TDI カメラの基礎：TDI カメラとは何か、どのように機能するか |

産業用および科学的な画像処理において、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です。そこで活躍するのが、時間遅延積分（TDI）カメラです。TDIテクノロジーは、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、移動する物体の画像を撮影する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標準的なエリアスキャンカメラとは異なり、TDIカメラは物体の動きに合わせて電荷をピクセル列から次の列へとシフトさせます。各ピクセル列は被写体の動きに合わせて光を蓄積するため、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増加させ、信号強度を高めます。

この電荷統合により信号対雑音比 (SNR) が大幅に向上し、TDI カメラは高速または低照度アプリケーションに最適です。

TDI カメラはどのように機能しますか?

TDI カメラの動作を図 1 に示します。

図1: 時間遅延積分（TDI）センサーの動作

注記: TDIカメラは、撮像対象の動きに合わせて、取得した電荷を複数の「ステージ」に渡って移動させます。各ステージは、光に当たる機会を増やします。明るい「T」字がカメラ上を移動し、TDIセンサーの5列×5ステージのセグメントが描かれています。Tucsen Dhyana 9KTDIは、CCD式の電荷移動とCMOS式の並列読み出しを組み合わせたハイブリッド方式を採用しています。

TDI カメラは実質的には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。それは、カメラが撮像対象をスキャンするときに 1 行のピクセルでデータを取得するのではなく、TDI カメラには「ステージ」と呼ばれる複数の行があり、通常は最大 256 行あることです。

しかし、これらの行はエリアスキャンカメラのような2次元画像を形成するわけではありません。スキャンされた撮像対象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、撮像対象の動きに合わせて次の行へと移動しますが、まだ読み出されていません。行が進むにつれて、撮像対象を光にさらす機会が増えます。画像スライスがセンサーの最後のピクセル行に到達した時点で初めて、その行は読み出しアーキテクチャに渡され、測定が行われます。

そのため、カメラステージ全体で複数の測定が行われているにもかかわらず、カメラの読み取りノイズは1回のみ発生します。256ステージTDIカメラは、同等のラインスキャンカメラと比較して、サンプルを256倍長く視野内に保持するため、露光時間は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かけると、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 はいつ使用できますか?

TDI カメラは、カメラの視野全体で動きが均一であれば、撮影対象がカメラに対して動いているあらゆる撮影アプリケーションに最適なソリューションです。

したがって、TDIイメージングの用途は、一方では2次元画像を形成するラインスキャンのあらゆる用途に及び、高速化、低照度感度の大幅な向上、高画質化、あるいはこれら3つを同時に実現します。他方では、TDIカメラが適用可能な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します。

高感度sCMOS TDIでは、ステージをタイリングする代わりにノンストップスキャンすることで、生物蛍光顕微鏡における「タイル＆スティッチ」イメージングが可能です。また、オールTDIは検査用途にも適しています。TDIのもう一つの重要な用途は、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、その蛍光画像を取得するものです。

sCMOS TDIの長所と短所

長所

● 撮像対象をスキャンしながら、任意サイズの2次元画像を高速に撮影できます。
● 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大幅に高い感度が得られます。
● 非常に高い読み出し速度（たとえば、9,072 ピクセル幅の画像で最大 510,000Hz（ライン/秒））を実現できます。
●照明は1次元のみでよく、2次元目（スキャン）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、AC光源によるちらつきを「平滑化」できます。
● モーションブラーのない動画を高速・高感度に取得できます。
●広い範囲のスキャンは、エリアスキャンカメラよりも大幅に高速になります。
● 高度なソフトウェアまたは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位置合わせのためのエリアスキャンの概要を提供できます。

短所

● 従来の sCMOS カメラよりもノイズが高いため、超低照度アプリケーションには対応できません。
● 同期を可能にするには、撮影対象の動きとカメラのスキャンを同期させるための高度なトリガー、移動速度の非常に細かい制御、または速度の正確な予測など、専門的なセットアップが必要です。
● 新しい技術であるため、現在のところ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ほとんどありません。

低照度対応sCMOS TDI

TDIはデジタル画像処理技術として古くから存在し、性能においてはラインスキャンを遥かに上回っていたが、TDIカメラが、通常は科学レベルの感度を必要とする低照度アプリケーションに必要な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、CCD方式の電荷移動とsCMOS方式の読み出しを組み合わせ、裏面照射型センサーも利用可能です。従来のCCDベースまたは純粋なCMOSベース*のTDIカメラは、読み出し速度が大幅に遅く、画素数が少なく、ステージ数が少なく、読み出しノイズが30e-から100e-以上と低かったのが欠点です。これに対し、TucsenのようなsCMOS TDIは、Dhyana 9KTDI sCMOSカメラ7.2e- の読み取りノイズと、バックイルミネーションによる高い量子効率を組み合わせることで、これまでよりも大幅に低い光レベルのアプリケーションで TDI を使用できるようになります。

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出時間により、読み取りノイズが 1e- に近い高品質の sCMOS エリアスキャンカメラと比較して、読み取り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、精度と速度が同様に重要となる多くの業界で使用されています。

● 半導体ウェハ検査
● フラットパネルディスプレイ（FPD）のテスト
● 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、現実世界の制約下で TDI イメージングが提供する強化されたコントラスト、速度、鮮明度の恩恵を受けます。

例: スライドと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次元エリアカメラを用いて大型の蛍光顕微鏡サンプルや明視野顕微鏡サンプルをスキャンするには、XY顕微鏡ステージを複数回動かして形成されたグリッド画像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、ステージを停止、安定させ、再起動させる必要があり、ローリングシャッターの遅延も発生します。一方、TDIはステージを移動させながら画像を取得できます。画像は、サンプルの全幅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、撮影条件にもよりますが、あらゆる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を大幅に向上させ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、短い露光時間（1～20ms）ではエリアスキャンカメラと比較して撮像速度が最大限に向上し、総取得時間を1桁以上短縮できます。露光時間が長い場合（例：100ms超）、エリアスキャンカメラは通常、時間的な優位性を維持できます。

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を図 2 に示します。エリアスキャンカメラで形成された同等の画像には、最大数分かかることが予想されます。

図2: TDIスキャンとスティッチングにより10秒で形成された2ギガピクセル画像

注記: Tucsen Dhyana 9kTDIを用いて蛍光ペンの点を蛍光顕微鏡で観察した10倍拡大画像。3.6msの露光時間で10秒間取得。画像サイズ：30mm x 17mm、58,000 x 34,160ピクセル。

TDIの同期

TDIカメラと撮影対象物の同期（数%以内）は不可欠です。速度の不一致は「モーションブラー」効果につながります。同期は2つの方法で行うことができます。

予測的: カメラ速度は、サンプルの移動速度、光学系（倍率）、カメラのピクセルサイズなどの情報に基づいて、動作速度に合わせて設定されます。あるいは、試行錯誤を繰り返します。

トリガー顕微鏡のステージ、ガントリー、その他撮影対象を移動させるための機器の多くは、所定の移動距離でカメラにトリガーパルスを送信するエンコーダを搭載しています。これにより、移動速度に関わらず、ステージ／ガントリーとカメラの同期を維持できます。

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処理技術の比較は次のとおりです。

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（モーション）	素晴らしい	良い	高速ではぼやける
照明要件	低い	中くらい	高い
モーション互換性	素晴らしい（同期されている場合）	良い	貧しい
最適な用途	高速、低照度	高速で移動する物体	静止したシーンやゆっくりとしたシーン

被写体の動きが速く、光量が限られている場合、TDIが最適です。ラインスキャンは感度が低く、エリアスキャンはシンプルな設置や固定された設置に適しています。

適切なTDIカメラの選択

TDI カメラを選択するときは、次の点を考慮してください。

● TDI ステージ数: ステージ数が増えると SNR は増加しますが、コストと複雑さも増加します。
● センサータイプ: 速度と低ノイズの点から sCMOS が推奨されますが、一部のレガシーシステムでは CCD が依然として適している場合があります。
● インターフェース: システムとの互換性を確保します。Camera Link、CoaXPress、10GigE は一般的なオプションであり、100G CoF と 40G CoF が新しいトレンドとして登場しています。
● スペクトル応答: アプリケーションのニーズに応じて、モノクロ、カラー、近赤外線 (NIR) から選択します。
● 同期オプション: モーションアライメントを改善するには、エンコーダー入力や外部トリガーのサポートなどの機能を探します。

アプリケーションに繊細な生物学的サンプル、高速検査、または低照度環境が含まれる場合は、sCMOS TDI が最適である可能性があります。

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力強い進化を象徴しています。モーション同期とマルチライン積分を組み合わせることで、動きの激しい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。

ウェーハの検査、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ことができます。科学カメライメージングの課題に。

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、センサータイミングのトリックにより、「エリアスキャンのような」モードで（非常に薄い）2次元画像を作成できます。これは、フォーカスや位置合わせなどの作業に役立ちます。

「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」します。TDIをカメラのステージ数と同じステップ数、可能な限り高速に進め、その後停止します。これ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実現され、理想的には暗闇の中で実行されます。例えば、256ステージのカメラは少なくとも256ラインを読み取って停止する必要があります。この256ラインのデータは破棄されます。

カメラがトリガーされていないときやラインが読み出されていないときは、センサーは画像を露出するエリアスキャンセンサーと同じように動作します。

その後、カメラをアイドル状態にして必要な露光時間を経過させ、カメラを少なくとも必要な段数だけ送り、取得した画像の各ラインを読み出します。この「読み出し」段階も、理想的には暗闇の中で行う必要があります。

この手法を繰り返すことで、TDI 操作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提供できます。