ラインスキャンTDIイメージングによる光量制限下でのデータ収集の高速化

カメラセンサー上でTDIイメージングを実現する方法には、一般的に3つの規格が存在する。

● CCD TDICCDカメラは、デジタルカメラの中で最も古いタイプのカメラです。電子回路設計のため、CCD上でTDI動作を実現することは比較的容易であり、多くのカメラセンサーは本来的にこの動作に対応しています。そのため、TDI対応CCDは数十年にわたり使用されてきました。

しかし、CCD技術には限界がある。CCD TDIカメラで一般的に利用可能な最小ピクセルサイズは約12µm×12µmであり、ピクセル数が少ないため、カメラの微細なディテールを解像する能力が制限される。さらに、取得速度は他の技術よりも遅く、低照度イメージングにおける主要な制限要因である読み出しノイズは高い。消費電力も高く、これは一部のアプリケーションでは大きな問題となる。こうしたことから、CMOSアーキテクチャに基づいたTDIカメラの開発が望まれた。

●初期のCMOS TDI：電圧ドメインとデジタル加算

CMOSカメラは、CCDカメラのノイズや速度に関する多くの制約を克服し、消費電力も少なく、画素サイズも小さくなっています。しかし、画素設計上の​​理由から、CMOSカメラでTDI動作を実現するのははるかに困難でした。CCDは光電子を画素間で物理的に移動させてセンサーを制御するのに対し、CMOSカメラは読み出し前に各画素で光電子の信号を電圧に変換します。

CMOSセンサーにおけるTDIの動作は2001年から研究されてきましたが、露光が1行から次の行へと進むにつれて信号の「蓄積」をどのように処理するかという課題は大きなものでした。現在でも市販のカメラで使用されているCMOS TDIの初期の2つの方法は、電圧ドメイン蓄積とデジタル加算TDI CMOSです。電圧ドメイン蓄積カメラでは、撮像対象が通過するにつれて信号の各行が取得され、取得された電圧がその画像部分の合計取得値に電子的に加算されます。このように電圧を蓄積すると、追加されるTDIステージごとにノイズが増加するため、追加ステージの利点が制限されます。直線性の問題も、これらのカメラを精密な用途で使用する際の課題となっています。

2つ目の方法は、デジタル加算TDIです。この方法では、CMOSカメラは、被写体が1行のピクセルを横切るのにかかる時間に合わせた非常に短い露光時間で、実質的にエリアスキャンモードで動作します。しかし、連続する各フレームの行は、TDI効果が得られるようにデジタル的に加算されます。結果として得られる画像の各行のピクセルについてカメラ全体を読み出す必要があるため、このデジタル加算によって各行の読み出しノイズも加算され、取得速度が制限されます。

●現代の標準規格：電荷ドメインTDI CMOS、またはCCD-on-CMOS TDI

上記のCMOS TDIの限界は、電荷ドメイン蓄積TDI CMOS（CCD-on-CMOS TDIとも呼ばれる）の導入により、近年克服されました。これらのセンサーの動作は[アニメーション1]で示されています。名前が示すように、これらのセンサーは、電荷が1つのピクセルから次のピクセルへとCCDのように移動し、個々の電荷レベルで光電子を追加することによって各TDIステージで信号を蓄積します。これは実質的にノイズフリーです。しかし、CMOS読み出しアーキテクチャを使用することでCCD TDIの限界は克服され、CMOSカメラに共通する高速性、低ノイズ、低消費電力が実現されます。