2010年10月23日時間遅延積分（TDI）は、ラインスキャンの原理に基づいた画像キャプチャ手法です。サンプルの動きとトリガーによる画像スライスのキャプチャタイミングを合わせて、一連の1次元画像をキャプチャし、1枚の画像を生成します。この技術は数十年前から存在していますが、主にウェブ検査などの低感度アプリケーションで使用されています。
新世代のカメラは、sCMOSの感度とTDIの速度を組み合わせることで、エリアスキャンと同等の品質の画像撮影を可能にしながら、スループットを桁違いに高速化します。これは、低照度条件下で大型サンプルの画像撮影が求められる状況で特に顕著です。このテクニカルノートでは、TDIスキャンの仕組みを概説し、同等の広域スキャン技術であるタイル＆スティッチングとの画像撮影時間を比較します。
ラインスキャンからTDIへ
ラインスキャンイメージングは、サンプルが移動している間に、1本のピクセルライン（列またはステージと呼ばれる）を用いて画像のスライスを撮影するイメージング技術です。電気的なトリガー機構を用いて、サンプルがセンサーを通過する際に、画像のスライスが1枚撮影されます。カメラのトリガーレートを調整してサンプルの動きに合わせて画像を取得し、フレームグラバーを用いてこれらの画像を取得することで、これらの画像をつなぎ合わせて画像を再構成することができます。
TDIイメージングは、サンプルの画像取得原理に基づいていますが、複数のステージを用いることで、捕捉する光電子の数を増やします。サンプルが各ステージを通過するたびに、より多くの情報が収集され、以前のステージで捕捉された既存の光電子に追加され、CCDデバイスと同様のプロセスでシャッフルされます。サンプルが最終ステージを通過すると、収集された光電子は読み出し部に送られ、その範囲にわたる積分信号を用いて画像スライスが生成されます。図1は、5つのTDI列（ステージ）を備えたデバイスによる画像取得を示しています。
図1：TDI技術を用いた画像取得のアニメーション例。サンプル（青いT）がTDI画像取得デバイス（5ピクセルの列、5つのTDIステージ）を通過し、各ステージで光電子が捕捉され、信号レベルに加算されます。読み出し部によって、この光電子がデジタル画像に変換されます。
1a: 画像 (青い T) がステージに導入され、デバイスに表示されているとおりに T が動いています。
1b: Tが第1ステージを通過すると、TDIカメラがトリガーされ、光電子を受け取ります。光電子はTDIセンサーの第1ステージに当たると、ピクセルによって捕捉されます。各列には、光電子を個別に捕捉する一連のピクセルがあります。
1c: 捕捉された光電子は第 2 ステージにシャッフルされ、各列が信号レベルを次のステージにプッシュします。
1d: サンプルが1ピクセル分移動するのに合わせて、ステージ2で2番目の光電子セットが捕捉され、以前に捕捉された光電子セットに加算されて信号が増大します。ステージ1では、次の画像スライスに対応する新たな光電子セットが捕捉されます。
1e: ステージ1dで説明した画像キャプチャプロセスは、画像がセンサーを通過する際に繰り返されます。これにより、各ステージからの光電子から信号が生成されます。この信号は読み出し部に送られ、光電子信号はデジタル信号に変換されます。
1f: デジタル出力は列ごとに画像として表示されます。これにより、画像のデジタル再構成が可能になります。
TDIデバイスは、サンプルが移動している間に、光電子をあるステージから次のステージへ同時に通過させ、同時に最初のステージから新しい光電子を捕捉できるため、捕捉される行数は実質的に無限となります。画像捕捉回数（図1a）を決定するトリガーレートは、数百kHzのオーダーとなります。
図2の例では、5µmピクセルのTDIカメラを用いて、29×17mmの顕微鏡スライドを10.1秒で撮影しました。ズームレベルを高くしても、ぼやけは最小限に抑えられています。これは、この技術の従来世代と比べて大きな進歩です。
詳細については、表 1 に、10 倍、20 倍、40 倍のズームでの一連の一般的なサンプル サイズの代表的なイメージング時間を示します。
図2: Tucsen 9kTDIを使用して撮影した蛍光サンプルの画像。露光時間10ms、撮影時間10.1秒。
表 1: Tucsen 9kTDI カメラを Zaber MVR シリーズの電動ステージで 10、20、40 倍で 1 ms および 10 ms の露出時間で使用した場合の、さまざまなサンプル サイズ (秒) でのキャプチャ時間のマトリックス。
エリアスキャンイメージング
sCMOSカメラのエリアスキャンイメージングでは、2次元のピクセルアレイを用いて画像全体を同時に撮影します。各ピクセルは光を捉え、電気信号に変換して即座に処理し、高解像度かつ高速な画像を形成します。1回の露光で撮影できる画像のサイズは、ピクセルサイズ、倍率、そしてアレイ内のピクセル数（単位：ピクセルあたり）によって決まります。1)
標準的なアレイの場合、視野は（2)
サンプルがカメラの視野に対して大きすぎる場合、画像を視野と同じサイズのグリッドに分割することで画像を構築できます。これらの画像は、ステージがグリッド上の特定の位置に移動し、ステージが停止してから画像が取得されるというパターンで撮影されます。ローリングシャッターカメラでは、シャッターが回転するまでの待機時間が追加されます。これらの画像は、カメラの位置を移動させ、それらをつなぎ合わせることで取得できます。図3は、16枚の小さな画像をつなぎ合わせて作成した、蛍光顕微鏡下で観察したヒト細胞の大きな画像です。
図 3: タイル＆ステッチ イメージングを使用してエリア スキャン カメラで撮影された人間の細胞のスライド。
一般的に、より詳細な解像度を得るには、より多くの画像を生成し、この方法でつなぎ合わせる必要があります。この解決策の1つは、大判カメラスキャンは、高画素数の大型センサーと特殊な光学系を組み合わせ、より多くの詳細を捉えることを可能にしました。
TDIとエリアスキャン（タイル＆ステッチ）の比較
サンプルの大面積スキャンには、タイル＆スティッチスキャンとTDIスキャンの両方が適切なソリューションですが、最適な方法を選択することで、サンプルのスキャン時間を大幅に短縮できます。この時間短縮は、TDIスキャンが移動するサンプルを捉えることができるため、タイル＆スティッチスキャンに伴うステージのセトリングやローリングシャッターのタイミングに伴う遅延を排除できるからです。
図4は、タイル＆スティッチスキャン（左）とTDIスキャン（右）におけるヒト細胞の画像取得に必要な停止時間（緑線）と移動量（黒線）を比較したものです。TDIスキャンでは画像を停止して再調整する必要がないため、露光時間が100ミリ秒未満であれば、撮影時間を大幅に短縮できます。
表 2 は、9k TDI と標準 sCMOS カメラ間のスキャンの実例を示しています。
図 4: タイルとステッチ (左) と TDI イメージング (右) を示す蛍光下でのヒト細胞のキャプチャのスキャン モチーフ。
表 2: 10 倍対物レンズと 10 ms の露出時間を使用した 15 x 15 mm サンプルのエリアスキャンと TDI イメージングの比較。
TDIは画像撮影速度の向上に優れた可能性を秘めていますが、この技術の活用には微妙なニュアンスがあります。露光時間が長い場合（100ミリ秒以上）、エリアスキャンカメラの移動と安定に要する時間ロスは、露光時間と比較して相対的に小さくなります。このような場合、エリアスキャンカメラはTDIイメージングに比べてスキャン時間を短縮できる可能性があります。TDI技術が現在のシステムよりもメリットをもたらすかどうかを確認するには、お問い合わせ比較計算機用。
その他のアプリケーション
多くの研究課題では、マルチチャンネルまたはマルチフォーカス画像の取得など、単一の画像よりも多くの情報が必要です。
エリアスキャンカメラにおけるマルチチャンネルイメージングでは、複数の波長を同時に用いて画像を撮影します。これらのチャンネルは通常、赤、緑、青など、異なる光の波長に対応しています。各チャンネルは、シーンから特定の波長またはスペクトル情報を取り込みます。カメラはこれらのチャンネルを組み合わせてフルカラーまたはマルチスペクトル画像を生成し、明確なスペクトルの詳細を持つ、より包括的なシーンの画像を提供します。エリアスキャンカメラでは、これは個別の露出によって実現されますが、TDIイメージングでは、スプリッターを使用してセンサーを複数の部分に分割できます。9kTDI（45 mm）を3 x 15.0 mmのセンサーに分割しても、幅13.3 mmの標準センサー（ピクセル幅6.5 µm、ピクセル数2048）よりも大きくなります。さらに、TDIではサンプルの撮影対象部分のみを照明すればよいため、スキャンサイクルを高速化できます。
もう一つの応用分野として、多焦点イメージングが挙げられます。エリアスキャンカメラにおける多焦点イメージングでは、異なる焦点距離で複数の画像を撮影し、それらを合成することで、シーン全体に焦点が合った合成画像を作成します。これは、各画像から焦点の合った領域を解析・合成することで、シーン内の様々な距離に対応し、より詳細な画像表現を実現します。ここでも、スプリッターTDIセンサーを2つ（22.5 mm）または3つ（15.0 mm）に分割することで、エリアスキャン法よりも高速にマルチフォーカス画像を取得できる可能性があります。ただし、高次のマルチフォーカス（Zスタックが6以上）の場合、エリアスキャン法が最も高速な画像化技術であることは間違いありません。
結論
このテクニカルノートでは、大面積スキャンにおけるエリアスキャンとTDI技術の違いについて概説します。ラインスキャンとsCMOS感度を融合させたTDIは、タイル＆スティッチなどの従来のエリアスキャン方式を凌駕する、中断のない高速で高品質なイメージングを実現します。このドキュメントに記載されている様々な前提条件を考慮し、オンライン計算ツールを使用するメリットをご評価ください。TDIは、標準的なイメージング技術と高度なイメージング技術の両方において、イメージング時間を短縮する大きな可能性を秘めた、効率的なイメージングを実現する強力なツールです。TDI カメラまたはエリアスキャン カメラがお客様のアプリケーションに適合し、キャプチャ時間を改善できるかどうかを確認したい場合は、今すぐお問い合わせください。
