2023/10/10Zaman gecikmesi ve entegrasyon (TDI), tek boyutlu bir dizi görüntünün yakalanarak, numune hareketinin zamanlanması ve tetikleme yoluyla görüntü diliminin yakalanmasıyla bir görüntü oluşturulduğu, çizgi tarama prensibine dayalı bir görüntü yakalama yöntemidir. Bu teknoloji on yıllardır var olmasına rağmen, genellikle web incelemesi gibi düşük hassasiyetli uygulamalarla ilişkilendirilmiştir.
Yeni nesil kameralar, sCMOS'un hassasiyetini TDI'nin hızıyla birleştirerek, alan taramasına eşdeğer kalitede görüntü yakalama olanağı sunarken, potansiyel olarak kat kat daha hızlı işlem hızı sağlıyor. Bu durum, özellikle düşük ışık koşullarında büyük örneklerin görüntülenmesinin gerektiği durumlarda belirgindir. Bu teknik notta, TDI taramasının nasıl çalıştığını özetliyor ve görüntü yakalama süresini, karşılaştırılabilir geniş alan tarama tekniği olan döşeme ve birleştirme görüntüleme ile karşılaştırıyoruz.
Hat taramasından TDI'ya
Çizgi tarama görüntüleme, bir numune hareket halindeyken görüntünün bir dilimini almak için tek bir piksel çizgisini (sütun veya aşama olarak adlandırılır) kullanan bir görüntüleme tekniğidir. Elektriksel tetikleme mekanizmaları kullanılarak, numune sensörün önünden geçerken görüntünün tek bir 'dilimi' alınır. Kamera tetikleme hızını numune hareketine eş zamanlı olarak görüntüyü yakalayacak şekilde ölçeklendirerek ve bu görüntüleri yakalamak için bir çerçeve yakalayıcı kullanarak, görüntüler birleştirilerek görüntü yeniden oluşturulabilir.
TDI görüntüleme, bir numunenin görüntü yakalama prensibine dayanır, ancak yakalanan fotoelektron sayısını artırmak için birden fazla aşama kullanır. Numune her aşamadan geçerken, 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 sütunu (aşaması) olan bir cihazda görüntü yakalama gösterilmektedir.
Şekil 1: TDI teknolojisi kullanılarak görüntü yakalamanın animasyonlu bir örneği. Bir örnek (mavi T), bir TDI görüntü yakalama cihazının (5 pikselden oluşan bir sütun, 5 TDI aşaması) üzerinden geçirilir ve her aşamada fotoelektronlar yakalanarak sinyal seviyesine eklenir. Bir okuma işlemi bunu dijital bir görüntüye dönüştürür.
1a: Sahneye (mavi bir T harfi) görseli getirilir; T harfi, cihazda gösterildiği gibi hareket halindedir.
1b: T, ilk aşamayı geçtiğinde, TDI kamera, TDI sensöründeki ilk aşamaya çarpan pikseller tarafından yakalanan fotoelektronları kabul etmek üzere tetiklenir. Her sütun, fotoelektronları ayrı ayrı yakalayan bir dizi piksele sahiptir.
1c: Yakalanan bu fotoelektronlar ikinci aşamaya aktarılır ve her sütun sinyal seviyesini bir sonraki aşamaya iletir.
1d: Örnekteki tek piksellik mesafenin hareketine eş zamanlı olarak, ikinci aşamada ikinci bir fotoelektron seti yakalanır ve daha önce yakalananlara eklenerek sinyal artırılır. Birinci aşamada, bir sonraki görüntü dilimine karşılık gelen yeni bir fotoelektron seti yakalanır.
1e: 1d aşamasında açıklanan görüntü yakalama işlemleri, görüntü sensörün önünden geçerken tekrarlanır. Bu, aşamalardan gelen fotoelektronlardan bir sinyal oluşturur. Sinyal, fotoelektron sinyalini dijital bir okumaya dönüştüren bir okuma ünitesine iletilir.
1f: Dijital okuma, sütun sütun görüntü olarak gösterilir. Bu, görüntünün dijital olarak yeniden oluşturulmasına olanak tanır.
TDI cihazı, fotoelektronları bir aşamadan diğerine eş zamanlı olarak aktarabilme ve numune hareket halindeyken ilk aşamadan yeni fotoelektronları yakalayabilme özelliğine sahip olduğundan, yakalanan satır sayısı bakımından görüntü fiilen sonsuz olabilir. Görüntü yakalamanın (şekil 1a) gerçekleşme sayısını belirleyen tetikleme hızları, yüzlerce kHz mertebesinde olabilir.
Şekil 2'deki örnekte, 29 x 17 mm'lik bir mikroskop lamı, 5 µm piksel TDI kamera kullanılarak 10,1 saniyede görüntülendi. Önemli yakınlaştırma seviyelerinde bile bulanıklık düzeyi minimum düzeydedir. Bu, bu teknolojinin önceki nesillerine kıyasla büyük bir ilerlemeyi temsil etmektedir.
Daha ayrıntılı bilgi için, Tablo 1'de 10, 20 ve 40 kat büyütme oranlarında bir dizi yaygın örnek boyutu için temsili görüntüleme süreleri gösterilmektedir.
Şekil 2: Tucsen 9kTDI kullanılarak yakalanan floresan bir numunenin görüntüsü. Pozlama 10 ms, yakalama süresi 10,1 s.
Tablo 1: 1 ve 10 ms pozlama süreleri için 10, 20 ve 40x büyütme oranlarında Zaber MVR serisi motorlu platform üzerinde Tucsen 9kTDI kamera kullanılarak farklı örnek boyutlarının (saniye) yakalama sürelerinin matrisi.
Alan tarama görüntüleme
sCMOS kameralarda alan tarama görüntüleme, 2 boyutlu bir piksel dizisi kullanarak tüm görüntüyü eş zamanlı olarak yakalamayı içerir. Her piksel ışığı yakalar, anında işlenmek üzere elektrik sinyallerine dönüştürür ve yüksek çözünürlük ve hızda eksiksiz bir görüntü oluşturur. Tek bir pozlamada yakalanabilen görüntünün boyutu, piksel boyutu, büyütme ve dizideki piksel sayısı tarafından belirlenir.1)
Standart bir dizi için görüş alanı şu şekilde verilir: (2)
Bir numunenin kameranın görüş alanına sığmayacak kadar büyük olduğu durumlarda, görüntü, görüş alanının boyutunda bir görüntü ızgarasına bölünerek oluşturulabilir. Bu görüntülerin yakalanması belirli bir düzene göre gerçekleşir: tabla ızgara üzerindeki bir konuma hareket eder, tabla sabitlenir ve ardından görüntü yakalanır. Döner deklanşörlü kameralarda, deklanşör dönerken ek bir bekleme süresi vardır. Bu görüntüler, kamera konumunu değiştirerek ve bunları birleştirerek yakalanabilir. Şekil 3, 16 küçük görüntünün birleştirilmesiyle oluşturulmuş, floresan mikroskopi altında bir insan hücresinin büyük bir görüntüsünü göstermektedir.
Şekil 3: Döşeme ve birleştirme görüntüleme yöntemi kullanılarak alan tarama kamerasıyla yakalanan bir insan hücresinin görüntüsü.
Genel olarak, daha fazla ayrıntı elde etmek için daha fazla görüntünün oluşturulması ve bu şekilde birleştirilmesi gerekecektir. Bunun bir çözümü ise şu yöntemden yararlanmaktır:geniş formatlı kamera taramasıYüksek piksel sayısına sahip büyük sensörleri ve özel optikleri sayesinde daha fazla ayrıntı yakalanabiliyor.
TDI ve alan tarama (Karo ve Birleştirme) yöntemlerinin karşılaştırılması
Geniş alanlı numune taraması için hem Tile & Stitch hem de TDI tarama yöntemleri uygun çözümlerdir; ancak en iyi yöntemi seçerek, bir numunenin taranması için gereken süreyi önemli ölçüde azaltmak mümkündür. Bu zaman tasarrufu, TDI tarama yönteminin hareketli bir numuneyi yakalayabilme özelliğinden kaynaklanır; Tile & Stitch görüntüleme yönteminde görülen tabla yerleşimi ve deklanşör zamanlamasıyla ilgili gecikmeleri ortadan kaldırır.
Şekil 4, hem döşeme ve birleştirme (solda) hem de TDI (sağda) tarama yöntemlerinde insan hücresinin görüntüsünü yakalamak için gereken duraklamaları (yeşil) ve hareketleri (siyah çizgiler) karşılaştırmaktadır. TDI görüntülemede durdurma ve görüntüyü yeniden hizalama ihtiyacını ortadan kaldırarak, pozlama süresi düşük (<100 ms) olmak koşuluyla görüntüleme süresini önemli ölçüde azaltmak mümkündür.
Tablo 2, 9k TDI ile standart bir sCMOS kamera arasında tarama işleminin örnek bir uygulamasını göstermektedir.
Şekil 4: Floresans altında insan hücresinin yakalanmasına ait tarama motifi; karo ve birleştirme (solda) ve TDI görüntüleme (sağda) gösterilmektedir.
Tablo 2: 10x objektif lens ve 10 ms pozlama süresi ile 15 x 15 mm'lik bir örnek için alan taraması ve TDI görüntülemesinin karşılaştırılması.
TDI, görüntü yakalama hızında muazzam bir artış potansiyeli sunarken, bu teknolojinin kullanımında bazı incelikler de bulunmaktadır. Yüksek pozlama süreleri (>100 ms) için, alan taramasının hareket ve yerleşme aşamalarında kaybedilen zamanın önemi, pozlama süresine göre azalır. Bu gibi durumlarda, alan tarama kameraları, TDI görüntülemeye kıyasla daha kısa tarama süreleri sunabilir. TDI teknolojisinin mevcut kurulumunuza göre size fayda sağlayıp sağlayamayacağını görmek için,bize Ulaşınkarşılaştırma hesap makinesi için.
Diğer uygulamalar
Birçok araştırma sorusu, tek bir görüntüden daha fazla bilgi gerektirir; örneğin çok kanallı veya çok odaklı görüntü elde etme yöntemleri.
Alan tarama kameralarında çok kanallı görüntüleme, aynı anda birden fazla dalga boyu kullanılarak görüntü yakalamayı içerir. Bu kanallar tipik olarak 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 spektrumlu bir görüntü oluşturur ve sahnenin daha kapsamlı bir görünümünü, belirgin spektral ayrıntılarla sağlar. Alan tarama kameralarında bu, ayrı pozlamalarla elde edilir; ancak TDI görüntülemede, sensörü birden fazla parçaya ayırmak için bir ayırıcı kullanılabilir. 9kTDI (45 mm) sensörünü 3 x 15,0 mm sensöre bölmek, standart bir sensörün (6,5 µm piksel genişliği, 2048 piksel) 13,3 mm genişliğinden daha büyük olacaktır. Dahası, TDI yalnızca görüntülenen numunenin kısmına aydınlatma gerektirdiğinden, taramalar daha hızlı bir şekilde döngüye alınabilir.
Bu durumun söz konusu olabileceği bir diğer alan ise çok odaklı görüntülemedir. Alan tarama kameralarındaki çok odaklı görüntüleme, farklı odak mesafelerinde birden fazla görüntü yakalamayı ve bunları birleştirerek tüm sahnenin net bir şekilde odaklandığı bir kompozit görüntü oluşturmayı içerir. Her görüntüden odaklanmış bölgeleri analiz edip birleştirerek sahnedeki farklı mesafeleri ele alır ve görüntünün daha ayrıntılı bir temsilini sağlar. Yine, birayırıcıTDI sensörünü iki (22,5 mm) veya üç (15,0 mm) parçaya bölmek, alan taramasına eşdeğer bir yönteme göre çok odaklı bir görüntüyü daha hızlı elde etmeyi mümkün kılabilir. Bununla birlikte, daha yüksek dereceli çok odaklı görüntülerde (6 veya daha fazla z yığını), alan taraması muhtemelen en hızlı görüntüleme tekniği olarak kalacaktır.
Sonuçlar
Bu teknik not, geniş alan taraması için alan tarama ve TDI teknolojisi arasındaki farkları özetlemektedir. Çizgi tarama ve sCMOS hassasiyetini birleştirerek, TDI kesintisiz, hızlı ve yüksek kaliteli görüntüleme sağlar ve döşeme ve birleştirme gibi geleneksel alan tarama yöntemlerini geride bırakır. Bu belgede özetlenen çeşitli varsayımları dikkate alarak çevrimiçi hesaplayıcımızı kullanmanın avantajlarını değerlendirin. TDI, hem standart hem de gelişmiş görüntüleme tekniklerinde görüntüleme sürelerini azaltma potansiyeli yüksek, verimli görüntüleme için güçlü bir araçtır.TDI kamera veya alan tarama kamerasının uygulamanıza uygun olup olmadığını ve çekim sürenizi iyileştirip iyileştirmeyeceğini öğrenmek isterseniz, bugün bizimle iletişime geçin.
