23/10/10Trì hoãn thời gian & Tích hợp (TDI) là một phương pháp chụp ảnh dựa trên nguyên lý quét dòng, trong đó một loạt ảnh một chiều được chụp để tạo ra ảnh bằng cách căn thời gian chuyển động của mẫu và chụp lát cắt ảnh bằng cách kích hoạt. Mặc dù công nghệ này đã tồn tại trong nhiều thập kỷ, nhưng nó thường được sử dụng trong các ứng dụng có độ nhạy thấp, chẳng hạn như kiểm tra web.
Một thế hệ máy ảnh mới đã kết hợp độ nhạy của sCMOS với tốc độ của TDI để mang lại khả năng chụp ảnh chất lượng tương đương với quét vùng nhưng có tiềm năng tăng tốc độ xử lý lên gấp nhiều lần. Điều này đặc biệt rõ ràng trong các trường hợp cần chụp ảnh các mẫu lớn trong điều kiện thiếu sáng. Trong tài liệu kỹ thuật này, chúng tôi trình bày chi tiết cách thức hoạt động của quét TDI và so sánh thời gian chụp ảnh với kỹ thuật quét vùng lớn tương đương, đó là chụp ảnh tile & stitch.
Từ quét dòng đến TDI
Chụp ảnh quét dòng là một kỹ thuật hình ảnh sử dụng một dòng điểm ảnh (được gọi là cột hoặc bàn chụp) để chụp một lát cắt hình ảnh khi mẫu vật đang chuyển động. Sử dụng cơ chế kích hoạt điện, một 'lát cắt' hình ảnh duy nhất được chụp khi mẫu vật đi qua cảm biến. Bằng cách điều chỉnh tốc độ kích hoạt của máy ảnh để chụp ảnh theo chuyển động của mẫu vật và sử dụng bộ thu khung hình để chụp những hình ảnh này, chúng có thể được ghép lại với nhau để tái tạo hình ảnh.
Kỹ thuật chụp ảnh TDI dựa trên nguyên lý chụp ảnh mẫu, tuy nhiên, sử dụng nhiều tầng để tăng số lượng quang điện tử thu được. Khi mẫu đi qua mỗi tầng, thông tin sẽ được thu thập và bổ sung vào các quang điện tử hiện có đã được chụp bởi các tầng trước đó, sau đó được xáo trộn theo quy trình tương tự như trên thiết bị CCD. Khi mẫu đi qua tầng cuối cùng, các quang điện tử thu được sẽ được gửi đến bộ đọc, và tín hiệu tích hợp trên toàn dải được sử dụng để tạo ra một lát cắt ảnh. Hình 1 minh họa quá trình chụp ảnh trên một thiết bị với năm cột TDI (tầng).
Hình 1: Một ví dụ hoạt hình về chụp ảnh bằng công nghệ TDI. Một mẫu (chữ T màu xanh lam) được đưa qua thiết bị chụp ảnh TDI (một cột 5 điểm ảnh, 5 tầng TDI), các quang điện tử được thu thập ở mỗi tầng và được thêm vào mức tín hiệu. Kết quả đọc sẽ chuyển đổi thành hình ảnh kỹ thuật số.
1a: Hình ảnh (chữ T màu xanh) được đưa lên sân khấu; chữ T đang chuyển động như được hiển thị trên thiết bị.
1b: Khi T vượt qua giai đoạn đầu tiên, camera TDI được kích hoạt để tiếp nhận các quang điện tử được các điểm ảnh chụp lại khi chúng chạm vào giai đoạn đầu tiên trên cảm biến TDI. Mỗi cột có một chuỗi các điểm ảnh chụp từng quang điện tử riêng lẻ.
1c: Các electron quang điện được thu giữ này được xáo trộn sang giai đoạn thứ hai, tại đó mỗi cột đẩy mức tín hiệu của nó lên giai đoạn tiếp theo.
1d: Theo thời gian chuyển động của khoảng cách một pixel mẫu, một bộ quang điện tử thứ hai được thu thập ở giai đoạn hai và được thêm vào các bộ đã thu thập trước đó, làm tăng tín hiệu. Ở giai đoạn 1, một bộ quang điện tử mới được thu thập, tương ứng với lát cắt tiếp theo của ảnh được thu thập.
1e: Các quy trình chụp ảnh được mô tả trong giai đoạn 1d được lặp lại khi hình ảnh di chuyển qua cảm biến. Quá trình này tạo ra tín hiệu từ các quang điện tử từ các giai đoạn. Tín hiệu được truyền đến bộ đọc, bộ đọc này chuyển đổi tín hiệu quang điện tử thành tín hiệu số.
1f: Dữ liệu kỹ thuật số được hiển thị dưới dạng hình ảnh theo từng cột. Điều này cho phép tái tạo hình ảnh kỹ thuật số.
Vì thiết bị TDI có khả năng đồng thời truyền các quang điện tử từ tầng này sang tầng khác và thu thập các quang điện tử mới từ tầng đầu tiên trong khi mẫu đang chuyển động, nên hình ảnh có thể được chụp vô hạn về số lượng hàng. Tần số kích hoạt, quyết định số lần chụp ảnh (hình 1a), có thể lên đến hàng trăm kHz.
Trong ví dụ ở Hình 2, một tiêu bản kính hiển vi 29 x 17 mm được chụp trong 10,1 giây bằng camera TDI 5 µm pixel. Ngay cả ở mức zoom đáng kể, độ mờ vẫn rất nhỏ. Đây là một bước tiến vượt bậc so với các thế hệ công nghệ trước đây.
Để biết thêm chi tiết, Bảng 1 hiển thị thời gian chụp ảnh đại diện cho một loạt kích thước mẫu phổ biến ở mức phóng đại 10, 20 và 40 lần.
Hình 2: Hình ảnh mẫu huỳnh quang được chụp bằng Tucsen 9kTDI. Thời gian phơi sáng 10 ms, thời gian chụp 10,1 giây.
Bảng 1: Ma trận thời gian chụp của các kích thước mẫu khác nhau (giây) bằng camera Tucsen 9kTDI trên bàn chụp cơ giới dòng Zaber MVR ở tốc độ 10, 20 và 40 lần trong thời gian phơi sáng 1 và 10 ms.
Chụp ảnh quét khu vực
Chụp ảnh quét vùng trong máy ảnh sCMOS bao gồm việc chụp toàn bộ hình ảnh đồng thời bằng một mảng điểm ảnh hai chiều. Mỗi điểm ảnh thu nhận ánh sáng, chuyển đổi thành tín hiệu điện để xử lý ngay lập tức và tạo thành một hình ảnh hoàn chỉnh với độ phân giải và tốc độ cao. Kích thước hình ảnh có thể chụp trong một lần phơi sáng được quyết định bởi kích thước điểm ảnh, độ phóng đại và số lượng điểm ảnh trong một mảng, theo (1)
Đối với một mảng chuẩn, trường nhìn được đưa ra bởi (2)
Trong trường hợp mẫu quá lớn so với trường nhìn của máy ảnh, hình ảnh có thể được tạo ra bằng cách chia hình ảnh thành một lưới các ảnh có kích thước bằng trường nhìn. Việc chụp những hình ảnh này tuân theo một quy trình, trong đó bệ mẫu sẽ di chuyển đến một vị trí trên lưới, bệ mẫu sẽ ổn định, và sau đó hình ảnh sẽ được chụp. Trong máy ảnh màn trập lăn, có thêm thời gian chờ trong khi màn trập xoay. Những hình ảnh này có thể được chụp bằng cách di chuyển vị trí máy ảnh và ghép chúng lại với nhau. Hình 3 cho thấy hình ảnh lớn của một tế bào người dưới kính hiển vi huỳnh quang được tạo thành bằng cách ghép 16 hình ảnh nhỏ hơn lại với nhau.
Hình 3: Một lát cắt của tế bào người được chụp bằng camera quét vùng sử dụng kỹ thuật ghép và khâu.
Nhìn chung, việc giải quyết chi tiết hơn sẽ đòi hỏi phải tạo ra nhiều hình ảnh hơn và ghép chúng lại với nhau theo cách này. Một giải pháp cho vấn đề này là sử dụngquét camera khổ lớn, có cảm biến lớn với số lượng điểm ảnh cao, kết hợp với quang học chuyên dụng, cho phép chụp được nhiều chi tiết hơn.
So sánh giữa quét TDI và quét vùng (Tile & Stitch)
Đối với việc quét mẫu diện tích lớn, cả quét Tile & Stitch và quét TDI đều là giải pháp phù hợp, tuy nhiên, bằng cách lựa chọn phương pháp tốt nhất, có thể giảm đáng kể thời gian quét mẫu. Việc tiết kiệm thời gian này đến từ khả năng quét TDI để bắt được mẫu đang di chuyển; loại bỏ độ trễ liên quan đến việc ổn định bàn mẫu và thời gian màn trập lăn thường gặp ở chụp ảnh Tile & Stitch.
Hình 4 so sánh các điểm dừng (màu xanh lá cây) và các chuyển động (đường màu đen) cần thiết để chụp ảnh tế bào người trong cả quét tile & stitch (trái) và TDI (phải). Bằng cách loại bỏ nhu cầu dừng và căn chỉnh lại hình ảnh trong chụp ảnh TDI, có thể giảm đáng kể thời gian chụp, với điều kiện thời gian phơi sáng thấp <100 ms.
Bảng 2 cho thấy một ví dụ thực tế về quá trình quét giữa camera 9k TDI và camera sCMOS tiêu chuẩn.
Hình 4: Mô-típ quét của quá trình bắt giữ tế bào người dưới huỳnh quang cho thấy hình ảnh gạch và mũi khâu (trái) và hình ảnh TDI (phải).
Bảng 2: So sánh quét diện tích và hình ảnh TDI cho mẫu 15 x 15 mm với ống kính vật kính 10x và thời gian phơi sáng 10 ms.
Mặc dù TDI mang lại tiềm năng tuyệt vời trong việc tăng tốc độ chụp ảnh, nhưng việc sử dụng công nghệ này cũng có những điểm khác biệt. Đối với thời gian phơi sáng cao (>100 ms), ý nghĩa của thời gian bị mất do các khía cạnh chuyển động và ổn định của quét vùng sẽ giảm so với thời gian phơi sáng. Trong những trường hợp như vậy, camera quét vùng có thể cung cấp thời gian quét ngắn hơn so với chụp ảnh TDI. Để xem liệu công nghệ TDI có thể mang lại lợi ích gì so với thiết lập hiện tại của bạn,liên hệ với chúng tôiđể có máy tính so sánh.
Các ứng dụng khác
Nhiều câu hỏi nghiên cứu đòi hỏi nhiều thông tin hơn một hình ảnh đơn lẻ, chẳng hạn như thu thập hình ảnh đa kênh hoặc đa tiêu điểm.
Chụp ảnh đa kênh trong camera quét vùng bao gồm việc chụp ảnh bằng nhiều bước sóng đồng thời. Các kênh này thường tương ứng với các bước sóng ánh sáng khác nhau, chẳng hạn như đỏ, lục và lam. Mỗi kênh chụp thông tin về bước sóng hoặc quang phổ cụ thể từ hiện trường. Sau đó, camera kết hợp các kênh này để tạo ra hình ảnh đầy đủ màu sắc hoặc đa quang phổ, cung cấp chế độ xem toàn diện hơn về hiện trường với các chi tiết quang phổ riêng biệt. Trong camera quét vùng, điều này đạt được bằng cách phơi sáng riêng biệt, tuy nhiên, với hình ảnh TDI, có thể sử dụng bộ chia để tách cảm biến thành nhiều phần. Việc chia một cảm biến 9kTDI (45 mm) thành 3 cảm biến 15,0 mm vẫn sẽ lớn hơn cảm biến tiêu chuẩn (chiều rộng pixel 6,5 µm, 2048 pixel) có chiều rộng 13,3 mm. Hơn nữa, vì TDI chỉ yêu cầu chiếu sáng trên phần mẫu được chụp ảnh, nên các lần quét có thể được thực hiện nhanh hơn.
Một lĩnh vực khác có thể áp dụng điều này là hình ảnh đa tiêu điểm. Hình ảnh đa tiêu điểm trong máy ảnh quét vùng bao gồm việc chụp nhiều ảnh ở các khoảng cách lấy nét khác nhau và kết hợp chúng để tạo ra một ảnh tổng hợp với toàn bộ cảnh được lấy nét rõ nét. Nó xử lý các khoảng cách khác nhau trong một cảnh bằng cách phân tích và kết hợp các vùng lấy nét từ mỗi ảnh, mang lại hình ảnh chi tiết hơn. Một lần nữa, bằng cách sử dụngbộ chiaĐể phân chia cảm biến TDI thành hai (22,5 mm) hoặc ba (15,0 mm), có thể thu được ảnh đa tiêu điểm nhanh hơn so với quét vùng tương đương. Tuy nhiên, đối với đa tiêu điểm bậc cao hơn (số điểm ảnh z từ 6 trở lên), quét vùng có thể vẫn là kỹ thuật chụp ảnh nhanh nhất.
Kết luận
Tài liệu kỹ thuật này nêu bật sự khác biệt giữa công nghệ quét vùng và công nghệ TDI cho quét vùng rộng. Bằng cách kết hợp quét đường và độ nhạy sCMOS, TDI mang lại hình ảnh nhanh chóng, chất lượng cao mà không bị gián đoạn, vượt trội hơn các phương pháp quét vùng truyền thống như quét gạch và khâu. Hãy đánh giá những lợi ích của việc sử dụng máy tính trực tuyến của chúng tôi, cân nhắc các giả định khác nhau được nêu trong tài liệu này. TDI là một công cụ mạnh mẽ cho hình ảnh hiệu quả với tiềm năng to lớn trong việc giảm thời gian chụp ảnh trong cả các kỹ thuật hình ảnh tiêu chuẩn và nâng cao.Nếu bạn muốn xem camera TDI hay camera quét khu vực có phù hợp với ứng dụng của bạn và cải thiện thời gian chụp hay không, hãy liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay.
