23/10/10Zaman gecikmesi ve entegrasyon (TDI), bir dizi tek boyutlu görüntünün, örnek hareketinin zamanlanması ve tetikleme yoluyla görüntü dilimi yakalama yoluyla bir görüntü oluşturmak üzere çizgi tarama prensibine dayanan bir görüntü yakalama yöntemidir. Bu teknoloji onlarca yıldır mevcut olmasına rağmen, genellikle ağ denetimi gibi düşük hassasiyetli uygulamalarla ilişkilendirilmiştir.
Yeni nesil kameralar, sCMOS hassasiyetini TDI hızıyla birleştirerek alan taramasıyla aynı kalitede görüntü yakalama olanağı sunarken, çok daha hızlı bir işlem hacmi potansiyeli de sunuyor. Bu durum, özellikle düşük ışık koşullarında büyük örneklerin görüntülenmesinin gerektiği durumlarda belirginleşiyor. Bu teknik notta, TDI taramasının nasıl çalıştığını özetliyor ve görüntü yakalama süresini benzer bir geniş alan tarama tekniği olan döşeme ve birleştirme görüntülemeyle karşılaştırıyoruz.
Çizgi taramadan TDI'ya
Çizgi taramalı görüntüleme, hareket halindeki bir numunenin görüntüsünün bir kesitini almak için tek bir piksel satırı (sütun veya sahne olarak adlandırılır) kullanan bir görüntüleme tekniğidir. Elektriksel tetikleme mekanizmaları kullanılarak, numune sensörden geçerken görüntünün tek bir "kesiti" alınır. Kamera tetikleme hızını numune hareketine göre ölçeklendirerek ve bu görüntüleri yakalamak için bir kare yakalayıcı kullanarak, görüntüyü yeniden oluşturmak için birleştirilebilirler.
TDI görüntüleme, bir numunenin görüntü yakalama prensibine dayanır, ancak yakalanan fotoelektron sayısını artırmak için birden fazla aşama kullanır. Numune her aşamadan geçtikçe, daha fazla bilgi toplanır ve önceki aşamalarda yakalanan mevcut fotoelektronlara eklenir ve CCD cihazlarına benzer bir işlemle karıştırılır. Numune son aşamadan geçerken, toplanan fotoelektronlar bir okuma cihazına gönderilir ve aralık boyunca entegre edilen sinyal, bir görüntü dilimi oluşturmak için kullanılır. Şekil 1'de, beş TDI kolonlu (kademeli) bir cihazda görüntü yakalama gösterilmektedir.
Şekil 1: TDI teknolojisi kullanılarak görüntü yakalamanın animasyonlu bir örneği. Bir numune (mavi T), bir TDI görüntü yakalama cihazından (5 piksellik bir sütun, 5 TDI aşaması) geçirilir ve her aşamada fotoelektronlar yakalanarak sinyal seviyesine eklenir. Bir okuma cihazı bunu dijital görüntüye dönüştürür.
1a: Sahneye görüntü (mavi T) getirilir; T, cihazda gösterildiği gibi hareket halindedir.
1b: T ilk aşamadan geçerken, TDI kamera, TDI sensöründeki ilk aşamaya çarpan pikseller tarafından yakalanan fotoelektronları kabul etmek üzere tetiklenir. Her sütunda, fotoelektronları ayrı ayrı yakalayan bir dizi piksel bulunur.
1c: Yakalanan bu fotoelektronlar ikinci aşamaya taşınır ve burada her sütun sinyal seviyesini bir sonraki aşamaya iter.
1d: Numunenin bir piksellik mesafeye hareketiyle aynı anda, ikinci aşamada ikinci bir fotoelektron seti yakalanır ve daha önce yakalananlara eklenerek sinyal güçlendirilir. 1. aşamada, görüntü yakalama işleminin bir sonraki dilimine karşılık gelen yeni bir fotoelektron seti yakalanır.
1e: 1d aşamasında açıklanan görüntü yakalama işlemleri, görüntü sensörden geçerken tekrarlanır. Bu işlem, aşamalardan gelen fotoelektronlardan bir sinyal oluşturur. Sinyal, fotoelektron sinyalini dijital bir çıktıya dönüştüren bir okuma cihazına aktarılır.
1f: Dijital okuma, sütun sütun görüntü olarak görüntülenir. Bu, görüntünün dijital olarak yeniden oluşturulmasına olanak tanır.
TDI cihazı, fotoelektronları bir aşamadan diğerine eş zamanlı olarak geçirebildiği ve numune hareket halindeyken ilk aşamadan yeni fotoelektronlar yakalayabildiği için, yakalanan görüntü satır sayısı bakımından sonsuz olabilir. Görüntü yakalamanın (Şekil 1a) kaç kez gerçekleştiğini belirleyen tetikleme hızları, yüzlerce kHz mertebesinde olabilir.
Şekil 2 örneğinde, 29 x 17 mm'lik bir mikroskop slaydı, 5 µm piksel TDI kamera kullanılarak 10,1 saniyede çekilmiştir. Önemli yakınlaştırma seviyelerinde bile bulanıklık minimum düzeydedir. Bu, teknolojinin önceki nesillerine göre büyük bir ilerlemeyi temsil etmektedir.
Daha fazla ayrıntı için, Tablo 1'de 10, 20 ve 40 kat yakınlaştırmada bir dizi yaygın örnek boyutu için temsili görüntüleme süresi gösterilmektedir.
Şekil 2: Tucsen 9kTDI kullanılarak yakalanan floresan numunenin görüntüsü. Pozlama 10 ms, yakalama süresi 10,1 sn.
Tablo 1: 10, 20 ve 40 x'te 1 ve 10 ms pozlama süresi için Zaber MVR serisi motorlu bir sahnede Tucsen 9kTDI kamera kullanılarak değişen örnek boyutlarının (saniye) yakalama süresi matrisi.
Alan tarama görüntüleme
sCMOS kameralarda alan taramalı görüntüleme, iki boyutlu bir piksel dizisi kullanılarak tüm görüntünün aynı anda yakalanmasını içerir. Her piksel ışığı yakalar, anında işlenmek üzere elektrik sinyallerine dönüştürür ve yüksek çözünürlük ve hızda eksiksiz bir görüntü oluşturur. Tek bir pozlamada yakalanabilecek bir görüntünün boyutu, piksel boyutuna, büyütmeye ve dizideki piksel sayısına bağlıdır.1)
Standart bir dizi için görüş alanı (2)
Bir örneğin kameranın görüş alanı için çok büyük olduğu durumlarda, görüntü, görüş alanı büyüklüğünde bir görüntü ızgarasına ayrılarak oluşturulabilir. Bu görüntülerin yakalanması, sahnenin ızgara üzerinde bir konuma hareket ettiği, sahnenin yerleştiği ve ardından görüntünün yakalandığı bir düzen izler. Döner deklanşörlü kameralarda, deklanşör dönerken ek bir bekleme süresi vardır. Bu görüntüler, kamera konumunu hareket ettirip birleştirerek yakalanabilir. Şekil 3, 16 küçük görüntünün birleştirilmesiyle oluşturulan floresan mikroskopisi altında bir insan hücresinin büyük bir görüntüsünü göstermektedir.
Şekil 3: Döşeme ve dikiş görüntüleme kullanılarak bir alan tarama kamerası tarafından yakalanan bir insan hücresinin slaydı.
Genel olarak, daha fazla ayrıntıyı çözümlemek için daha fazla görüntünün bu şekilde oluşturulması ve birleştirilmesi gerekecektir. Bu soruna bir çözüm,büyük formatlı kamera taramasıYüksek piksel sayısına sahip büyük sensörler ve özel optiklerle donatılmış olan bu kamera, daha fazla ayrıntının yakalanmasına olanak tanıyor.
TDI ve alan taraması (Tile & Stitch) arasındaki karşılaştırma
Numunelerin geniş alanlı taranması için hem Tile & Stitch hem de TDI tarama uygun çözümlerdir; ancak en iyi yöntemi seçerek, bir numuneyi taramak için gereken süreyi önemli ölçüde azaltmak mümkündür. Bu zaman tasarrufu, TDI taramasının hareketli bir numuneyi yakalayabilmesi sayesinde sağlanır; bu sayede, karo ve dikiş görüntülemeyle ilişkili sahne yerleşimi ve yuvarlanan deklanşör zamanlamasıyla ilişkili gecikmeler ortadan kalkar.
Şekil 4, hem döşeme ve birleştirme (sol) hem de TDI (sağ) taramasında bir insan hücresinin görüntüsünü yakalamak için gereken duraklamaları (yeşil) ve hareketleri (siyah çizgiler) karşılaştırmaktadır. TDI görüntülemede görüntüyü durdurup yeniden hizalama ihtiyacını ortadan kaldırarak, pozlama süresi 100 ms'nin altında tutularak görüntüleme süresini önemli ölçüde azaltmak mümkündür.
Tablo 2'de 9k TDI ile standart sCMOS kamera arasında tarama işleminin çalışılmış bir örneği gösterilmektedir.
Şekil 4: Floresan altında insan hücresinin yakalanmasının tarama motifi, fayans ve dikiş (sol) ve TDI görüntüleme (sağ).
Tablo 2: 10x objektif lens ve 10 ms pozlama süresi ile 15 x 15 mm'lik bir numune için alan taraması ve TDI görüntüleme karşılaştırması.
TDI, görüntü yakalama hızını artırmak için olağanüstü bir potansiyel sunarken, bu teknolojinin kullanımında bazı incelikler vardır. Yüksek pozlama süreleri (>100 ms) için, alan taramasının hareket ve yerleşme yönleriyle kaybedilen zamanın önemi, pozlama süresine göre daha azdır. Bu gibi durumlarda, alan tarama kameraları TDI görüntülemeye kıyasla daha kısa tarama süreleri sunabilir. TDI teknolojisinin mevcut kurulumunuza göre size avantaj sağlayıp sağlayamayacağını görmek için,bize UlaşınKarşılaştırma hesaplayıcısı için.
Diğer uygulamalar
Çok kanallı veya çok odaklı görüntü edinimi gibi birçok araştırma sorusu tek bir görüntüden daha fazla bilgi gerektirir.
Alan taramalı bir kamerada çok kanallı görüntüleme, aynı anda birden fazla dalga boyu kullanılarak görüntü alınmasını içerir. Bu kanallar genellikle kırmızı, yeşil ve mavi gibi farklı ışık dalga boylarına karşılık gelir. Her kanal, sahneden belirli bir dalga boyu veya spektral bilgi yakalar. Kamera daha sonra bu kanalları birleştirerek tam renkli veya çok spektrallı bir görüntü oluşturur ve sahnenin belirgin spektral ayrıntılara sahip daha kapsamlı bir görünümünü sağlar. Alan taramalı kameralarda bu, ayrı pozlamalarla elde edilir; ancak TDI görüntülemede, sensörü birden fazla parçaya ayırmak için bir ayırıcı kullanılabilir. 9kTDI (45 mm) sensörü 3 x 15,0 mm sensöre bölmek, 13,3 mm genişliğindeki standart bir sensörden (6,5 µm piksel genişliği, 2048 piksel) daha büyük olacaktır. Dahası, TDI yalnızca görüntülenen numunenin bir kısmında aydınlatma gerektirdiğinden, taramalar daha hızlı bir şekilde gerçekleştirilebilir.
Bunun geçerli olabileceği bir diğer alan ise çok odaklı görüntülemedir. Alan taramalı kameralarda çok odaklı görüntüleme, farklı odak mesafelerinde birden fazla görüntü yakalamayı ve bunları harmanlayarak tüm sahnenin net bir şekilde odaklandığı bir bileşik görüntü oluşturmayı içerir. Her görüntüden odaktaki bölgeleri analiz edip birleştirerek sahnedeki farklı mesafeleri ele alır ve böylece görüntünün daha ayrıntılı bir temsilini elde eder. Yine, birayırıcıTDI sensörünü iki (22,5 mm) veya üç (15,0 mm) parçaya bölmek, çok odaklı bir görüntüyü alan taramasına kıyasla daha hızlı elde etmeyi mümkün kılabilir. Ancak, daha yüksek mertebeden çok odaklı görüntülerde (6 veya daha fazla z yığını), alan taramasının en hızlı görüntüleme tekniği olmaya devam etmesi muhtemeldir.
Sonuçlar
Bu teknik not, geniş alan tarama için alan tarama ile TDI teknolojisi arasındaki farkları özetlemektedir. Çizgi tarama ve sCMOS hassasiyetini bir araya getiren TDI, kesintisiz hızlı ve yüksek kaliteli görüntüleme sağlayarak, döşeme ve birleştirme gibi geleneksel alan tarama yöntemlerini geride bırakır. Bu belgede belirtilen çeşitli varsayımları göz önünde bulundurarak çevrimiçi hesaplayıcımızı kullanmanın avantajlarını değerlendirin. TDI, hem standart hem de gelişmiş görüntüleme tekniklerinde görüntüleme sürelerini azaltma potansiyeli yüksek, verimli görüntüleme için güçlü bir araçtır.Bir TDI kameranın veya alan tarama kamerasının uygulamanıza uygun olup olmadığını ve yakalama sürenizi iyileştirip iyileştiremeyeceğini görmek istiyorsanız, bugün bizimle iletişime geçin.
