2023/10/10時間遅延・積分（TDI）は、ラインスキャン原理に基づいた画像取得方法であり、サンプルの動きのタイミングとトリガーによる画像スライスの取得タイミングを調整することで、一連の一次元画像をキャプチャして画像を生成します。この技術は数十年前から存在していますが、ウェブ検査など、感度の低い用途で一般的に使用されてきました。
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画質を実現しながら、桁違いに高速な処理速度を実現しています。これは、低照度条件下で大型サンプルを撮影する必要がある場合に特に顕著です。本技術ノートでは、TDIスキャンの仕組みを概説し、同等の大型エリアスキャン技術であるタイル＆ステッチイメージングとの画像取得時間を比較します。
ラインスキャンからTDIまで
ラインスキャンイメージングは、試料が移動している間に、単一のピクセル列（カラムまたはステージと呼ばれる）を使用して画像の一部を取得するイメージング技術です。電気的なトリガー機構を使用することで、試料がセンサーを通過する際に、画像の「スライス」が1つ取得されます。カメラのトリガーレートを調整して試料の動きに合わせて画像をキャプチャし、フレームグラバーを使用してこれらの画像をキャプチャすることで、画像を再構成することができます。
TDIイメージングは、試料の画像取得という原理に基づいているが、複数のステージを用いて取得される光電子の数を増やす。試料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、以前のステージで取得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る。試料が最終ステージを通過すると、収集された光電子が読み出し装置に送られ、範囲全体にわたる積分信号を用いて画像スライスが生成される。図1には、5つのTDIカラム（ステージ）を備えたデバイスでの画像取得の様子が示されている。
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（青色のT）をTDI画像取得装置（5ピクセルの列、5つのTDIステージ）に通すと、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。読み出しによって、この信号がデジタル画像に変換されます。
1a: 画像（青いT字型）がステージに登場します。T字型は装置に表示されているように動きます。
1b：Tが第1段を通過すると、TDIカメラが作動し、TDIセンサーの第1段に当たった光電子をピクセルが捕捉します。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: これらの捕捉された光電子は第2段階にシャッフルされ、各カラムが信号レベルを次の段階に押し出します。
1d: サンプルが1ピクセル移動するのに合わせて、ステージ2で2番目の光電子群が捕捉され、以前に捕捉されたものに追加されて信号が増強されます。ステージ1では、次の画像取得スライスに対応する新しい光電子群が捕捉されます。
1e：画像がセンサーを通過する際、ステージ1dで説明した画像取得プロセスが繰り返されます。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装置に送られ、そこで光電子信号がデジタル信号に変換されます。
1f：デジタル表示は、画像として列ごとに表示されます。これにより、画像のデジタル再構成が可能になります。
TDI装置は、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、試料が移動している間に最初のステージから新しい光電子を捕捉することができるため、取得できる行数は実質的に無限となる。画像取得回数（図1a）を決定するトリガーレートは、数百kHzのオーダーとなる。
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。高倍率ズーム時でも、ブレは最小限に抑えられています。これは、従来世代の同技術に比べて大きな進歩と言えるでしょう。
詳細については、表1に、10倍、20倍、40倍のズームにおける、一般的なサンプルサイズごとの代表的な画像撮影時間を示します。
図2：Tucsen 9kTDIを用い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シリーズ電動ステージに取り付け、10倍、20倍、40倍の倍率で、露光時間を1msと10msとした場合の、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使用して画像全体を同時にキャプチャします。各ピクセルは光を捉え、それを電気信号に変換して即座に処理し、高解像度かつ高速な完全な画像を形成します。1回の露光でキャプチャできる画像のサイズは、ピクセルサイズ、倍率、およびアレイ内のピクセル数によって決まります。1)
標準アレイの場合、視野は次のように与えられます（2)
サンプルがカメラの視野に対して大きすぎる場合、視野のサイズの画像のグリッドに画像を分割することで画像を構築できます。これらの画像のキャプチャは、ステージがグリッド上の位置に移動し、ステージが静止してから画像がキャプチャされるというパターンに従います。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間に追加の待機時間が発生します。これらの画像は、カメラの位置を移動してそれらをつなぎ合わせることでキャプチャできます。図3は、16個の小さな画像をつなぎ合わせて作成された、蛍光顕微鏡で観察したヒト細胞の大きな画像を示しています。
図3：タイル＆ステッチイメージングを用いてエリアスキャンカメラで撮影されたヒト細胞のスライド。
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てこのように合成する必要があります。この問題を解決する1つの方法は、大判カメラによるスキャン大型で画素数の多いセンサーと特殊な光学系を組み合わせることで、より詳細な情報を捉えることができる。
TDIとエリアスキャン（タイル＆ステッチ）の比較
広範囲のサンプルをスキャンする場合、タイル＆ステッチ方式とTDI方式のどちらも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に必要な時間を大幅に短縮できます。この時間短縮は、TDI方式が移動するサンプルを捉えることができるため、タイル＆ステッチ方式で発生するステージの安定化やシャッターのローリングタイミングに伴う遅延が解消されることで実現します。
図4は、タイル＆ステッチ（左）とTDI（右）スキャンの両方でヒト細胞の画像を撮影するために必要な停止回数（緑線）と移動回数（黒線）を比較したものです。TDIイメージングでは画像の停止と再位置合わせが不要になるため、露光時間が100ms未満であれば、イメージング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具体的な例を示しています。
図4：蛍光下でのヒト細胞の捕捉のスキャンパターン。タイルアンドステッチ（左）とTDIイメージング（右）を示す。
表2：10倍対物レンズと10msの露光時間で15×15mmのサンプルについて、エリアスキャンとTDIイメージングを比較。
TDIは画像キャプチャ速度の向上に大きな可能性を秘めていますが、この技術の使用には注意点があります。露光時間が長い場合（>100 ms）、エリアスキャンの移動と安定化に要する時間の影響は、露光時間に比べて小さくなります。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技術が現在のセットアップ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ツール用。
その他の用途
多くの研究課題では、単一の画像だけでは不十分であり、例えばマルチチャンネル画像やマルチフォーカス画像取得などが必要となる。
エリアスキャンカメラの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使用して画像をキャプチャします。これらのチャンネルは通常、赤、緑、青などの異なる波長の光に対応します。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キャプチャします。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、明確なスペクトル詳細を備えたシーンのより包括的なビューを提供します。エリアスキャンカメラでは、これは個別の露光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、標準センサー（6.5 µmピクセル幅、2048ピクセル）の幅13.3 mmよりも大きくなります。さらに、TDIはイメージングされるサンプルの部分のみに照明を必要とするため、スキャンをより高速にサイクルできます。
このことが当てはまるもう1つの分野は、マルチフォーカスイメージングです。エリアスキャンカメラのマルチフォーカスイメージングでは、異なる焦点距離で複数の画像を撮影し、それらをブレンドしてシーン全体が鮮明にピントの合った合成画像を作成します。各画像からピントの合った領域を分析して組み合わせることで、シーン内のさまざまな距離に対応し、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（22.5mm）または3つ（15.0mm）に分割することで、エリアスキャン方式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、エリアスキャン方式が依然として最速の画像取得技術となるでしょう。
結論
この技術ノートでは、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。TDIは、ラインスキャンとsCMOSの感度を融合させることで、タイル＆ステッチなどの従来のエリアスキャン方式を凌駕し、中断のない高速かつ高品質なイメージングを実現します。このドキュメントで概説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評価してください。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のための強力なツールです。TDIカメラやエリアスキャンカメラがお客様の用途に適しており、撮影時間を短縮できるかどうかをご確認されたい場合は、今すぐお問い合わせください。
