2023年10月10日時延積分 (TDI) 是一種基於線掃描原理的影像擷取方法，它透過控製樣品運動的時序和觸發影像切片擷取，擷取一系列一維影像來產生最終影像。儘管這項技術已經存在數十年，但通常用於靈敏度較低的應用，例如捲材檢測。
新一代相機結合了sCMOS的高靈敏度和TDI的高速度，在影像擷取品質上可媲美面掃描，但吞吐量卻有望提升幾個數量級。這在需要對大尺寸樣品進行低光成像的場景中尤其明顯。本文將概述TDI掃描的工作原理，並將其影像擷取時間與類似的大面積掃描技術—拼接成像進行比較。
從線掃描到TDI
線掃描成像是一種成像技術，它使用單行像素（稱為列或平台）在樣品運動過程中擷取影像切片。透過電觸發機制，當樣品經過感測器時，即可擷取影像的單一「切片」。透過調整相機觸發頻率，使影像擷取與樣品運動同步，並使用影像擷取卡擷取這些影像，即可將它們拼接起來重建影像。
TDI成像技術是基於對樣品進行影像擷取的原理，但它採用多層次結構來增加捕捉的光電子數量。當樣品經過每一級時，都會收集到更多信息，並將這些信息添加到先前階段捕獲的光電子中，其過程與CCD器件類似。當樣品經過最後一級時，收集到的光電子被送至讀出裝置，並利用該範圍內的積分訊號產生影像切片。圖1展示了具有五個TDI列（級）的裝置的影像擷取過程。
圖 1：使用 TDI 技術進行影像擷取的動畫範例。樣品（藍色 T）經過 TDI 影像擷取裝置（5 像素列，5 個 TDI 等級），每個等級捕捉光電子並將其疊加到訊號電平上。讀出裝置將此訊號轉換為數位影像。
1a：影像（藍色 T）被引入舞台；T 處於運動狀態，如設備所示。
1b：當T粒子通過第一級時，TDI相機被觸發，接收光電子。當這些光電子撞擊到TDI感測器的第一級時，會被像素捕捉。每一列都有一系列像素，分別捕捉單一光電子。
1c：這些捕獲的光電子被重新分配到第二階段，其中每一列將其訊號水平推向下一階段。
1d：隨著樣品移動一個像素距離，第二階段會捕捉第二組光電子，並將其與先前捕獲的光電子疊加，從而增強訊號。在第一階段，會捕捉一組新的光電子，對應於影像擷取的下一個切片。
1e：當影像經過感測器時，重複執行階段 1d 中所述的影像擷取過程。這會從各級產生的光電子中建構訊號。此訊號被送入讀出裝置，讀出裝置將光電子訊號轉換為數位讀數。
1f：數位讀數以影像的形式逐列顯示。這使得影像的數位重建成為可能。
由於TDI裝置能夠同時將光電子從一級傳遞到下一級，並在樣品運動過程中從第一級捕捉新的光電子，因此可以有效地捕捉無限多行的影像。觸發頻率（決定影像擷取次數，如圖1a所示）可達到數百kHz的量級。
如圖 2 所示，使用 5 µm 像素的 TDI 相機，僅用 10.1 秒就拍攝了一張 29 x 17 mm 的顯微鏡載玻片。即使在高倍放大下，影像模糊程度也極低。這相比該技術的前幾代產品而言，是一項巨大的進步。
更多詳情請參閱表 1，該表顯示了一系列常見樣本大小在 10 倍、20 倍和 40 倍放大倍率下的代表性成像時間。
圖 2：使用 Tucsen 9kTDI 拍攝的螢光樣品影像。曝光時間 10 毫秒，拍攝時間 10.1 秒。
表 1：使用 Tucsen 9kTDI 相機在 Zaber MVR 系列電動平台上，以 10、20 和 40 倍放大倍率，曝光時間為 1 毫秒和 10 毫秒時，不同樣本大小（秒）的捕捉時間矩陣。
區域掃描成像
sCMOS相機中的臉部掃描成像技術利用二維像素陣列同時捕捉整個影像。每個像素捕捉光線，將其轉換為電訊號進行即時處理，從而形成高解析度、高速度的完整影像。單次曝光可捕捉的影像大小取決於像素尺寸、放大倍率以及陣列中像素的數量。1)
對於標準陣列，視場角由下式給出：2)
當樣本過大而超出相機視野範圍時，可以透過將樣本分割成與視野大小相同的網格影像來建立影像。這些影像的擷取遵循一定的模式：載物台移動到網格上的某個位置，穩定下來，然後進行影像擷取。在捲簾快門相機中，由於快門旋轉，還需要額外的等待時間。可以透過移動相機位置並將這些影像拼接起來來擷取這些影像。圖 3 顯示了一張由 16 張較小影像拼接而成的螢光顯微鏡下人類細胞大影像。
圖 3：使用拼接成像技術，透過面部掃描相機捕捉的人類細胞切片。
一般來說，要獲得更豐富的細節，就需要產生更多影像並以這種方式拼接在一起。一種解決方案是採用大尺寸相機掃描它配備了高像素數的大尺寸感測器和專用光學元件，可捕捉更多細節。
TDI 與面掃描（拼接法）的比較
對於大面積樣品掃描，拼接掃描和TDI掃描都是合適的解決方案，但透過選擇最佳方法，可以顯著縮短樣品掃描時間。 TDI掃描的優點在於能夠捕捉移動的樣品，從而避免了拼接掃描成像中因平台穩定和捲簾快門計時而造成的延遲，節省了時間。
圖 4 比較了在拼接掃描（左）和 TDI 掃描（右）中擷取人體細胞影像所需的停止次數（綠色）和移動次數（黑色線條）。 TDI 成像無需停止和重新校準影像，因此在曝光時間低於 100 毫秒的情況下，可以顯著縮短成像時間。
表 2 顯示了 9k TDI 和標準 sCMOS 相機之間掃描的範例。
圖 4：螢光下捕捉人類細胞的掃描圖案，顯示拼接（左）和 TDI 成像（右）。
表 2：使用 10 倍物鏡和 10 毫秒曝光時間對 15 x 15 毫米樣品進行表面掃描和 TDI 成像的比較。
儘管TDI技術在提高影像擷取速度方面具有巨大潛力，但這項技術的使用也存在一些細微差別。對於較長的曝光時間（>100毫秒），臉部掃描中移動穩定所消耗的時間相對於曝光時間而言就顯得不那麼重要了。在這種情況下，面掃描相機的掃描時間可能比TDI成像更短。要了解TDI技術是否能為您目前的設備帶來優勢，聯絡我們用於比較計算器。
其他應用
許多研究問題所需的資訊不僅僅是一張影像，例如多通道或多焦點影像擷取。
面掃描相機中的多聲道成像是指同時使用多個波長的光進行成像。這些通道通常對應於不同的光波長，例如紅色、綠色和藍色。每個通道捕獲場景中特定的波長或光譜資訊。然後，相機將這些通道組合起來，產生全彩或多光譜影像，從而提供具有清晰光譜細節的更全面的場景視圖。在面掃描相機中，這是透過離散曝光來實現的，但是，對於TDI成像，可以使用分光器將感測器分成多個部分。將一個9kTDI（45毫米）分成3個15.0毫米的感測器，其尺寸仍大於標準感測器（6.5微米像素寬度，2048像素）的13.3毫米寬度。此外，由於TDI只需要對成像樣品的部分進行照明，因此可以更快地完成掃描循環。
另一個可能出現這種情況的領域是多焦點成像。臉部掃描相機中的多焦點成像技術涉及在不同焦距下拍攝多張影像，並將它們融合以創建整個場景都清晰對焦的合成影像。它透過分析和組合每張影像中的清晰區域來處理場景中不同的距離，從而獲得更詳細的影像表示。同樣，透過使用…分線器將TDI感測器分割成兩塊（22.5毫米）或三塊（15.0毫米）後，或許可以比面掃描更快地獲取多焦點影像。然而，對於更高階的多焦點成像（z軸堆疊6層或更高），面掃描可能仍然是最快的成像技術。
結論
本技術說明概述了面部掃描和TDI技術在大面積掃描方面的差異。 TDI技術融合了線掃描和sCMOS靈敏度，實現了快速、高品質且無中斷的成像，超越了傳統的面掃描方法，例如拼接法。您可以參考本文檔中列出的各種假設，使用我們的線上計算器評估其優勢。 TDI技術是一種強大的高效成像工具，在標準和高階成像技術中均具有顯著縮短成像時間的潛力。如果您想了解 TDI 相機或面陣掃描相機是否適合您的應用並能提高您的擷取速度，請立即與我們聯絡。
