2010년 10월 23일시간 지연 및 통합(TDI)은 라인 스캐닝 원리를 기반으로 하는 이미지 캡처 방식으로, 일련의 1차원 이미지를 캡처하여 샘플 동작 타이밍과 트리거링으로 이미지 슬라이스를 캡처하는 방식입니다. 이 기술은 수십 년 동안 사용되어 왔지만, 일반적으로 웹 검사와 같은 저감도 애플리케이션에 주로 사용되었습니다.
차세대 카메라는 sCMOS의 감도와 TDI의 속도를 결합하여 영역 스캔과 동일한 품질의 이미지 캡처를 제공하면서도 훨씬 빠른 처리량을 제공할 수 있습니다. 이는 특히 저조도 환경에서 대용량 샘플을 이미징해야 하는 상황에서 두드러집니다. 이 기술 노트에서는 TDI 스캐닝의 작동 방식을 설명하고, 유사한 대면적 스캐닝 기술인 타일 앤 스티치 이미징과 이미지 캡처 시간을 비교합니다.
라인 스캐닝에서 TDI까지
라인 스캔 이미징은 샘플이 움직이는 동안 단일 픽셀 라인(열 또는 스테이지라고 함)을 사용하여 이미지의 한 조각을 촬영하는 이미징 기술입니다. 전기적 트리거 메커니즘을 사용하여 샘플이 센서를 통과할 때 이미지의 단일 '조각'을 촬영합니다. 카메라 트리거 속도를 조정하여 샘플의 움직임에 맞춰 이미지를 촬영하고 프레임 그래버를 사용하여 이러한 이미지를 촬영하면, 이미지를 연결하여 이미지를 재구성할 수 있습니다.
TDI 이미징은 이러한 샘플 이미지 캡처 원리를 기반으로 하지만, 여러 단계를 거쳐 캡처되는 광전자의 수를 늘립니다. 샘플이 각 단계를 통과할 때마다 더 많은 정보가 수집되어 이전 단계에서 캡처된 기존 광전자에 추가되고, CCD 장치와 유사한 방식으로 섞입니다. 샘플이 마지막 단계를 통과하면 수집된 광전자는 판독기로 전송되고, 전체 범위에서 적분된 신호는 이미지 슬라이스를 생성하는 데 사용됩니다. 그림 1은 5개의 TDI 컬럼(단계)을 가진 장치에서 이미지 캡처를 보여줍니다.
그림 1: TDI 기술을 이용한 이미지 캡처의 애니메이션 예. 샘플(파란색 T)을 TDI 이미지 캡처 장치(5개 픽셀 열, 5개 TDI 단계) 위로 통과시키면, 각 단계에서 광전자가 포착되어 신호 레벨에 추가됩니다. 판독기는 이를 디지털 이미지로 변환합니다.
1a: 이미지(파란색 T)가 스테이지에 등장합니다. T는 장치에 표시된 대로 움직입니다.
1b: T가 첫 번째 단계를 통과하면 TDI 카메라가 작동하여 광전자를 받아들이고, 이 광전자는 TDI 센서의 첫 번째 단계에 닿는 픽셀에 의해 포착됩니다. 각 열에는 광전자를 개별적으로 포착하는 일련의 픽셀이 있습니다.
1c: 포획된 광전자는 두 번째 단계로 이동하며, 각 열은 신호 레벨을 다음 단계로 옮깁니다.
1d: 샘플이 1픽셀 거리만큼 이동함에 따라, 2단계에서 두 번째 광전자 세트가 포착되어 이전에 포착된 광전자 세트에 더해져 신호가 증가합니다. 1단계에서는 다음 이미지 캡처 슬라이스에 해당하는 새로운 광전자 세트가 포착됩니다.
1e: 이미지가 센서를 통과할 때 1d 단계에서 설명한 이미지 캡처 과정이 반복됩니다. 이를 통해 각 단계에서 나온 광전자로부터 신호가 생성됩니다. 이 신호는 판독기로 전달되고, 판독기는 광전자 신호를 디지털 판독값으로 변환합니다.
1f: 디지털 판독값이 열 단위로 이미지로 표시됩니다. 이를 통해 이미지의 디지털 재구성이 가능합니다.
TDI 장치는 광전자를 한 단계에서 다음 단계로 동시에 전달하고, 샘플이 움직이는 동안 첫 번째 단계에서 새로운 광전자를 포착할 수 있으므로, 이미지는 사실상 무한한 행 수를 가질 수 있습니다. 이미지 포착 횟수(그림 1a)를 결정하는 트리거 속도는 수백 kHz 정도입니다.
그림 2의 예에서 29 x 17mm 현미경 슬라이드를 5µm 픽셀 TDI 카메라를 사용하여 10.1초 만에 촬영했습니다. 높은 줌 배율에서도 흐림 현상은 최소화되었습니다. 이는 이전 세대 기술에 비해 엄청난 발전을 보여줍니다.
자세한 내용은 표 1에서 10배, 20배, 40배 줌에서 일반적인 샘플 크기에 대한 대표적인 영상 촬영 시간을 보여줍니다.
그림 2: Tucsen 9kTDI를 사용하여 촬영한 형광 샘플 이미지. 노출 시간 10ms, 촬영 시간 10.1초.
표 1: Zaber MVR 시리즈 모터화 스테이지에서 Tucsen 9kTDI 카메라를 사용하여 10, 20, 40배로 다양한 샘플 크기(초)를 캡처하는 시간 매트릭스, 노출 시간은 1ms와 10ms입니다.
영역 스캔 이미징
sCMOS 카메라의 영역 스캔 이미징은 2차원 픽셀 배열을 사용하여 전체 이미지를 동시에 캡처하는 방식입니다. 각 픽셀은 빛을 포착하여 전기 신호로 변환하고, 이를 즉시 처리하여 고해상도와 고속의 완전한 이미지를 형성합니다. 단일 노출로 캡처할 수 있는 이미지의 크기는 픽셀 크기, 배율, 그리고 배열 내 픽셀 수에 따라 결정됩니다(1)
표준 배열의 경우 시야는 다음과 같습니다.2)
샘플이 카메라의 시야각보다 너무 큰 경우, 이미지를 시야각 크기의 격자로 나누어 이미지를 구성할 수 있습니다. 이러한 이미지의 캡처는 스테이지가 격자의 특정 위치로 이동하고, 스테이지가 안정된 후 이미지가 캡처되는 패턴을 따릅니다. 롤링 셔터 카메라의 경우, 셔터가 회전하는 동안 추가 대기 시간이 발생합니다. 이러한 이미지는 카메라 위치를 이동하고 이들을 이어 붙여 캡처할 수 있습니다. 그림 3은 형광 현미경으로 촬영한 16개의 작은 이미지를 이어 붙여 형성된 인간 세포의 큰 이미지를 보여줍니다.
그림 3: 타일 & 스티치 이미징을 사용하여 영역 스캔 카메라로 촬영한 인간 세포 슬라이드.
일반적으로 더 많은 세부 사항을 해결하려면 더 많은 이미지를 생성하고 이런 방식으로 연결해야 합니다. 이에 대한 한 가지 해결책은 다음과 같습니다.대형 포맷 카메라 스캐닝특수 광학 장치와 함께 높은 픽셀 수의 대형 센서를 탑재하여 더 많은 세부 정보를 포착할 수 있습니다.
TDI와 영역 스캐닝(타일 & 스티치) 비교
대면적 샘플 스캐닝의 경우 타일 앤 스티치(Tile & Stitch)와 TDI 스캐닝 모두 적합한 솔루션이지만, 최적의 방법을 선택하면 샘플 스캔 시간을 크게 단축할 수 있습니다. TDI 스캐닝은 움직이는 샘플을 포착할 수 있어 타일 앤 스티치 이미징에서 발생하는 스테이지 안정화 및 롤링 셔터 타이밍 지연을 제거하여 시간을 절약할 수 있습니다.
그림 4는 타일 & 스티치(왼쪽)와 TDI(오른쪽) 스캐닝에서 인체 세포 이미지를 캡처하는 데 필요한 정지(녹색)와 이동(검은색 선)을 비교합니다. TDI 이미징에서 이미지를 정지하고 재정렬할 필요가 없으므로 노출 시간이 100ms 미만으로 짧을 경우 이미징 시간을 크게 단축할 수 있습니다.
표 2는 9k TDI와 표준 sCMOS 카메라 간 스캐닝의 작동 예를 보여줍니다.
그림 4: 형광 하에서 인간 세포를 포착한 스캐닝 모티프. 타일과 스티치(왼쪽)와 TDI 이미징(오른쪽)을 보여줍니다.
표 2: 10배 대물렌즈와 10ms 노출 시간을 사용한 15 x 15 mm 샘플에 대한 영역 스캔 이미징과 TDI 이미징의 비교.
TDI는 이미지 캡처 속도 향상에 있어 놀라운 잠재력을 제공하지만, 이 기술을 사용하는 데에는 미묘한 차이가 있습니다. 노출 시간이 긴 경우(>100ms), 영역 스캔의 이동 및 안정화 측면에서 손실되는 시간의 중요성은 노출 시간에 비해 감소합니다. 이러한 경우 영역 스캔 카메라는 TDI 이미징에 비해 스캔 시간이 단축될 수 있습니다. TDI 기술이 현재 설정보다 더 나은 이점을 제공하는지 확인하려면문의하기비교 계산기를 사용하세요.
다른 응용 프로그램
많은 연구 질문에는 다중채널이나 다중초점 이미지 획득과 같이 단일 이미지보다 더 많은 정보가 필요합니다.
영역 스캔 카메라의 다채널 이미징은 여러 파장을 동시에 사용하여 이미지를 캡처하는 것을 포함합니다. 이러한 채널은 일반적으로 적색, 녹색, 청색과 같은 서로 다른 파장의 빛에 해당합니다. 각 채널은 장면에서 특정 파장 또는 스펙트럼 정보를 캡처합니다. 카메라는 이러한 채널을 결합하여 풀컬러 또는 다중 스펙트럼 이미지를 생성하여 뚜렷한 스펙트럼 세부 정보를 포함한 더욱 포괄적인 장면을 제공합니다. 영역 스캔 카메라에서는 불연속 노출을 통해 이를 달성하지만, TDI 이미징에서는 분할기를 사용하여 센서를 여러 부분으로 분리할 수 있습니다. 9kTDI(45mm)를 3 x 15.0mm 센서로 분할하더라도 표준 센서(픽셀 너비 6.5µm, 2048픽셀) 너비 13.3mm보다 여전히 큽니다. 또한, TDI는 이미징되는 샘플 부분에만 조명을 비추면 되므로 스캔 주기를 더 빠르게 변경할 수 있습니다.
이러한 현상이 나타날 수 있는 또 다른 영역은 다중 초점 이미징입니다. 영역 스캔 카메라의 다중 초점 이미징은 서로 다른 초점 거리에서 여러 이미지를 촬영하고 이를 합성하여 전체 장면이 선명하게 초점이 맞춰진 합성 이미지를 만드는 과정입니다. 각 이미지에서 초점이 맞춰진 영역을 분석하고 결합하여 장면의 다양한 거리를 처리하고, 이미지를 더욱 세부적으로 표현합니다. 다시 말해,쪼개는 도구TDI 센서를 두 개(22.5mm) 또는 세 개(15.0mm)로 분할하면 영역 스캔 방식보다 더 빠르게 다중 초점 이미지를 획득할 수 있습니다. 그러나 고차 다중 초점(6개 이상의 z 스택)의 경우, 영역 스캔 방식이 가장 빠른 이미징 기술로 남을 가능성이 높습니다.
결론
이 기술 문서는 대면적 스캐닝을 위한 영역 스캐닝과 TDI 기술의 차이점을 설명합니다. 라인 스캐닝과 sCMOS 감도를 결합한 TDI는 타일 앤 스티치와 같은 기존 영역 스캔 방식을 능가하는 빠르고 고품질의 이미징을 중단 없이 구현합니다. 이 문서에 제시된 다양한 가정을 고려하여 온라인 계산기를 사용할 때의 이점을 평가해 보세요. TDI는 표준 및 고급 이미징 기술 모두에서 이미징 시간을 단축할 수 있는 강력한 잠재력을 갖춘 효율적인 이미징 도구입니다.TDI 카메라나 에어리어 스캔 카메라가 귀하의 용도에 적합하고 캡처 시간을 단축할 수 있는지 알아보고 싶으시다면, 오늘 저희에게 문의하세요.
