23/10/10Ang time delay at integration (TDI) ay isang paraan ng pagkuha ng larawan na binuo sa prinsipyo ng pag-scan ng linya, kung saan kinukunan ang isang serye ng mga one-dimensional na larawan upang makabuo ng larawan sa pamamagitan ng pag-timing ng sample na paggalaw at pag-iwas ng larawan sa pamamagitan ng pag-trigger. Bagama't ang teknolohiyang ito ay umiikot sa loob ng mga dekada, karaniwan itong nauugnay sa mga application na may mababang sensitivity, gaya ng web inspeksyon.
Pinagsama ng isang bagong henerasyon ng mga camera ang sensitivity ng sCMOS sa bilis ng TDI upang mag-alok ng pagkuha ng larawan ng pantay na kalidad sa pag-scan ng lugar ngunit may potensyal para sa mga order ng magnitude na mas mabilis na throughput. Ito ay partikular na maliwanag sa mga sitwasyon kung saan ang imaging ng mga malalaking sample sa mababang ilaw na kondisyon ay kinakailangan. Sa teknikal na tala na ito, binabalangkas namin kung paano gumagana ang pag-scan ng TDI, at inihahambing ang oras ng pagkuha ng larawan sa isang maihahambing na diskarte sa pag-scan ng malaking lugar, tile at stitch imaging.
Mula sa pag-scan ng linya hanggang sa TDI
Ang line scan imaging ay isang imaging technique na gumagamit ng isang linya ng mga pixel (tinukoy bilang column, o stage) para kumuha ng slice ng isang imahe habang gumagalaw ang isang sample. Gamit ang mga electrical triggering mechanism, kinukuha ang isang 'slice' ng isang imahe habang ang sample ay pumasa sa sensor. Sa pamamagitan ng pag-scale sa rate ng pag-trigger ng camera upang makuha ang larawan sa hakbang na may sample na paggalaw at paggamit ng isang frame grabber upang makuha ang mga larawang ito, maaari silang pagsama-samahin upang buuin muli ang larawan.
Ang TDI imaging ay bubuo sa prinsipyong ito ng pagkuha ng larawan ng isang sample, gayunpaman, ay gumagamit ng maraming yugto upang madagdagan ang bilang ng mga photoelectron na nakunan. Habang dumadaan ang sample sa bawat yugto, mas maraming impormasyon ang kinokolekta at idinaragdag sa mga umiiral na photoelectron na nakuha ng mga naunang yugto at sina-shuffle sa katulad na proseso sa mga aparatong CCD. Habang ang sample ay pumasa sa huling yugto, ang mga nakolektang photoelectron ay ipinapadala sa isang readout, at ang pinagsamang signal sa buong saklaw ay ginagamit upang makabuo ng isang slice ng imahe. Sa Figure 1, ipinapakita ang pagkuha ng larawan sa isang device na may limang TDI column (stages).
Figure 1: isang animated na halimbawa ng pagkuha ng larawan gamit ang teknolohiyang TDI. Ang isang sample (asul na T) ay ipinapasa sa isang TDI image capture device (isang column na 5 pixels, 5 TDI stages), at ang mga photoelectron ay kinukuha sa bawat stage at idinaragdag sa signal level. Kino-convert ito ng isang readout sa isang digital na imahe.
1a: Ang imahe (asul na T) ay ipinakilala sa entablado; ang T ay gumagalaw tulad ng ipinapakita sa device.
1b: Habang ang T ay pumasa sa unang yugto, ang TDI camera ay na-trigger na tumanggap ng mga photoelectron na nakukuha ng mga pixel habang sila ay tumama sa unang yugto sa TDI sensor. Ang bawat column ay may serye ng mga pixel na kumukuha ng mga photoelectron nang paisa-isa.
1c: Ang mga nakunan na photoelectron na ito ay ini-shuffle sa ikalawang yugto, kung saan itinutulak ng bawat column ang antas ng signal nito sa susunod na yugto.
1d: Sa oras na may paggalaw ng sample na isang-pixel na distansya, ang pangalawang hanay ng mga photoelectron ay nakunan sa ikalawang yugto, at idinagdag sa mga naunang nakunan, na nagpapataas ng signal. Sa yugto 1, isang bagong hanay ng mga photoelectron ang nakunan, na tumutugma sa susunod na hiwa ng pagkuha ng larawan.
1e: Ang mga proseso ng pagkuha ng larawan na inilarawan sa yugto 1d ay paulit-ulit habang ang imahe ay gumagalaw lampas sa sensor. Bumubuo ito ng signal mula sa mga photoelectron mula sa mga yugto. Ang signal ay ipinapasa sa isang readout, na nagko-convert ng photoelectron signal sa isang digital readout.
1f: Ang digital readout ay ipinapakita bilang isang column ng imahe ayon sa column. Nagbibigay-daan ito para sa digital reconstruction ng isang imahe.
Dahil ang TDI device ay may kakayahang sabay-sabay na pagpasa ng mga photoelectron mula sa isang yugto patungo sa susunod, at pagkuha ng mga bagong photoelectron mula sa unang yugto habang ang sample ay gumagalaw, ang imahe ay maaaring maging epektibong walang katapusan sa bilang ng mga row na nakuha. Ang mga rate ng pag-trigger, na tumutukoy sa dami ng beses na naganap ang pagkuha ng larawan (fig 1a), ay maaaring nasa pagkakasunud-sunod ng daan-daang kHz.
Sa halimbawa ng Figure 2, isang 29 x 17 mm microscope slide ang nakunan sa loob ng 10.1 segundo gamit ang 5 µm pixel TDI camera. Kahit na sa makabuluhang antas ng pag-zoom, ang antas ng blur ay minimal. Ito ay kumakatawan sa isang malaking pag-unlad sa mga nakaraang henerasyon ng teknolohiyang ito.
Para sa karagdagang detalye, ang Talahanayan 1 ay nagpapakita ng kinatawan ng oras ng imaging para sa isang serye ng mga karaniwang laki ng sample sa 10, 20, at 40 x zoom.
Larawan 2: Isang imahe ng fluorescent sample na nakunan gamit ang Tucsen 9kTDI. Exposure 10 ms, capture time 10.1 s.
Talahanayan 1: Matrix ng oras ng pagkuha ng iba't ibang laki ng sample (segundo) gamit ang Tucsen 9kTDI camera sa isang Zaber MVR series na motorized stage sa 10, 20, at 40 x para sa 1 at 10 ms exposure time.
Area scan imaging
Ang area scan imaging sa mga sCMOS camera ay nagsasangkot ng pagkuha ng isang buong imahe nang sabay-sabay gamit ang isang 2-dimensional na hanay ng mga pixel. Ang bawat pixel ay kumukuha ng liwanag, na kino-convert ito sa mga de-koryenteng signal para sa agarang pagproseso at pagbuo ng isang kumpletong imahe na may mataas na resolution at bilis. Ang laki ng isang imahe na maaaring makuha sa isang pagkakalantad ay pinamamahalaan ng laki ng pixel, ang pag-magnify, at ang bilang ng mga pixel sa isang array, bawat (1)
Para sa isang karaniwang array, ang field ng view ay ibinibigay ng (2)
Sa mga pagkakataon kung saan ang isang sample ay masyadong malaki para sa field ng view ng isang camera, ang isang imahe ay maaaring mabuo sa pamamagitan ng paghihiwalay sa imahe sa isang grid ng mga larawan ng laki ng field ng view. Ang pagkuha ng mga larawang ito ay sumusunod sa isang pattern, kung saan ang entablado ay lilipat sa isang posisyon sa grid, ang entablado ay maaayos, at pagkatapos ay ang larawan ay kukunan. Sa mga rolling shutter camera, may karagdagang oras ng paghihintay habang umiikot ang shutter. Ang mga larawang ito ay maaaring makuha sa pamamagitan ng paglipat ng posisyon ng camera at pagsasama-sama ng mga ito. Ang Figure 3 ay nagpapakita ng isang malaking imahe ng isang cell ng tao sa ilalim ng fluorescence microscopy na nabuo sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng 16 na mas maliliit na imahe.
Figure 3: Isang slide ng isang cell ng tao na nakunan ng isang area scan camera gamit ang tile at stitch imaging.
Sa pangkalahatan, ang pagresolba ng mas malaking detalye ay mangangailangan ng mas maraming larawan na mabuo at magkakasama sa ganitong paraan. Isang solusyon dito ay ang pag-empleyomalaking format na pag-scan ng camera, na may malalaking sensor na may mataas na bilang ng pixel, kasabay ng mga dalubhasang optika, na nagbibigay-daan para sa mas malaking dami ng detalye na makuha.
Paghahambing sa pagitan ng TDI at pag-scan ng lugar (Tile at Stitch)
Para sa malalaking lugar na pag-scan ng mga sample, parehong Tile & Stitch at TDI scanning ay naaangkop na mga solusyon, gayunpaman sa pamamagitan ng pagpili ng pinakamahusay na paraan, posibleng bawasan ang oras na kinakailangan upang mai-scan ang isang sample nang malaki. Ang pagtitipid sa oras na ito ay nabuo sa pamamagitan ng kakayahan ng TDI scanning na kumuha ng gumagalaw na sample; pag-aalis ng mga pagkaantala na nauugnay sa pag-aayos ng entablado at timing ng rolling shutter na nauugnay sa tile at stitch imaging.
Inihahambing ng Figure 4 ang mga paghinto (berde) at paggalaw (mga itim na linya) na kinakailangan upang makakuha ng larawan ng isang cell ng tao sa parehong tile at stitch (kaliwa), at TDI (kanan) na pag-scan. Sa pamamagitan ng pag-alis ng pangangailangan na ihinto at muling ihanay ang imahe sa TDI imaging, posibleng bawasan nang malaki ang oras ng imaging, na nagbibigay ng oras ng pagkakalantad ay mababa <100 ms.
Ang talahanayan 2 ay nagpapakita ng isang nagtrabahong halimbawa ng pag-scan sa pagitan ng isang 9k TDI at isang karaniwang sCMOS camera.
Figure 4: Isang scanning motif ng pagkuha ng isang cell ng tao sa ilalim ng fluorescence na nagpapakita ng tile at stitch (kaliwa) at TDI imaging (kanan).
Talahanayan 2: Paghahambing ng area scan at TDI imaging para sa 15 x 15 mm na sample na may 10x objective lens at 10 ms exposure time.
Habang ang TDI ay nag-aalok ng kamangha-manghang potensyal para sa pagtaas ng bilis ng pagkuha ng imahe, may mga nuances sa paggamit ng teknolohiyang ito. Para sa mataas na oras ng pagkakalantad (>100 ms), ang kahalagahan ng oras na nawala sa paglipat at pag-aayos ng mga aspeto ng pag-scan ng lugar ay nababawasan kaugnay sa oras ng pagkakalantad. Sa ganitong mga pagkakataon, maaaring mag-alok ang mga area scan camera ng mga pinababang oras ng pag-scan kumpara sa TDI imaging. Upang makita kung ang teknolohiya ng TDI ay maaaring mag-alok sa iyo ng mga benepisyo sa iyong kasalukuyang setup,makipag-ugnayan sa aminpara sa calculator ng paghahambing.
Iba pang mga application
Maraming mga katanungan sa pananaliksik ang nangangailangan ng higit pang impormasyon kaysa sa isang larawan, tulad ng pagkuha ng multichannel o multifocus na imahe.
Ang multichannel imaging sa isang area scan camera ay nagsasangkot ng pagkuha ng mga larawan gamit ang maraming wavelength nang sabay-sabay. Ang mga channel na ito ay karaniwang tumutugma sa iba't ibang wavelength ng liwanag, tulad ng pula, berde, at asul. Ang bawat channel ay kumukuha ng partikular na wavelength o spectral na impormasyon mula sa eksena. Pinagsasama-sama ng camera ang mga channel na ito upang makabuo ng full-color o multispectral na imahe, na nagbibigay ng mas kumpletong view ng eksena na may natatanging spectral na detalye. Sa mga area scan camera, nakakamit ito sa pamamagitan ng mga discrete exposure, gayunpaman, sa TDI imaging, maaaring gamitin ang splitter upang paghiwalayin ang sensor sa maraming bahagi. Ang paghahati ng 9kTDI (45 mm) sa mga 3 x 15.0 mm na sensor ay magiging mas malaki pa rin kaysa sa karaniwang sensor (6.5 µm pixel width, 2048 pixels) na lapad na 13.3 mm. Bukod dito, dahil nangangailangan lamang ang TDI ng pag-iilaw sa bahagi ng sample na kinukunan ng imahe, ang mga pag-scan ay maaaring ma-cycle nang mas mabilis.
Ang isa pang lugar kung saan maaaring ito ang kaso ay sa multi-focus imaging. Ang multifocus imaging sa mga area scan camera ay nagsasangkot ng pagkuha ng maraming mga larawan sa iba't ibang mga distansya ng focus at pagsasama-sama ng mga ito upang lumikha ng isang pinagsama-samang imahe sa buong eksena sa matalim na pokus. Tinutugunan nito ang iba't ibang distansya sa isang eksena sa pamamagitan ng pagsusuri at pagsasama-sama ng mga rehiyong nakatutok mula sa bawat larawan, na nagreresulta sa isang mas detalyadong representasyon ng isang larawan. Muli, sa pamamagitan ng paggamit ng asplitterpara hatiin ang TDI sensor sa dalawa (22.5 mm), o tatlong (15.0 mm) na piraso, posibleng makakuha ng multifocus na imahe nang mas mabilis kaysa sa katumbas ng area scan. Para sa mas mataas na pagkakasunud-sunod na multifocus (z stack na 6 o higit pa) gayunpaman, ang area scan ay malamang na manatiling pinakamabilis na pamamaraan ng imaging.
Mga konklusyon
Binabalangkas ng teknikal na tala na ito ang mga pagkakaiba sa pagitan ng pag-scan ng lugar at teknolohiya ng TDI para sa pag-scan ng malalaking lugar. Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng line scanning at sCMOS sensitivity, nakakamit ng TDI ang mabilis, mataas na kalidad na imaging nang walang mga pagkaantala, na lumalampas sa mga tradisyonal na paraan ng pag-scan sa lugar tulad ng tile at stitch. Tayahin ang mga pakinabang ng paggamit ng aming online na calculator, isinasaalang-alang ang iba't ibang mga pagpapalagay na nakabalangkas sa dokumentong ito. Ang TDI ay nakatayo bilang isang makapangyarihang tool para sa mahusay na imaging na may malaking potensyal para sa pagbabawas ng mga oras ng imaging sa parehong standard at advanced na mga diskarte sa imaging.Kung gusto mong makita kung ang TDI camera o area scan camera ay maaaring tumugma sa iyong aplikasyon at mapahusay ang iyong oras ng pagkuha, makipag-ugnayan sa amin ngayon.
