriver skillnaderna mellan områdesskanning och TDI-teknik för skanning av stora ytor. Genom att slå samman linjeskanning och sCMOS-känslighet uppnår TDI snabb, högkvalitativ avbildning utan avbrott och överträffar traditionella områdesskanningsmetoder som kakel och stycken. Utvärdera fördelarna med att använda vår online-kalkylator med hänsyn till olika antaganden som beskrivs i detta dokument. TDI står som ett kraftfullt verktyg för effektiv avbildning med stor potential att minska avbildningstiderna i både standard- och avancerade avbildningstekniker.Om du vill se om en TDI-kamera eller områdesskanningskamera kan passa din tillämpning och förbättra din inspelningstid, kontakta oss idag.
