2013年7月22日時間遅延積分（TDI）は、デジタル画像処理の誕生以前から存在する画像処理技術ですが、今日の最先端の画像処理技術においても大きなメリットをもたらしています。TDIカメラが真価を発揮する状況は2つあります。どちらも被写体が動いている状況です。
1 – ウェブ検査（移動する紙、プラスチック、布地のシートをスキャンして欠陥や損傷を検出するなど）、組立ライン、マイクロ流体工学および流体の流れなど、撮像対象は本質的に一定速度で動いています。
2 – 被写体またはカメラを移動させることで、カメラをあるエリアから別のエリアに移動させて撮影できる静止画像。例としては、顕微鏡スライドのスキャン、材料検査、フラットパネル検査などが挙げられます。
これらの状況のいずれかがイメージングに当てはまる場合、この Web ページは、従来の 2 次元「エリア スキャン」カメラからライン スキャン TDI カメラに切り替えることでイメージングが向上するかどうかを検討するのに役立ちます。
エリアスキャンと移動ターゲットの問題点
● モーションブラー
流体の流れやウェブ検査など、撮像対象によっては必然的に動き続けるものがあります。スライドスキャンや材料検査といった他の用途では、撮像対象の動きを維持することで、画像取得ごとに動きを止めるよりも、はるかに高速かつ効率的に撮像できます。しかし、エリアスキャンカメラの場合、撮像対象がカメラに対して動いている場合、これが課題となることがあります。
移動中の車両の画像を歪ませるモーションブラー
照明が限られている場合や高画質が求められる場合、カメラの露出時間を長くすることが望ましい場合があります。しかし、被写体の動きによって露出時間中に光が複数のカメラピクセルに分散され、「モーションブラー」が発生します。被写体の一点がカメラのピクセルを横切るのにかかる時間よりも短い露出時間に設定することで、このモーションブラーを最小限に抑えることができます。un通常、暗くてノイズが多く、使用できない画像になることがあります。
●ステッチング
さらに、エリアスキャンカメラで大きな被写体や連続した被写体を撮影する場合、通常、複数の画像を取得し、それらをつなぎ合わせる必要があります。このつなぎ合わせ作業では、隣接する画像間でピクセルが重なり合うため、効率が低下し、データ保存と処理の要件が増加します。
●不均一な照明
さらに、つなぎ合わせた画像の境界における問題やアーティファクトを回避するには、照明が均一に確保されることはほとんどありません。また、エリアスキャンカメラに十分な強度で広い範囲を照らすには、高出力で高価なDC光源の使用が必要になる場合が多くあります。
マウスの脳の複数画像取得をつなぎ合わせる際の照明の不均一性。 Watson et al. 2017の画像：http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
TDI カメラとは何ですか? また、どのようなメリットがありますか?
従来の2次元エリアスキャンカメラでは、画像取得はピクセルリセット、露光、読み出しの3つのフェーズで行われます。露光中は、被写体からの光子が検出され、光電子が生成されます。光電子は露光終了までカメラのピクセルに蓄積されます。その後、各ピクセルの値が読み出され、2次元画像が形成されます。その後、ピクセルはリセットされ、すべての電荷がクリアされて次の露光が開始されます。
しかし、前述のように、被写体がカメラに対して動いている場合、被写体からの光が露光中に複数のピクセルに広がり、モーションブラーが発生する可能性があります。TDIカメラは革新的な技術を用いてこの制限を克服しています。これは[アニメーション1]で実証されています。
●TDIカメラの仕組み
TDIカメラは、エリアスキャンカメラとは根本的に異なる動作をします。露光中に被写体がカメラ上を移動すると、取得画像を構成する電子電荷も同期を保ちながら移動します。露光中、TDIカメラは取得した電荷を、被写体の動きと同期しながら、カメラに沿ってあるピクセル列から次のピクセル列へとシャッフルすることができます。被写体がカメラ上を移動すると、各列（「TDIステージ」と呼ばれます）がカメラを被写体に露光し、信号を蓄積する新たな機会を提供します。
取得された電荷の列がカメラの端に到達すると、その値が読み出され、画像の1次元スライスとして保存されます。2次元画像は、カメラが画像の各スライスを読み出す際に、それらを連続的に貼り合わせることで形成されます。結果として得られる画像の各ピクセル列は、被写体の同じ「スライス」を追跡して画像化するため、動きがあってもブレが生じません。
●256倍の長時間露光
TDIカメラでは、画像の実効露光時間は被写体上の1点がすべてのピクセル列を横切るのにかかる時間で表されます。一部のTDIカメラでは、最大256段階の露光が可能です。つまり、利用可能な露光時間は、エリアスキャンカメラの256倍に相当します。
これにより、2つの改善点のいずれか、あるいは両方のバランスを実現できます。まず、撮像速度の大幅な向上が実現します。エリアスキャンカメラと比較して、カメラのラインレートが十分に高速であれば、撮像対象は最大256倍の速度で移動しながらも、同じ量の信号を捕捉できます。
一方、より高い感度が必要な場合は、露出時間を長くすることで、はるかに高品質の画像、より低い照明強度、またはその両方を実現できます。
●スティッチングなしの大容量データスループット
TDIカメラは、連続する1次元スライスから2次元画像を生成するため、得られる画像は必要な大きさにすることができます。水平方向のピクセル数はカメラの幅（例えば9072ピクセル）によって決まりますが、画像の垂直方向のサイズは無制限で、カメラの稼働時間によって決まります。最大510kHzのラインレートにより、膨大なデータスループットを実現できます。
これと組み合わせることで、TDIカメラは非常に広い視野角を提供できます。例えば、5µmピクセルの9072ピクセルカメラは、高解像度で水平視野45mmを提供します。5µmピクセルのエリアスキャンカメラで同じ撮像幅を実現するには、最大3台の4Kカメラを並べて設置する必要があります。
●ラインスキャンカメラの改良点
TDIカメラは、エリアスキャンカメラに比べて優れている点だけではありません。1本のピクセルラインのみをキャプチャするラインスキャンカメラも、エリアスキャンカメラと同様に、照明強度や短時間露光といった多くの問題を抱えています。
TDIカメラと同様に、ラインスキャンカメラはよりシンプルなセットアップでより均一な照明を提供し、画像のスティッチングも不要ですが、高画質画像に必要な十分な信号を取得するには、非常に強い照明や被写体の低速な動きが必要になる場合があります。TDIカメラは、より長い露光時間とより速い被写体速度を可能にするため、より低照度で低コストの照明を使用しながら、撮像効率を向上させることができます。例えば、生産ラインでは、DC電源を必要とする高コストで消費電力の高いハロゲン照明からLED照明への移行が可能になるかもしれません。
TDI カメラはどのように機能しますか?
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、3 つの一般的な標準があります。
● CCD TDI– CCDカメラは最も古いタイプのデジタルカメラです。その電子設計により、CCDでTDI動作を実現するのは比較的容易であり、多くのカメラセンサーは本質的にこの動作が可能です。そのため、TDI CCDは数十年にわたって使用されてきました。
しかし、CCD技術には限界があります。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 x 12µmであり、このサイズとピクセル数の少なさが、カメラの微細なディテールを解像する能力を制限しています。さらに、他の技術に比べて画像取得速度が遅く、低照度撮影における大きな制限要因である読み出しノイズも高くなります。消費電力も高く、一部のアプリケーションでは大きな問題となります。こうした状況から、CMOSアーキテクチャに基づくTDIカメラの開発が求められました。
●初期のCMOS TDI: 電圧ドメインとデジタル加算
CMOSカメラは、CCDカメラのノイズと速度の制約の多くを克服し、消費電力を抑え、ピクセルサイズを小さくしています。しかし、CMOSカメラのピクセル設計上、TDI動作を実現するのははるかに困難でした。CCDは光電子をピクセルからピクセルへと物理的に移動させてセンサーを制御しますが、CMOSカメラは光電子の信号を各ピクセルで電圧に変換してから読み出します。
CMOSセンサーにおけるTDIの挙動は2001年から研究されてきましたが、露光が1つの行から次の行へと移動する際の信号の「蓄積」をどのように処理するかが大きな課題でした。現在でも市販カメラで使用されているCMOS TDIの初期の2つの方式は、電圧領域蓄積方式とデジタル加算型TDI CMOSです。電圧領域蓄積方式のカメラでは、被写体が移動するにつれて各行の信号が取得され、取得された電圧が画像のその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、TDIステージが追加されるたびにノイズが増加し、追加ステージのメリットが制限されます。また、直線性の問題も、これらのカメラを精密用途に使用する上で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カメラは実質的にエリアスキャンモードで動作し、被写体が1行のピクセルを移動するのにかかる時間に合わせた非常に短い露出時間で動作します。しかし、連続する各フレームの行はデジタル的に加算され、TDI効果が得られます。結果画像では、ピクセル行ごとにカメラ全体のデータ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：チャージドメインTDI CMOS、またはCCD-on-CMOS TDI
CMOS TDIの上記限界は、CCD-on-CMOS TDIとも呼ばれる電荷領域蓄積型TDI CMOS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]で実演されています。その名の通り、これらのセンサーはCCDのようにピクセルからピクセルへと電荷を移動させ、各TDIステージで個々の電荷レベルで光電子を加算すること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、CCD TDIの限界はCMOS読み出しアーキテクチャの採用によって克服され、CMOSカメラに共通する高速性、低ノイズ、低消費電力を実現しています。
TDI 仕様: 何が重要ですか?
●テクノロジー：最も重要な要素は、前述の通り、どのようなセンサー技術が使用されるかです。チャージドメインCMOS TDIが最高の性能を発揮します。
●TDIステージ:これは、信号を蓄積できるセンサーの行数です。カメラのTDI段数が多いほど、実効露光時間を長くすることができます。また、カメラのラインレートが十分であれば、被写体の動きを速くすることができます。
●ラインレート:カメラが1秒間に読み取れる行数。これにより、カメラが追従できる最大移動速度が決まります。
●量子効率: これは、カメラの異なる波長における光に対する感度を示しており、入射光子が検出され光電子が生成される確率によって表されます。量子効率が高いほど、照射強度を低くしたり、信号レベルを維持しながら動作速度を速めたりすることができます。
さらに、カメラによって良好な感度が得られる波長範囲は異なり、一部のカメラではスペクトルの紫外線 (UV) 端、約 200nm の波長まで感度が提供されます。
●読み取りノイズ:読み取りノイズはカメラの感度を左右するもう一つの重要な要素であり、カメラのノイズフロアを超えて検出できる最小信号を決定します。読み取りノイズが高いと、暗い部分を検出できず、ダイナミックレンジが大幅に低下します。そのため、より明るい照明を使用するか、露光時間を長くして移動速度を遅くする必要があります。
TDI 仕様: 何が重要ですか?
現在、TDIカメラはウェブ検査、電子機器および製造工程の検査、その他のマシンビジョンアプリケーションに使用されています。これに加え、蛍光イメージングやスライドスキャンといった、低照度下での撮影が困難なアプリケーションにも使用されています。
しかし、高速、低ノイズ、高感度のTDI CMOSカメラの登場により、これまでエリアスキャンカメラしか使用できなかった新しいアプリケーションにおいて、速度と効率を大幅に向上させる可能性が高まっています。記事の冒頭で述べたように、TDIカメラは、既に動きのある被写体を撮影する場合、あるいは静止した被写体をカメラでスキャンできる場合のいずれにおいても、高速かつ高画質を実現する最適な選択肢となる可能性があります。
例えば、顕微鏡アプリケーションでは、9Kピクセル、256ステージ、5µmピクセルのTDIカメラと、12MPエリアスキャンカメラ（5µmピクセル）の理論的な取得速度を比較することができます。ステージを移動させながら、10 x 10 mmの領域を20倍の倍率で取得する様子を見てみましょう。
1. エリアスキャンカメラで 20 倍の対物レンズを使用すると、1.02 x 0.77 mm の撮像視野が得られます。
2. TDI カメラでは、2 倍の追加倍率を備えた 10 倍の対物レンズを使用して、顕微鏡の視野の制限を克服し、2.3 mm の水平イメージング視野を実現できます。
3. スティッチングのために画像間のピクセルオーバーラップを2%と仮定し、ステージを所定の位置まで移動させるのに0.5秒、露光時間を10ミリ秒とすると、エリアスキャンカメラの所要時間を計算できます。同様に、ステージを一定速度でY方向にスキャンし、ラインあたりの露光時間を同じにした場合のTDIカメラの所要時間を計算できます。
4. この場合、エリアスキャンカメラでは140枚の画像を取得し、ステージの移動に63秒かかります。TDIカメラでは、ステージを次の列に移動させるのにわずか2秒しかかからず、5枚の長尺画像しか取得できません。
5. 10 x 10 mmの領域を取得するのにかかる合計時間はエリアスキャンカメラでは64.4秒、そしてただTDI カメラの場合は 9.9 秒です。
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