23/10/10Часова затримка та інтегрування (TDI) – це метод захоплення зображень, побудований на принципі лінійного сканування, де захоплюється серія одновимірних зображень для створення зображення шляхом синхронізації руху зразка та захоплення фрагмента зображення шляхом запуску. Хоча ця технологія існує вже десятиліттями, вона зазвичай асоціюється з низькочутливими застосуваннями, такими як інспекція полотна.
Нове покоління камер поєднало чутливість sCMOS-транзисторів зі швидкістю TDI, що забезпечує отримання зображень такої ж якості, як і сканування площини, але з потенціалом для на порядок швидшої обробки. Це особливо очевидно в ситуаціях, коли потрібне отримання зображень великих зразків в умовах низької освітленості. У цій технічній нотатці ми описуємо, як працює TDI-сканування, і порівнюємо час захоплення зображення з порівнянною технікою сканування великих площ, а саме мозаїчно-стібковою візуалізацією.
Від лінійного сканування до TDI
Лінійне сканування зображення – це метод візуалізації, який використовує один рядок пікселів (який називається колонкою або предметною платформою) для отримання фрагмента зображення під час руху зразка. За допомогою електричних механізмів запуску робиться один «фрагмент» зображення, коли зразок проходить повз датчик. Масштабуючи частоту спрацьовування камери для захоплення зображення в такт руху зразка та використовуючи захоплювач кадрів для захоплення цих зображень, їх можна об'єднати для реконструкції зображення.
TDI-візуалізація базується на цьому принципі захоплення зображення зразка, проте використовує кілька етапів для збільшення кількості захоплених фотоелектронів. Коли зразок проходить кожен етап, збирається більше інформації, яка додається до існуючих фотоелектронів, захоплених попередніми етапами, і перетасовується за аналогічним процесом, як і в CCD-пристроях. Коли зразок проходить останній етап, зібрані фотоелектрони надсилаються на зчитування, а інтегрований сигнал по всьому діапазону використовується для створення зрізу зображення. На рисунку 1 показано захоплення зображення на пристрої з п'ятьма TDI-колонками (етапами).
Рисунок 1: анімований приклад захоплення зображення за допомогою технології TDI. Зразок (синій T) пропускається через пристрій захоплення зображення TDI (стовпець із 5 пікселів, 5 каскадів TDI), і фотоелектрони захоплюються на кожному каскаді та додаються до рівня сигналу. Зчитування перетворює це зображення на цифрове.
1a: Зображення (синя літера T) вводиться на сцену; T рухається, як показано на пристрої.
1b: Коли T проходить перший етап, TDI-камера спрацьовує для прийняття фотоелектронів, які захоплюються пікселями, коли вони потрапляють на перший етап на TDI-сенсорі. Кожен стовпець має серію пікселів, які окремо захоплюють фотоелектрони.
1c: Ці захоплені фотоелектрони перемішуються на другий каскад, де кожен стовпець переміщує свій рівень сигналу на наступний каскад.
1d: У такт руху зразка на відстань одного пікселя, на другому етапі захоплюється другий набір фотоелектронів, який додається до попередньо захоплених, збільшуючи сигнал. На етапі 1 захоплюється новий набір фотоелектронів, що відповідає наступному фрагменту захоплення зображення.
1e: Процеси захоплення зображення, описані на етапі 1d, повторюються, коли зображення рухається повз датчик. Це формує сигнал з фотоелектронів з етапів. Сигнал передається на зчитувальний пристрій, який перетворює сигнал фотоелектронів на цифровий.
1f: Цифровий показник відображається у вигляді зображення по стовпцях. Це дозволяє виконувати цифрову реконструкцію зображення.
Оскільки пристрій TDI здатний одночасно пропускати фотоелектрони з одного каскаду на наступний та захоплювати нові фотоелектрони з першого каскаду, поки зразок рухається, зображення може бути фактично нескінченним за кількістю захоплених рядків. Частота спрацьовування, яка визначає кількість разів захоплення зображення (рис. 1a), може бути порядку сотень кГц.
У прикладі, представленому на рисунку 2, предметне скло розміром 29 x 17 мм було знято за 10,1 секунди за допомогою 5-мікронної TDI-камери. Навіть за значних рівнів масштабування рівень розмиття мінімальний. Це являє собою величезний прогрес у порівнянні з попередніми поколіннями цієї технології.
Для отримання додаткової інформації, у Таблиці 1 наведено репрезентативний час візуалізації для серії зразків поширених розмірів при 10-, 20- та 40-кратному збільшенні.
Рисунок 2: Зображення флуоресцентного зразка, отримане за допомогою Tucsen 9kTDI. Експозиція 10 мс, час захоплення 10,1 с.
Таблиця 1: Матриця часу захоплення зразків різного розміру (секунди) за допомогою камери Tucsen 9kTDI на моторизованому столику Zaber серії MVR при збільшенні 10, 20 та 40 x для часу експозиції 1 та 10 мс.
Зображення площинного сканування
Зображення з площинним скануванням у sCMOS-камерах передбачає одночасне захоплення всього зображення за допомогою двовимірного масиву пікселів. Кожен піксель захоплює світло, перетворюючи його на електричні сигнали для негайної обробки та формування повного зображення з високою роздільною здатністю та швидкістю. Розмір зображення, яке можна отримати за одну експозицію, визначається розміром пікселя, збільшенням та кількістю пікселів у масиві на (1)
Для стандартної антенної решітки поле зору визначається як (2)
У випадках, коли зразок занадто великий для поля зору камери, зображення можна створити, розділивши його на сітку зображень розміром з поле зору. Захоплення цих зображень відбувається за певним шаблоном, за яким предметний стіл переміщується в певне положення на сітці, стабілізується, а потім відбувається захоплення зображення. У камерах із рухомим затвором є додатковий час очікування, поки затвор обертається. Ці зображення можна отримати, перемістивши положення камери та зшивши їх разом. На рисунку 3 показано велике зображення клітини людини під флуоресцентною мікроскопією, сформоване шляхом зшивання 16 менших зображень.
Рисунок 3: Зображення клітини людини, захопленої камерою сканування площини з використанням мозаїчно-стібкової візуалізації.
Загалом, для розрізнення більшої кількості деталей потрібно буде створити більше зображень та об'єднати їх таким чином. Одним із рішень цієї проблеми є використаннясканування камерою великого формату, який має великі сенсори з високою кількістю пікселів у поєднанні зі спеціалізованою оптикою, що дозволяє захоплювати більшу кількість деталей.
Порівняння між TDI та скануванням області (Tile & Stitch)
Для сканування зразків великої площі підходять як сканування Tile & Stitch, так і сканування TDI, проте, вибравши найкращий метод, можна значно скоротити час, необхідний для сканування зразка. Ця економія часу досягається завдяки здатності сканування TDI захоплювати рухомий зразок; усуваються затримки, пов'язані з осіданням предметного столика та часом ковзання затвора, що виникають під час сканування Tile & Stitch.
На рисунку 4 порівнюються зупинки (зелені) та рухи (чорні лінії), необхідні для отримання зображення клітини людини як під час сканування з використанням тайлового сканування та стібка (ліворуч), так і під час сканування TDI (праворуч). Усуваючи необхідність зупинки та вирівнювання зображення під час TDI-візуалізації, можна значно скоротити час візуалізації, за умови, що час експозиції <100 мс.
У таблиці 2 наведено робочий приклад сканування між 9k TDI та стандартною sCMOS-камерою.
Рисунок 4: Сканувальний мотив захоплення клітини людини під флуоресценцією, що показує зображення з використанням методів плитки та стібка (ліворуч) та TDI (праворуч).
Таблиця 2: Порівняння сканування площі та TDI-зображень для зразка розміром 15 x 15 мм з об'єктивом 10x та експозицією 10 мс.
Хоча TDI пропонує фантастичний потенціал для збільшення швидкості захоплення зображень, існують нюанси використання цієї технології. Для тривалих експозицій (>100 мс) значення часу, втраченого на аспекти переміщення та осідання площинного сканування, зменшується порівняно з часом експозиції. У таких випадках камери площинного сканування можуть пропонувати менший час сканування порівняно зі зображеннями TDI. Щоб дізнатися, чи може технологія TDI запропонувати вам переваги порівняно з вашою поточною конфігурацією,зв'яжіться з намидля калькулятора порівняння.
Інші програми
Багато дослідницьких питань вимагають більше інформації, ніж одне зображення, наприклад, отримання багатоканальних або багатофокусних зображень.
Багатоканальна візуалізація в камері з площинним скануванням передбачає одночасне захоплення зображень з використанням кількох довжин хвиль. Ці канали зазвичай відповідають різним довжинам хвиль світла, таким як червоний, зелений та синій. Кожен канал фіксує певну довжину хвилі або спектральну інформацію зі сцени. Потім камера поєднує ці канали для створення повнокольорового або мультиспектрального зображення, забезпечуючи більш повне уявлення про сцену з чіткими спектральними деталями. У камерах з площинним скануванням це досягається за допомогою дискретної експозиції, проте при TDI-візуалізації для розділення датчика на кілька частин можна використовувати роздільник. Розділення 9kTDI (45 мм) на 3 датчики розміром 15,0 мм все одно буде більшим, ніж стандартний датчик (ширина пікселя 6,5 мкм, 2048 пікселів) шириною 13,3 мм. Більше того, оскільки TDI вимагає освітлення лише тієї частини зразка, що зображується, сканування можна виконувати швидше.
Ще однією сферою, де це може бути так, є багатофокусна візуалізація. Багатофокусна візуалізація в камерах з площинним скануванням передбачає захоплення кількох зображень на різних фокусних відстанях та їх поєднання для створення композитного зображення, на якому вся сцена знаходиться в різкому фокусі. Вона охоплює різні відстані в сцені шляхом аналізу та поєднання областей фокусування з кожного зображення, що призводить до більш детального представлення зображення. Знову ж таки, використовуючирозгалужувачЩоб розділити датчик TDI на дві (22,5 мм) або три (15,0 мм) частини, можливо отримати багатофокусне зображення швидше, ніж еквівалентне сканування площі. Однак для багатофокусного зображення вищого порядку (z-стеки 6 або більше) сканування площі, ймовірно, залишатиметься найшвидшим методом візуалізації.
Висновки
У цій технічній примітці окреслено відмінності між скануванням площини та технологією TDI для сканування великих площин. Поєднуючи лінійне сканування та чутливість sCMOS, TDI досягає швидкого та високоякісного зображення без перерв, перевершуючи традиційні методи сканування площини, такі як мозаїчне та стібкове сканування. Оцініть переваги використання нашого онлайн-калькулятора, враховуючи різні припущення, викладені в цьому документі. TDI є потужним інструментом для ефективної візуалізації з великим потенціалом для скорочення часу візуалізації як у стандартних, так і в передових методах візуалізації.Якщо ви хочете дізнатися, чи може камера TDI або камера для сканування площини підійти для вашого застосування та покращити час захоплення, зв'яжіться з нами сьогодні.
