2025/09/30産業および科学分野の画像処理において、低照度条件下で高速移動する物体を捉えることは常に課題となります。そこで登場するのが、タイムディレイインテグレーション（TDI）カメラです。TDI技術は、モーション同期と多重露光を組み合わせることで、特に高速環境下において、卓越した感度と鮮明な画像を実現します。
TDIカメラとは何ですか？
TDIカメラは、動体を撮影するための特殊なラインスキャンカメラです。フレーム全体を一度に露光する一般的なエリアスキャンカメラとは異なり、TDIカメラは被写体の動きに合わせて、ピクセルの行間で電荷を移動させます。被写体が動くにつれて各ピクセルの行に光が蓄積されるため、モーションブラーを発生させることなく、露光時間を効果的に延長し、信号強度を高めることができます。
この電荷統合により信号対雑音比（SNR）が劇的に向上し、TDIカメラは高速撮影や低照度撮影用途に最適です。
TDIカメラはどのように動作するのですか？
TDIカメラの動作は図に示されている。
注記：TDIカメラは、撮影対象の動きに合わせて、取得した電荷を複数の「ステージ」に同期させて移動させます。各ステージでは、光に曝される機会がさらに増えます。明るい「T」がカメラ上を移動する様子で、TDIセンサーの5列×5ステージのセグメントを示しています。Tucsen Dhyana 9KTDIは、CCDスタイルの電荷移動とCMOSスタイルの並列読み出しを組み合わせたハイブリッドカメラです。
TDIカメラは実質的にラインスキャンカメラですが、重要な違いが1つあります。カメラが撮像対象を走査する際に1列のピクセルがデータを取得するのではなく、TDIカメラは「ステージ」と呼ばれる複数の行を持ち、通常は最大256列です。
しかし、これらの行はエリアスキャンカメラのように2次元画像を形成するわけではありません。スキャン対象の被写体がカメラセンサー上を移動すると、各ピクセル内で検出された光電子は、読み出されることなく、被写体の動きと同期して次の行へと移動します。そして、各行が追加されるごとに、被写体に光を照射する機会が増えます。画像スライスがセンサーの最後のピクセル行に到達して初めて、その行が測定のために読み出し回路に渡されます。
したがって、カメラの各ステージで複数の測定が行われるにもかかわらず、カメラの読み出しノイズは1回しか発生しません。256ステージのTDIカメラは、同等のラインスキャンカメラに比べてサンプルを256倍長く視野内に保持できるため、露光時間も256倍長くなります。エリアスキャンカメラで同等の露光時間を用いると、極端なモーションブラーが発生し、画像が使い物にならなくなります。
TDIはどのような場合に使用できますか？
TDIカメラは、被写体がカメラに対して相対的に移動しているあらゆる画像処理アプリケーションにおいて優れたソリューションであり、その動きがカメラの視野全体で均一である場合に有効です。
したがって、TDIイメージングの応用分野には、一方では、2次元画像を形成するラインスキャン方式のあらゆる用途が含まれ、高速化、低照度感度の大幅な向上、画質の向上、あるいはそのすべてを同時に実現できる。他方では、TDIカメラを使用できるエリアスキャンカメラを用いたイメージング技術も数多く存在する。
高感度sCMOS TDIの場合、生物学的蛍光顕微鏡における「タイルアンドステッチ」イメージングは、タイリングの代わりにステージのノンストップスキャンを使用して実行できます。また、TDIは検査用途にも十分適しています。TDIのもう1つの重要な用途は、イメージングフローサイトメトリーです。これは、細胞がマイクロ流体チャネルを流れながらカメラを通過する際に、細胞の蛍光画像を取得するものです。
sCMOS TDIの長所と短所
長所
● 撮影対象物をスキャンしながら、任意のサイズの2次元画像を高速で撮影できます。
● 複数のTDIステージ、低ノイズ、高QEにより、ラインスキャンカメラよりもはるかに高い感度を実現できます。
● 非常に高速な読み出し速度を実現でき、例えば、9,072ピクセル幅の画像の場合、最大510,000Hz（ライン/秒）に達します。
● 照明は1次元のみでよく、2次元目（スキャン方向）におけるフラットフィールド補正などの補正は不要です。さらに、ラインスキャンに比べて露光時間を長くすることで、交流光源によるちらつきを「滑らかにする」ことができます。
● 動きのブレがなく、高速かつ高感度で動画を撮影できます。
● 広範囲のスキャンは、エリアスキャンカメラよりもはるかに高速に行える場合があります。
● 高度なソフトウェアやトリガー設定を使用すると、「エリアスキャンのような」モードで、フォーカスとアライメントのためのエリアスキャン概要を提供できます。
短所
● 従来型のsCMOSカメラよりもノイズレベルが高いため、超低照度用途には適さない。
● 撮影対象の動きとカメラのスキャンを同期させるには、高度なトリガー機能を備えた専門的なセットアップ、動きの速度を非常に細かく制御する機能、または同期を可能にするための速度の正確な予測機能が必要です。
● 新しい技術であるため、ハードウェアとソフトウェアの実装に関するソリューションは現状ではほとんど存在しない。
低照度対応sCMOS TDI
TDIはデジタルイメージングよりも古くから存在するイメージング技術であり、性能面ではラインスキャンをはるかに凌駕していたが、TDIカメラが、通常は科学グレードのカメラの感度を必要とする低照度アプリケーションに対応できる感度を獲得したのは、ここ数年のことである。sCMOSカメラ.
「sCMOS TDI」は、センサー上の電荷のCCD方式の移動とsCMOS方式の読み出しを組み合わせたもので、裏面照射型センサーが利用可能です。従来のCCDベースまたは純粋なCMOSベース*のTDIカメラは、読み出し速度が著しく遅く、画素数が少なく、ステージ数も少なく、読み出しノイズは30e-から100e-以上でした。これに対し、TucsenなどのsCMOS TDIは、Dhyana 9KTDI sCMOSカメラ7.2e-の読み出しノイズを実現し、裏面照射による量子効率の向上と相まって、従来よりも大幅に低い光量レベルのアプリケーションでTDIを使用可能にします。
多くのアプリケーションでは、TDIプロセスによって可能になる長い露光時間は、読み出しノイズが1e-に近い高品質のsCMOSエリアスキャンカメラと比較して、読み出しノイズの増加を十分に補うことができます。
TDIカメラの一般的な用途
TDIカメラは、精度と速度が等しく重要な多くの産業分野で使用されています。
●半導体ウェハー検査
●フラットパネルディスプレイ(FPD)テスト
●ウェブ検査（紙、フィルム、箔、繊維）
● 医療診断や手荷物検査におけるX線スキャン
● デジタル病理学におけるスライドおよびマルチウェルプレートのスキャン
● リモートセンシングや農業におけるハイパースペクトルイメージング
● SMTラインにおけるPCBおよび電子機器の検査
これらのアプリケーションは、TDIイメージングが実環境の制約下で提供する、コントラスト、速度、および鮮明度の向上から恩恵を受ける。
例：スライドおよびマルチウェルプレートのスキャン
前述の通り、sCMOS TDIカメラの大きな可能性を秘めた用途の一つは、スライドやマルチウェルプレートのスキャンを含むスティッチングアプリケーションです。2次元エリアカメラで大型の蛍光顕微鏡または明視野顕微鏡サンプルをスキャンする場合、XY顕微鏡ステージの複数回の動きから形成される画像のグリッドをスティッチングする必要があります。各画像を取得するには、ステージが停止、整列、そして再起動する必要があり、ローリングシャッターの遅延も発生します。一方、TDIはステージが動いている間に画像を取得できます。画像は、サンプルの幅全体をカバーする少数の長い「ストリップ」から形成されます。これにより、撮像条件によっては、すべてのスティッチングアプリケーションにおいて、取得速度とデータスループットが大幅に向上する可能性があります。
ステージの移動速度はTDIカメラの総露光時間に反比例するため、露光時間が短い場合（1～20ms）は、エリアスキャンカメラと比較して画像取得速度が最も向上し、結果として総取得時間を1桁以上短縮できる可能性があります。露光時間が長い場合（例えば100ms以上）は、通常、エリアスキャンの方が時間的に優位性を維持できます。
図には、わずか10秒で形成された非常に大きな（2ギガピクセル）蛍光顕微鏡画像の例が示されている。エリアスキャンカメラで同等の画像を形成するには、数分かかることが予想される。
注記：蛍光顕微鏡を用いて観察した蛍光ペンの点の10倍拡大画像。Tucsen Dhyana 9kTDIで撮影。露光時間3.6ミリ秒、撮影時間10秒。画像サイズ：30mm×17mm、58,000×34,160ピクセル。
TDIの同期
TDIカメラと撮影対象物との同期（数パーセント以内の精度）は不可欠です。速度のずれは「モーションブラー」効果を引き起こします。この同期は、次の2つの方法で行うことができます。
予測:カメラの速度は、試料の移動速度、光学系（倍率）、カメラの画素サイズに関する知識に基づいて、動作速度に合わせて設定されます。あるいは、試行錯誤によって設定される場合もあります。
トリガーされました:多くの顕微鏡ステージ、ガントリー、および撮像対象を移動させるためのその他の装置には、一定の移動距離に応じてカメラにトリガーパルスを送信するエンコーダーが組み込まれています。これにより、ステージ／ガントリーとカメラは移動速度に関係なく同期を保つことができます。
TDIカメラとラインスキャンカメラおよびエリアスキャンカメラの比較
TDIと他の一般的な画像診断技術との比較は以下のとおりです。
| 特徴 | TDIカメラ | ラインスキャンカメラ | エリアスキャンカメラ |
| 感度 | 非常に高い | 中くらい | 低～中 |
| 画質（動画） | 素晴らしい | 良い | 高速走行時はぼやける |
| 照明要件 | 低い | 中くらい | 高い |
| モーション互換性 | （同期が取れていれば）素晴らしい | 良い | 貧しい |
| 最適な用途 | 高速、低照度 | 高速で移動する物体 | 静止画またはスローモーションシーン |
シーンの動きが速く、光量が限られている場合は、TDIが最適な選択肢です。ラインスキャンは感度がやや劣りますが、エリアスキャンはシンプルな設定や静止した設定に適しています。
適切なTDIカメラの選び方
TDIカメラを選ぶ際には、以下の点を考慮してください。
●TDIステージ数：ステージ数を増やすとSNRは向上するが、コストと複雑さも増す。
●センサーの種類:sCMOSは速度と低ノイズの点で好ましいが、CCDは一部の旧式システムには依然として適している可能性がある。
●インタフェース：ご使用のシステムとの互換性を確認してください。Camera Link、CoaXPress、10GigEは一般的なオプションですが、100G CoFと40G CoFが新たなトレンドとして登場しています。
●スペクトル応答：用途に応じて、モノクロ、カラー、または近赤外線（NIR）から選択してください。
●同期オプション：より正確なモーションアライメントを実現するには、エンコーダー入力や外部トリガーサポートなどの機能に注目してください。
繊細な生物学的サンプル、高速検査、または低照度環境を扱う用途であれば、sCMOS TDIが最適な選択肢となる可能性が高いでしょう。
結論
TDIカメラは、特にsCMOSセンサーを搭載した場合、イメージング技術における強力な進化を象徴するものです。モーション同期とマルチライン統合を組み合わせることで、動的な低照度シーンにおいて比類のない感度と鮮明さを実現します。
ウェハーの検査、スライドのスキャン、高速検査など、TDIの仕組みを理解することで、最適なソリューションを選択するのに役立ちます。科学カメラ画像処理に関する課題解決のために。
よくある質問
TDIカメラはエリアスキャンモードで動作できますか？
TDIカメラは、センサーのタイミング制御という特殊な技術を用いることで、「エリアスキャン」のようなモードで（非常に薄い）2次元画像を生成できます。これは、フォーカスや位置合わせといった作業に役立ちます。
「エリアスキャン露光」を開始するには、まずセンサーを「クリア」する必要があります。これは、TDIをカメラのステージ数と同じかそれ以上のステップ数だけ、できるだけ速く進めてから停止させることで行います。この操作は、ソフトウェア制御またはハードウェアトリガーによって行われ、理想的には暗闇の中で実施します。例えば、256ステージのカメラであれば、少なくとも256ラインを読み取ってから停止します。この256ラインのデータは破棄されます。
カメラが作動していない、あるいはラインが読み取られていない間は、センサーはエリアスキャンセンサーと同様に動作し、画像を露光します。
その後、カメラをアイドル状態にして所定の露光時間を経過させ、カメラを少なくともその段数だけ進め、取得した画像の各行を読み出す。この「読み出し」段階も、理想的には暗闇の中で行うべきである。
この手法を繰り返すことで、TDI処理による歪みやぼやけを最小限に抑えた「ライブプレビュー」または一連のエリアスキャン画像を取得できます。
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