23/10/10Time Delay & Integration (TDI) เป็นวิธีการจับภาพที่สร้างขึ้นบนหลักการของการสแกนเส้น โดยจะจับภาพมิติเดียวหลายชุดเพื่อสร้างภาพโดยการจับเวลาการเคลื่อนที่ของตัวอย่าง และจับภาพส่วนภาพโดยการทริกเกอร์ แม้ว่าเทคโนโลยีนี้จะมีอยู่มานานหลายทศวรรษแล้ว แต่โดยทั่วไปแล้วมักเกี่ยวข้องกับแอปพลิเคชันที่มีความไวต่ำ เช่น การตรวจสอบเว็บ
กล้องรุ่นใหม่ได้ผสานความไวแสงของ sCMOS เข้ากับความเร็วของ TDI เพื่อให้ได้ภาพที่มีคุณภาพเทียบเท่าการสแกนพื้นที่ แต่มีศักยภาพในการประมวลผลข้อมูลที่รวดเร็วกว่ามาก เห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษในสถานการณ์ที่จำเป็นต้องถ่ายภาพตัวอย่างขนาดใหญ่ในสภาพแสงน้อย ในเอกสารทางเทคนิคนี้ เราจะอธิบายวิธีการทำงานของการสแกน TDI และเปรียบเทียบเวลาในการจับภาพกับเทคนิคการสแกนพื้นที่ขนาดใหญ่ที่เทียบเท่ากัน นั่นคือการถ่ายภาพแบบ Tile & Stitch
จากการสแกนเส้นไปจนถึง TDI
การถ่ายภาพแบบเส้นสแกน (Line Scan Imaging) คือเทคนิคการถ่ายภาพที่ใช้พิกเซลเพียงเส้นเดียว (เรียกว่าคอลัมน์หรือสเตจ) เพื่อบันทึกภาพสไลซ์ (Slice) ของภาพในขณะที่ตัวอย่างกำลังเคลื่อนที่ โดยใช้กลไกการกระตุ้นด้วยไฟฟ้า จะบันทึกภาพสไลซ์ (Slice) เดียวในขณะที่ตัวอย่างเคลื่อนที่ผ่านเซ็นเซอร์ ด้วยการปรับอัตราการกระตุ้นของกล้องเพื่อบันทึกภาพตามการเคลื่อนไหวของตัวอย่าง และใช้เฟรมแกรบเบอร์เพื่อบันทึกภาพเหล่านี้ ภาพเหล่านี้สามารถนำมาต่อกันเพื่อสร้างภาพขึ้นมาใหม่ได้
การถ่ายภาพแบบ TDI สร้างขึ้นจากหลักการจับภาพตัวอย่าง แต่ใช้หลายขั้นตอนเพื่อเพิ่มจำนวนโฟโตอิเล็กตรอนที่จับได้ เมื่อตัวอย่างผ่านแต่ละขั้นตอน จะมีการรวบรวมข้อมูลเพิ่มเติมและเพิ่มลงในโฟโตอิเล็กตรอนที่มีอยู่ซึ่งจับได้จากขั้นตอนก่อนหน้า และสลับไปมาในกระบวนการที่คล้ายกับอุปกรณ์ CCD เมื่อตัวอย่างผ่านขั้นตอนสุดท้าย โฟโตอิเล็กตรอนที่เก็บรวบรวมได้จะถูกส่งไปยังหน่วยอ่านข้อมูล และสัญญาณที่รวมอยู่ในช่วงจะถูกใช้เพื่อสร้างภาพตัดขวาง ในรูปที่ 1 แสดงภาพการจับภาพบนอุปกรณ์ที่มีคอลัมน์ (ขั้นตอน) TDI ห้าคอลัมน์
รูปที่ 1: ตัวอย่างภาพเคลื่อนไหวของการจับภาพโดยใช้เทคโนโลยี TDI ตัวอย่าง (T สีน้ำเงิน) ถูกส่งผ่านอุปกรณ์จับภาพ TDI (คอลัมน์ขนาด 5 พิกเซล, 5 สเตจ TDI) และโฟโตอิเล็กตรอนจะถูกจับภาพในแต่ละสเตจและเพิ่มเข้าไปในระดับสัญญาณ การอ่านค่าจะแปลงข้อมูลนี้เป็นภาพดิจิทัล
1a: ภาพ (ตัว T สีน้ำเงิน) จะถูกนำเสนอบนเวที โดยตัว T นั้นจะเคลื่อนไหวตามที่แสดงบนอุปกรณ์
1b: เมื่อ T ผ่านขั้นแรก กล้อง TDI จะถูกกระตุ้นให้รับโฟโตอิเล็กตรอน ซึ่งจะถูกจับภาพโดยพิกเซลเมื่อกระทบขั้นแรกบนเซ็นเซอร์ TDI แต่ละคอลัมน์จะมีชุดพิกเซลที่จับภาพโฟโตอิเล็กตรอนทีละตัว
1c: โฟโตอิเล็กตรอนที่ถูกจับเหล่านี้จะถูกสับเปลี่ยนไปยังขั้นที่สอง โดยที่แต่ละคอลัมน์จะผลักระดับสัญญาณของตนไปยังขั้นถัดไป
1d: ในช่วงเวลาเดียวกับการเคลื่อนที่ของตัวอย่างที่ระยะห่างหนึ่งพิกเซล โฟโตอิเล็กตรอนชุดที่สองจะถูกจับไว้ในสเตจที่สอง และเพิ่มเข้ากับโฟโตอิเล็กตรอนชุดที่ถูกจับไว้ก่อนหน้านี้ ทำให้สัญญาณเพิ่มขึ้น ในขั้นตอนที่ 1 โฟโตอิเล็กตรอนชุดใหม่จะถูกจับไว้ ซึ่งสอดคล้องกับสไลซ์ภาพถัดไป
1e: กระบวนการจับภาพตามที่อธิบายไว้ในขั้นตอนที่ 1d จะถูกทำซ้ำเมื่อภาพเคลื่อนผ่านเซ็นเซอร์ ซึ่งจะสร้างสัญญาณจากโฟโตอิเล็กตรอนจากขั้นตอนต่างๆ สัญญาณจะถูกส่งต่อไปยังหน่วยอ่านข้อมูล ซึ่งจะแปลงสัญญาณโฟโตอิเล็กตรอนเป็นหน่วยอ่านข้อมูลดิจิทัล
1f: การอ่านค่าดิจิทัลจะแสดงเป็นภาพแบบคอลัมน์ต่อคอลัมน์ ซึ่งช่วยให้สามารถสร้างภาพดิจิทัลขึ้นมาใหม่ได้
เนื่องจากอุปกรณ์ TDI สามารถส่งโฟโตอิเล็กตรอนจากขั้นตอนหนึ่งไปยังอีกขั้นตอนหนึ่งได้พร้อมกัน และจับโฟโตอิเล็กตรอนใหม่จากขั้นตอนแรกได้ในขณะที่ตัวอย่างกำลังเคลื่อนที่ ภาพจึงสามารถจับภาพได้อย่างไม่จำกัดจำนวนแถว อัตราทริกเกอร์ซึ่งกำหนดจำนวนครั้งที่ภาพจับภาพ (รูปที่ 1a) เกิดขึ้น อาจอยู่ในระดับหลายร้อยกิโลเฮิรตซ์
ในตัวอย่างภาพที่ 2 สไลด์กล้องจุลทรรศน์ขนาด 29 x 17 มม. ถูกบันทึกได้ภายใน 10.1 วินาที โดยใช้กล้อง TDI พิกเซล 5 ไมโครเมตร แม้ในระดับการซูมที่มาก ระดับความเบลอก็น้อยมาก ซึ่งถือเป็นความก้าวหน้าครั้งยิ่งใหญ่เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีรุ่นก่อนๆ
สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม ตารางที่ 1 แสดงเวลาถ่ายภาพตัวแทนสำหรับชุดขนาดตัวอย่างทั่วไปที่ซูม 10, 20 และ 40 เท่า
รูปที่ 2: ภาพตัวอย่างหลอดฟลูออเรสเซนต์ที่ถ่ายด้วยกล้อง Tucsen 9kTDI เปิดรับแสง 10 มิลลิวินาที เวลาในการบันทึก 10.1 วินาที
ตารางที่ 1: เมทริกซ์ของเวลาการถ่ายภาพที่มีขนาดตัวอย่างที่แตกต่างกัน (วินาที) โดยใช้กล้อง Tucsen 9kTDI บนแท่นมอเตอร์ซีรีส์ Zaber MVR ที่อัตราขยาย 10, 20 และ 40 เท่า สำหรับเวลาเปิดรับแสง 1 และ 10 มิลลิวินาที
การถ่ายภาพแบบสแกนพื้นที่
การถ่ายภาพแบบสแกนพื้นที่ในกล้อง sCMOS เกี่ยวข้องกับการจับภาพทั้งหมดพร้อมกันโดยใช้อาร์เรย์พิกเซลสองมิติ แต่ละพิกเซลจะจับแสง แปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าเพื่อประมวลผลทันที และสร้างภาพที่สมบูรณ์ด้วยความละเอียดและความเร็วสูง ขนาดของภาพที่สามารถจับภาพได้ในการเปิดรับแสงครั้งเดียวจะถูกควบคุมโดยขนาดพิกเซล กำลังขยาย และจำนวนพิกเซลในอาร์เรย์ต่อ (1)
สำหรับอาร์เรย์มาตรฐาน ฟิลด์มุมมองจะกำหนดโดย (2)
ในกรณีที่ตัวอย่างมีขนาดใหญ่เกินไปสำหรับระยะมองเห็นของกล้อง สามารถสร้างภาพได้โดยการแบ่งภาพออกเป็นตารางภาพที่มีขนาดเท่ากับระยะมองเห็น การบันทึกภาพเหล่านี้เป็นไปตามรูปแบบ โดยแท่นจะเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งบนตาราง แท่นจะตั้งฉาก จากนั้นจึงบันทึกภาพ ในกล้องแบบโรลลิ่งชัตเตอร์ จะมีเวลารอเพิ่มขึ้นขณะที่ชัตเตอร์หมุน การบันทึกภาพเหล่านี้สามารถทำได้โดยการเลื่อนตำแหน่งกล้องและเชื่อมต่อเข้าด้วยกัน รูปที่ 3 แสดงภาพขนาดใหญ่ของเซลล์มนุษย์ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์ ซึ่งเกิดจากการรวมภาพขนาดเล็ก 16 ภาพเข้าด้วยกัน
รูปที่ 3: สไลด์ของเซลล์มนุษย์ที่ถูกจับภาพด้วยกล้องสแกนพื้นที่โดยใช้การถ่ายภาพแบบกระเบื้องและเย็บ
โดยทั่วไปแล้ว การแก้ไขรายละเอียดที่มากขึ้นจะต้องสร้างภาพและเชื่อมต่อเข้าด้วยกันมากขึ้นด้วยวิธีนี้ วิธีแก้ปัญหาอย่างหนึ่งคือการใช้การสแกนกล้องฟอร์แมตใหญ่ซึ่งมีเซนเซอร์ขนาดใหญ่ที่มีจำนวนพิกเซลสูง ทำงานร่วมกับระบบออปติกพิเศษ ช่วยให้สามารถจับภาพรายละเอียดได้มากขึ้น
การเปรียบเทียบระหว่าง TDI และการสแกนพื้นที่ (Tile & Stitch)
สำหรับการสแกนตัวอย่างพื้นที่ขนาดใหญ่ ทั้งการสแกนแบบ Tile & Stitch และ TDI ถือเป็นโซลูชันที่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม การเลือกวิธีที่ดีที่สุดจะช่วยลดเวลาในการสแกนตัวอย่างได้อย่างมาก การประหยัดเวลานี้เกิดขึ้นได้จากความสามารถของการสแกน TDI ที่สามารถจับภาพตัวอย่างที่กำลังเคลื่อนที่ได้ ช่วยลดความล่าช้าที่เกี่ยวข้องกับการตกตะกอนของแท่นสแกนและจังหวะการสั่นของชัตเตอร์แบบโรลลิ่งชัตเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายภาพแบบ Tile & Stitch
รูปที่ 4 เปรียบเทียบระยะหยุด (สีเขียว) และการเคลื่อนที่ (เส้นสีดำ) ที่จำเป็นต่อการบันทึกภาพเซลล์มนุษย์ในการสแกนแบบ Tile & Stitch (ซ้าย) และแบบ TDI (ขวา) การลดความจำเป็นในการหยุดและจัดแนวภาพใหม่ในการสร้างภาพแบบ TDI ช่วยลดเวลาในการถ่ายภาพลงได้อย่างมาก หากเวลาในการรับแสงน้อยกว่า 100 มิลลิวินาที
ตารางที่ 2 แสดงตัวอย่างการทำงานของการสแกนระหว่างกล้อง 9k TDI และกล้อง sCMOS มาตรฐาน
รูปที่ 4: รูปแบบการสแกนของการจับเซลล์ของมนุษย์ภายใต้การเรืองแสงโดยแสดงภาพแบบกระเบื้องและเย็บ (ซ้าย) และ TDI (ขวา)
ตารางที่ 2: การเปรียบเทียบการสแกนพื้นที่และการถ่ายภาพ TDI สำหรับตัวอย่างขนาด 15 x 15 มม. โดยใช้เลนส์วัตถุ 10 เท่าและเวลาเปิดรับแสง 10 มิลลิวินาที
แม้ว่า TDI จะมีศักยภาพที่ยอดเยี่ยมในการเพิ่มความเร็วในการจับภาพ แต่การใช้เทคโนโลยีนี้ยังมีรายละเอียดปลีกย่อยอีกเล็กน้อย สำหรับเวลาเปิดรับแสงที่สูง (>100 มิลลิวินาที) ความสำคัญของเวลาที่เสียไปในการเคลื่อนที่และการหยุดนิ่งของการสแกนพื้นที่จะลดลงเมื่อเทียบกับเวลาเปิดรับแสง ในกรณีเช่นนี้ กล้องสแกนพื้นที่อาจให้เวลาสแกนที่ลดลงเมื่อเทียบกับการถ่ายภาพด้วย TDI หากต้องการดูว่าเทคโนโลยี TDI จะให้ประโยชน์เหนือกว่าการตั้งค่าปัจจุบันของคุณหรือไม่ติดต่อเราสำหรับเครื่องคิดเลขเปรียบเทียบ
แอปพลิเคชันอื่น ๆ
คำถามการวิจัยจำนวนมากต้องการข้อมูลมากกว่าภาพเดียว เช่น การเก็บภาพหลายช่องสัญญาณหรือหลายโฟกัส
การถ่ายภาพหลายช่องสัญญาณในกล้องสแกนพื้นที่เกี่ยวข้องกับการจับภาพโดยใช้ความยาวคลื่นหลายช่วงพร้อมกัน โดยทั่วไปช่องสัญญาณเหล่านี้จะสอดคล้องกับความยาวคลื่นของแสงที่แตกต่างกัน เช่น สีแดง สีเขียว และสีน้ำเงิน แต่ละช่องสัญญาณจะบันทึกข้อมูลความยาวคลื่นหรือสเปกตรัมเฉพาะจากฉาก จากนั้นกล้องจะรวมช่องสัญญาณเหล่านี้เข้าด้วยกันเพื่อสร้างภาพสีเต็มรูปแบบหรือภาพหลายสเปกตรัม ซึ่งทำให้มองเห็นฉากได้ครอบคลุมมากขึ้นพร้อมรายละเอียดสเปกตรัมที่ชัดเจน ในกล้องสแกนพื้นที่ วิธีนี้ทำได้โดยการเปิดรับแสงแบบแยกส่วน อย่างไรก็ตาม ด้วยการถ่ายภาพแบบ TDI สามารถใช้ตัวแยกสัญญาณเพื่อแยกเซ็นเซอร์ออกเป็นหลายส่วนได้ การแบ่งเซ็นเซอร์ขนาด 9kTDI (45 มม.) ออกเป็นเซ็นเซอร์ขนาด 3 x 15.0 มม. ยังคงมีขนาดใหญ่กว่าเซ็นเซอร์มาตรฐาน (ความกว้างพิกเซล 6.5 ไมโครเมตร, 2048 พิกเซล) ที่ความกว้าง 13.3 มม. ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจาก TDI ต้องการเพียงการส่องสว่างเฉพาะส่วนของตัวอย่างที่กำลังถ่ายภาพ จึงสามารถวนรอบการสแกนได้เร็วขึ้น
อีกกรณีหนึ่งที่อาจเกิดกรณีนี้ได้คือการถ่ายภาพแบบมัลติโฟกัส การถ่ายภาพแบบมัลติโฟกัสในกล้องสแกนพื้นที่เกี่ยวข้องกับการจับภาพหลายภาพที่ระยะโฟกัสที่แตกต่างกัน และนำมาผสมกันเพื่อสร้างภาพรวมที่มีฉากทั้งหมดอยู่ในโฟกัสที่คมชัด ระบบจะวิเคราะห์และรวมพื้นที่ที่อยู่ในโฟกัสจากแต่ละภาพเข้าด้วยกัน ทำให้ได้ภาพที่มีรายละเอียดมากขึ้น อีกครั้งหนึ่ง ด้วยการใช้ตัวแยกในการแบ่งเซ็นเซอร์ TDI ออกเป็นสองส่วน (22.5 มม.) หรือสามส่วน (15.0 มม.) อาจเป็นไปได้ที่จะได้ภาพแบบมัลติโฟกัสที่เร็วกว่าการสแกนพื้นที่ที่เทียบเท่า อย่างไรก็ตาม สำหรับมัลติโฟกัสลำดับสูง (z stacks 6 หรือมากกว่า) การสแกนพื้นที่น่าจะเป็นเทคนิคการถ่ายภาพที่เร็วที่สุด
บทสรุป
บันทึกทางเทคนิคนี้สรุปความแตกต่างระหว่างการสแกนพื้นที่และเทคโนโลยี TDI สำหรับการสแกนพื้นที่ขนาดใหญ่ ด้วยการผสานการสแกนเส้นและความไวแสง sCMOS ทำให้ TDI สามารถถ่ายภาพได้อย่างรวดเร็วและมีคุณภาพสูงโดยไม่สะดุด ซึ่งเหนือกว่าวิธีการสแกนพื้นที่แบบเดิม เช่น การสแกนแบบ Tile & Stitch ลองประเมินข้อดีของการใช้เครื่องคำนวณออนไลน์ของเรา โดยพิจารณาสมมติฐานต่างๆ ที่ระบุไว้ในเอกสารนี้ TDI เป็นเครื่องมืออันทรงพลังสำหรับการถ่ายภาพที่มีประสิทธิภาพ พร้อมศักยภาพในการลดเวลาในการถ่ายภาพทั้งในเทคนิคการถ่ายภาพมาตรฐานและขั้นสูงหากคุณต้องการดูว่ากล้อง TDI หรือกล้องสแกนพื้นที่จะตอบโจทย์การใช้งานของคุณและปรับปรุงเวลาในการจับภาพได้หรือไม่ โปรดติดต่อเราทันที
