2022/06/15多くの画像処理アプリケーションにおいて、焦点外光の捕捉は、鮮明で高コントラストな画像を得る上で大きな課題となります。デジタル走査型ライトシート顕微鏡（DSLM）は、最新のCMOSカメラの「ローリングシャッター」と照明を同期させることで、焦点外光の捕捉を低減する強力な手段を提供します。しかし、この精密な同期には、カメラのローリングシャッターの動作を完全に制御する必要があり、Tucsenカメラはローリングシャッター制御モードによってこれを実現しています。
ローリングシャッターとは何ですか？
シャッターは、カメラへの光の照射を開始および停止するカメラの部品です。かつて、科学用カメラは機械式シャッターを使用しており、シャッターが開いて画像を露光し、閉じて露光を終了していました。機械式シャッターは動作が遅く、長時間使用すると信頼性の問題が生じる可能性がありました。現在では、科学用カメラは電子シャッターを使用しており、これははるかに高速で、シンプルで、汎用性が高くなっています。
ローリングシャッターカメラは、センサーの上部から画像取得を開始し、センサーの下部まで1行ずつ「巻き下ろす」ように撮影を進めます。この画像取得には、信号リセット、露光、読み出しの3つのプロセスが含まれます。
各行の露光は、各ピクセルの取得信号をリセットすることによって開始されます。最上行の指定露光時間が経過すると、取得の終了を示す読み出し信号が同様の方法で下降します。これにより、露光時間の長さに応じて高さが決まるアクティブピクセル領域がカメラの上部から下部へと移動します。カメラがフルスピードで動作している場合、1行あたりの遅延時間は、カメラの速度に応じて、通常5～25マイクロ秒です。
照明の走査とカメラのローリングシャッターの同期を必要とする光学技術を利用する場合、通常、この遅延時間は短すぎるため、ローリングシャッターの動作速度が速すぎて他のハードウェアが追いつけません。そこでローリングシャッター制御モードが登場します。
図1：シャッターの動作概略図
ローリングシャッター制御モードの仕組み
Tucsenカメラに内蔵されたインテリジェンスにより、カメラのローリングシャッターの動作を外部ハードウェアと正確に同期させることができます。各ラインのリセットと読み出しの間にわずかな遅延を追加することで、アクティブピクセル領域がセンサー上を走査するのにかかる時間を制御し、同期を実現できます。
さらに、走査対象領域の「スリット高さ」を微調整することも可能です。露光時間を長くしたり、ライン時間遅延を短くしたりすると、スリット高さが大きくなります。DSLMの場合、この調整によって試料の照射領域のみを一致させることができ、効果的な信号取得のためにピクセルを可能な限り長時間露光することと、焦点外光を最小限に抑えることとのバランスを取ることができます。
形2左：カメラのフルスピードでのローリングシャッター動作の概略図。右：ローリングシャッター制御モードにおけるローリングシャッター速度の概略図。各ライン間に遅延を追加することで、他のハードウェアとの同期が可能になる。
このオプションの遅延機能により、ローリングシャッターの動作を決定する重要な変数として、アクティブピクセル領域の高さと、センサー上を移動する速度を示す3つの変数を理解する必要が生じます。
ラインタイムこれは、センサーが1行を読み取って次の行に進むまでのデフォルトの時間です。カメラセンサーのネイティブな「速度」を決定し、カメラソフトウェアで指定することも、特定の関心領域（ROI）とカメラモードに対して次のように近似することもできます。
ここで「最大カメラフレームレート」とは、露光時間または外部トリガーレートのいずれにも制限されない場合のフレームレートを指します。
曝露時間：これは、各ピクセル行がアクティブである期間を決定し、それによって、特定のライン時間と遅延時間におけるアクティブ領域の高さを決定します。
回線遅延時間:これは、ローリングシャッター制御モードによって追加される遅延量です。ローリングシャッター制御モードでは、遅延を追加できます。回線時間の整数倍例えば、カメラのライン時間が 10 マイクロ秒の場合、1、2、…最大8,928まで加算でき、これは10マイクロ秒の倍数の数を示します。
また、使用する関心領域（ROI）の高さも重要です。これは、アクティブ領域がリセットされるまでに掃引しなければならないライン数を決定するからです。
ローリングシャッター制御モード同期モード
ローリングシャッター制御モードには、制御する上でより重要な変数に応じて、2つの動作モードがあります。
In ラインタイムディレイモード上記のように遅延時間を設定できます。すると、ソフトウェアは、指定した露光時間におけるスリット高さ（ローリングシャッター内の有効ピクセルの高さ）を表示します。
In アクティブピクセル／スリット高さこのモードでは、ローリングシャッターが動作する際にアクティブにするセンサーの行数を設定できます。指定した露光時間に基づいて、必要なラインタイムディレイが自動的に計算され、このスリット高さが自動的に実現されます。
ソフトウェアでローリングシャッター制御モードを設定する
動作モード（ステータス）コントロール
図3：Tucsen Mosaicソフトウェアからローリングシャッター制御モードを制御するためのインターフェース例。すべてのオプション Micro-ManagerおよびSDK経由で利用可能です。
3つのステータス（動作モード）が利用可能です。Off, 回線時間遅延, スリットの高さ.
• 設定するとオフセンサーは、追加の遅延なしに正常に動作します。
• 設定すると回線時間遅延モードでは、上記の説明にあるように、回線時間単位で回線時間遅延を指定できます。
図4：回線時間遅延ソフトウェアのオプション。例Tucsen Mosaicソフトウェアのインターフェース。すべてのオプションはMicro-ManagerおよびSDK経由で利用可能です。
設定可能な遅延に追加できるラインタイムサイクルの数は、カメラによって異なります。遅延を追加した後のカメラの新しいラインタイムは次のようになります。
ライン間隔時間 = ライン時間（センサー）+（ラインタイム）（センサー）× 回線遅延）
パラメータ値転がり速度に等しい線間隔時間.
画像の総読み出し時間は以下のとおりです。
R読む外出時間（画像）= ライン間隔時間×N行.
N行は、対象領域内の撮像ピクセルの総行数です。このモードで撮像する際のフレームレートは、撮像するライン数とラインサイクル時間によって決まります。
フレームレート = 1/(読み出し時間)（画像）+ 露光時間）
•設定するとスリットの高さ mode では、スキャンされたアクティブ領域のサイズは、t で表されます。「リセット」信号と「読み出し」信号の間のピクセル行数。スリット高さの範囲は1～2048（ピクセル単位）です。これを物理的なサイズに変換するには、この値にカメラの仕様書に記載されているピクセルサイズを掛けてください。
図5：スリット高さモード制御オプション。例Tucsen Mosaicソフトウェアのインターフェース。すべてのオプションはMicro-ManagerおよびSDK経由で利用可能です。
ソフトウェアは必要な回線時間遅延と回線間隔時間を自動的に計算します。計算式は以下のとおりです。
回線時間遅延＝露光時間（行）スリットの高さ（行）
高速モード（カメラのゲインモード）では、ラインが2本ずつ読み取られるため、スリット高さの範囲は偶数にしか設定できません。高速モードのパラメータは次のように計算されます。
回線時間遅延＝露光時間（行）/ スリット高さ ½（行）
スリット高さ = （曝露時間（行）÷ 回線遅延）×2
スキャン方向コントロール
シャッターの回転方向には、3つの選択肢があります。
D自分の：下方向スキャンは、sCMOSカメラのデフォルトのスキャン方向です。ローリングシャッターは、センサー上部の最初の行から始まり、下部の最後の行までスキャンします。以降の各フレーム取得は、上部の最初の行から始まります。
図6：下方走査モードの概略図
Up：上方スキャンモードでは、ローリングシャッターは最下段から始まり、最初の列の最上段までスキャンします。以降の各フレームの取得は最下段から始まります。カメラでのデータ取得順序は逆になりますが、ソフトウェアに渡される画像は元の向きのままです。つまり、下方スキャンモードの場合と比べて、画像は垂直方向に反転されません。
図7：上方走査モードの概略図
下降・上昇サイクル上下交互にスキャンする場合、ローリングシャッターは最上部の1行目から始まり、最下部の最終行目まで下方向に移動します。次のフレームでは、ローリングシャッターは最下部の行目から始まり、最上部の行目まで上方向にスキャンします。このモードで取得される画像の向きは、下方向スキャンの向きと同じです。
図8：ダウンアップサイクルスキャンモードの概略図
• Rea方向リセット
この機能は、ダウンアップサイクルモードでのみ利用可能です。
このパラメータのデフォルト設定は「はい」で、これにより、新しい取得シーケンスの最初のフレームが最上段から始まり、下方向にスキャンされることが保証されます。
このパラメータを「いいえ」に設定すると、新しい取得の最初のフレームは、前のシーケンスの最後のフレームの位置から始まります。最後のフレームが最下段で終了した場合、以降の取得の最初のフレームは最下段から始まり、上方向に伝播します。
