2025/12/03ではTDI (時間遅延積分イメージングシステム、画像のぼやけ、幾何学的歪みは、ユーザーが遭遇する最も一般的な問題です。これらのアーティファクトが発生すると、多くのユーザーは本能的にカメラの故障だと考えます。しかし実際には、TDI イメージングの安定性を真に決定づけるのは、ステージの動き、トリガーのタイミング、カメラのラインレートの同期です。
本稿では、ラインレートとステージ速度の理論的な関係を説明し、同期の問題をデバッグするための体系的なワークフローを提供するとともに、実際のエンジニアリング事例を用いて、高精度で安定したTDIイメージングを実現する方法を実証する。
TDIカメラのラインレートとステージ速度の理論的な関係
TDIラインスキャンカメラは、複数のセンサーラインにわたって電荷を積分することで高いSN比を実現します。被写体が動いている間は、電荷転送速度が視野内の被写体の変位と厳密に同期している必要があります。そうでなければ、蓄積された信号はもはや一貫性のある積分を表しません。
理想的な設定では、各ライン間の電荷転送は、物体の1ピクセルの移動に正確に対応します。したがって、ラインレートとプラットフォーム速度の理論的な関係は次のようになります。
F=V/P′
ラインレート = ステージ速度 ÷ ピクセルピッチ
F = 回線速度 (Hz)
V = ステージ速度 (mm/s)
P′ = オブジェクト空間における有効ピクセルピッチ (mm)
物体空間における実効画素ピッチ（P′）は、光学倍率によって決定される。
P′=P/M
物体空間における実効ピクセルピッチ = カメラのピクセルサイズ ÷ 光学倍率
P = カメラの画素サイズ（mm）
M = 光学倍率
2つの式を組み合わせると次のようになります。
F=V*M/P
ラインレート = ステージ速度 × 倍率 ÷ ピクセルサイズ
例：
ピクセルサイズ5μm、倍率2倍、ステージ速度100mm/sの場合：
100×2÷0.005=40,000Hz
したがって、適切な同期を維持するためには、回線速度は40kHzでなければならない。
ラインレートがステージ速度と一致しない場合、TDI積分シーケンスがずれてしまい、直接的に幾何学的歪みが発生します。このずれは、高速ラインスキャンシステムにおける画像歪みの最も根本的かつ頻繁な原因です。
典型的な画像アーティファクトとその根本原因
理想的には、ステージは安定した一定速度の軌道で移動するはずです。しかし、実際のアプリケーションでは、速度変動、振動、方向ずれなどによって、TDIラインレートと被写体の動きの同期が乱されます。これらの同期ずれの影響により、以下のような特徴的な画像アーティファクトが発生します。
i) 画像の圧縮または引き伸ばし（速度の不一致）
図1．ステージ速度とTDIラインレートの不一致によって生じる画像の圧縮または伸長。
● ステージ速度 > ラインレート
物体が積分ステップごとに1ピクセル以上移動するため、過剰な信号が蓄積される。
結果：スキャン方向に沿った画像の圧縮、または「圧縮」（図1中央）。
● ステージ速度 < ラインレート
センサーが物体の動きよりも速く積分を行うため、積算不足が生じる。
結果：引き伸ばされた特徴や、目に見える後縁アーティファクト（図1右）。
ii) 画像のブレ（動きがスキャン方向と一致していない）
TDI積分は、センサーの電荷転送方向に沿って厳密に行われます。対象物が直交方向の揺れ、横方向の動き、または回転を示す場合、電荷積分は正しく重ね合わされなくなります。
結果：位置ずれによる積分により、画像全体がぼやける（図2）。
図2．TDI積分方向と位置がずれた動き成分によって生じる画像のぼやけ。
iii) 画像の破損、歪み、またはピクセルレベルの縞模様（周波数不安定性）
これらのアーティファクトは、ステージの動きとラインレートの微同期が失われたときに発生します。一般的な加減速や機械的振動に加え、トリガー周波数の変動もライン間のずれを引き起こす可能性があります。
図3．不安定なモーション周波数またはトリガーレートの変動によって引き起こされる画像の不連続性。
症状には以下が含まれます。
●隣接する線間の不連続性
● 曲線的な特徴
● 周期的なピクセルレベルの縞模様（図3）
この種のアーチファクトはしばしば微妙であり、TDIイメージングにおける最も困難な課題の一つとなっている。
代表的な事例とその解決策
ハイエンドの欠陥検査システムの試運転中、顧客から、誤検出率が継続的に高いとの報告があった。当初は、センサーノイズが微弱な欠陥信号を覆い隠しているのではないかと疑われた。図4に示すように。
図4．最適化前 ― 同期不安定性により、欠陥信号が背景ノイズによって隠されている。
報告書を受け取った後、Tucsenのエンジニアリングチームは現地調査による診断レビューを実施した。舞台動作を体系的に検証することで,トリガータイミング、 そして回線速度同期根本原因を特定しました。
ステージトリガー信号に適切なシールドが施されていなかった。電磁干渉によりトリガー周波数にジッターが発生し、TDI画像に背景の不安定性が生じ、真の欠陥情報が隠蔽された。
調査結果に基づき、2つの是正措置が実施された。
a) 顧客はトリガー信号ケーブルにシールドを追加しましたクロストークを最小限に抑え、周波数安定性を向上させる。
b) Tucsenのエンジニアはカメラの内部処理を最適化した。残留ラインレートジッターによって引き起こされる背景の変動を抑制し、全体的な画像品質をさらに向上させる。
図5．最適化後 ― 同期とノイズ制御の改善により、欠陥信号が明確に解消された。
これらの是正措置により、画像処理性能は大幅に向上しました。欠陥検出精度も向上し、顧客はシステム信頼性の著しい向上に対してプロジェクトチームを高く評価しました。
最後に
実際の機械視覚システムでは、TDIカメラ様々な照明条件、多様なサンプル反射率条件、および機械的振動下で動作する必要があるため、根本原因分析は理論モデルが示唆するよりもはるかに複雑になる。
TDI システムが同期、安定性、または画像の一貫性に関する課題に直面している場合、Tucsen の技術チームは、問題の診断と同期モデルの最適化から最終的な画像性能の検証まで、包括的なサポートを提供し、お客様の科学カメラベースのTDIイメージングシステムは、より安定して、より正確に、より効率的に動作します。
ノイズ源が定量イメージングにどのように影響するかについての詳細な背景については、次の詳細な議論を参照してください。科学用カメラの信号対雑音比.
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