2023년 10월 10일시간 지연 및 적분(TDI)은 라인 스캐닝 원리를 기반으로 하는 이미지 캡처 방식입니다. 샘플의 움직임과 트리거링을 통한 이미지 슬라이스 캡처 시간을 조절하여 일련의 1차원 이미지를 캡처함으로써 이미지를 생성합니다. 이 기술은 수십 년 전부터 존재해 왔지만, 일반적으로 웹 검사와 같이 감도가 낮은 응용 분야에 사용되어 왔습니다.
차세대 카메라는 sCMOS의 감도와 TDI의 속도를 결합하여 영역 스캔과 동일한 품질의 이미지를 캡처하면서도 처리 속도를 몇 배나 향상시킬 수 있습니다. 이는 특히 저조도 환경에서 대형 샘플 이미징이 필요한 상황에서 두드러집니다. 이 기술 노트에서는 TDI 스캐닝의 작동 원리를 설명하고, 유사한 대면적 스캐닝 기술인 타일 앤 스티칭 이미징과의 이미지 캡처 시간을 비교합니다.
라인 스캐닝에서 TDI까지
라인 스캔 이미징은 시료가 움직이는 동안 픽셀로 이루어진 한 줄(컬럼 또는 스테이지라고 함)을 이용하여 이미지의 일부를 촬영하는 이미징 기술입니다. 전기 트리거링 메커니즘을 사용하여 시료가 센서를 통과할 때 이미지의 한 '조각'을 촬영합니다. 카메라 트리거링 속도를 시료 움직임에 맞춰 조정하고 프레임 그래버를 사용하여 이러한 이미지를 캡처한 다음, 이 이미지들을 이어 붙여 전체 이미지를 재구성할 수 있습니다.
TDI 이미징은 샘플의 이미지를 캡처하는 이 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 광전자가 판독 장치로 전송되고, 전체 범위에 걸쳐 통합된 신호를 사용하여 이미지 슬라이스를 생성합니다. 그림 1은 5개의 TDI 컬럼(단계)을 가진 장치에서의 이미지 캡처를 보여줍니다.
그림 1: TDI 기술을 이용한 이미지 캡처의 애니메이션 예시. 샘플(파란색 T)이 TDI 이미지 캡처 장치(5픽셀 열, 5단계 TDI 배열)를 통과하면서 각 단계에서 광전자가 캡처되어 신호 레벨에 더해진다. 판독 장치는 이를 디지털 이미지로 변환한다.
1a: 이미지(파란색 T)가 화면에 나타납니다. T는 장치에 표시된 대로 움직입니다.
1b: T가 첫 번째 단계를 통과하면 TDI 카메라가 작동하여 광전자를 받아들이고, 이 광전자는 TDI 센서의 첫 번째 단계에 도달하는 순간 픽셀에 포착됩니다. 각 열에는 광전자를 개별적으로 포착하는 일련의 픽셀이 있습니다.
1c: 이렇게 포착된 광전자들은 두 번째 단계로 이동하며, 각 열은 신호 레벨을 다음 단계로 전달합니다.
1d: 시료가 1픽셀 거리만큼 이동하는 시간에 맞춰 2단계에서 두 번째 광전자 세트가 포착되어 이전에 포착된 광전자와 합쳐지면서 신호가 증가합니다. 1단계에서는 다음 이미지 슬라이스에 해당하는 새로운 광전자 세트가 포착됩니다.
1e: 1d 단계에서 설명한 이미지 캡처 프로세스가 이미지가 센서를 지나갈 때 반복됩니다. 이렇게 하면 각 단계에서 생성된 광전자로부터 신호가 생성됩니다. 이 신호는 판독 장치로 전달되어 광전자 신호를 디지털 값으로 변환합니다.
1f: 디지털 판독값은 이미지 열 단위로 표시됩니다. 이를 통해 이미지의 디지털 재구성이 가능합니다.
TDI 장치는 시료가 움직이는 동안에도 광전자를 한 단계에서 다음 단계로 동시에 전달하고 첫 번째 단계에서 새로운 광전자를 포착할 수 있으므로, 캡처되는 행의 수는 사실상 무한대가 될 수 있습니다. 이미지 캡처 횟수(그림 1a)를 결정하는 트리거 속도는 수백 kHz에 달할 수 있습니다.
그림 2의 예에서, 29 x 17 mm 크기의 현미경 슬라이드를 5 µm 픽셀의 TDI 카메라를 사용하여 10.1초 만에 촬영했습니다. 상당한 확대 수준에서도 흐릿함이 최소화되었습니다. 이는 이전 세대 기술에 비해 엄청난 발전입니다.
자세한 내용은 표 1에서 확인할 수 있으며, 표 1은 10배, 20배, 40배 확대율에서 일반적인 샘플 크기에 대한 대표적인 이미지 촬영 시간을 보여줍니다.
그림 2: Tucsen 9kTDI를 사용하여 촬영한 형광 샘플 이미지. 노출 시간 10ms, 촬영 시간 10.1초.
표 1: Zaber MVR 시리즈 전동 스테이지에 장착된 Tucsen 9kTDI 카메라를 사용하여 10배, 20배, 40배 확대율에서 1ms 및 10ms 노출 시간으로 다양한 샘플 크기(초)에 대한 캡처 시간 매트릭스.
영역 스캔 이미징
sCMOS 카메라의 영역 스캔 이미징은 2차원 픽셀 배열을 사용하여 전체 이미지를 동시에 캡처하는 방식입니다. 각 픽셀은 빛을 포착하여 전기 신호로 변환하고 즉시 처리하여 고해상도 및 고속의 완전한 이미지를 생성합니다. 한 번의 노출로 캡처할 수 있는 이미지의 크기는 픽셀 크기, 배율 및 배열의 픽셀 수에 따라 결정됩니다.1)
표준 배열의 경우 시야각은 다음과 같이 주어집니다. (2)
시료가 카메라의 시야각을 넘어서는 경우, 시야각 크기의 이미지들을 격자 형태로 분할하여 하나의 큰 이미지를 만들 수 있습니다. 이러한 이미지들은 일정한 패턴에 따라 촬영됩니다. 스테이지가 격자 위의 특정 위치로 이동하고, 안정된 후 이미지가 촬영됩니다. 롤링 셔터 카메라의 경우, 셔터가 회전하는 동안 추가적인 대기 시간이 발생합니다. 이러한 이미지들은 카메라 위치를 이동시켜 촬영한 후 이어 붙여서 만들 수 있습니다. 그림 3은 형광 현미경으로 관찰한 사람 세포의 큰 이미지를 16개의 작은 이미지를 이어 붙여 만든 것을 보여줍니다.
그림 3: 타일 앤 스티치 이미징을 사용하는 영역 스캔 카메라로 촬영한 인간 세포 슬라이드.
일반적으로 더 자세한 정보를 얻으려면 더 많은 이미지를 생성하고 이러한 방식으로 이어 붙여야 합니다. 이에 대한 한 가지 해결책은 다음과 같은 방법을 사용하는 것입니다.대형 포맷 카메라 스캐닝이 카메라는 높은 화소 수를 가진 대형 센서와 특수 광학 장치를 결합하여 더욱 세밀한 이미지를 포착할 수 있습니다.
TDI와 영역 스캐닝(타일 앤 스티치) 방식 비교
넓은 면적의 시료 스캔에는 타일 앤 스티치(Tile & Stitch) 방식과 TDI 스캐닝 방식 모두 적합하지만, 최적의 방식을 선택하면 스캔 시간을 크게 단축할 수 있습니다. 이러한 시간 절약은 TDI 스캐닝 방식이 움직이는 시료를 촬영할 수 있기 때문에 가능하며, 타일 앤 스티치 방식에서 발생하는 스테이지 안정화 및 롤링 셔터 타이밍으로 인한 지연 시간을 없애줍니다.
그림 4는 타일 앤 스티치(왼쪽)와 TDI(오른쪽) 스캐닝 방식에서 인체 세포 이미지를 획득하는 데 필요한 정지(녹색) 및 이동(검은색 선) 횟수를 비교합니다. TDI 이미징에서는 정지 및 이미지 재정렬 과정이 필요 없으므로 노출 시간이 100ms 미만으로 짧을 경우 이미징 시간을 크게 단축할 수 있습니다.
표 2는 9k TDI와 표준 sCMOS 카메라 간의 스캔 예시를 보여줍니다.
그림 4: 형광 현미경을 이용하여 인간 세포를 포착한 스캔 모티프를 보여주는 그림으로, 타일 앤 스티치 기법(왼쪽)과 TDI 이미징 기법(오른쪽)을 나타낸다.
표 2: 10배율 대물렌즈와 10ms 노출시간으로 15 x 15 mm 샘플에 대한 영역 스캔과 TDI 이미징 비교.
TDI는 이미지 캡처 속도를 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있지만, 이 기술을 사용할 때는 몇 가지 미묘한 차이가 있습니다. 노출 시간이 긴 경우(>100ms), 영역 스캔에서 이동 및 안정화에 소요되는 시간은 노출 시간에 비해 상대적으로 중요도가 떨어집니다. 이러한 경우 영역 스캔 카메라가 TDI 이미징보다 스캔 시간을 단축할 수 있습니다. TDI 기술이 현재 설정보다 유리한 점이 있는지 확인하려면 다음을 참조하십시오.저희에게 연락하세요비교 계산기의 경우.
기타 응용 프로그램
많은 연구 질문은 단일 이미지보다 더 많은 정보, 예를 들어 다중 채널 또는 다중 초점 이미지 획득과 같은 정보를 필요로 합니다.
영역 스캔 카메라의 다중 채널 이미징은 여러 파장을 동시에 사용하여 이미지를 캡처하는 것을 의미합니다. 이러한 채널은 일반적으로 빨강, 녹색, 파랑과 같은 서로 다른 파장의 빛에 해당합니다. 각 채널은 장면에서 특정 파장 또는 스펙트럼 정보를 캡처합니다. 카메라는 이러한 채널들을 결합하여 풀컬러 또는 다중 스펙트럼 이미지를 생성함으로써 장면을 더욱 포괄적으로, 그리고 뚜렷한 스펙트럼 디테일을 제공합니다. 영역 스캔 카메라에서는 개별 노출을 통해 이를 구현하지만, TDI 이미징에서는 스플리터를 사용하여 센서를 여러 부분으로 나눌 수 있습니다. 9kTDI(45mm) 센서를 3개의 15.0mm 센서로 분할하더라도 표준 센서(픽셀 폭 6.5µm, 2048픽셀)의 폭인 13.3mm보다 여전히 큽니다. 또한 TDI는 이미징 대상 샘플 부분에만 조명을 필요로 하므로 스캔 주기를 더 빠르게 수행할 수 있습니다.
이러한 현상이 나타날 수 있는 또 다른 영역은 다중 초점 이미징입니다. 영역 스캔 카메라의 다중 초점 이미징은 서로 다른 초점 거리에서 여러 장의 이미지를 촬영하고 이를 합성하여 장면 전체가 선명하게 초점이 맞춰진 이미지를 생성하는 기술입니다. 각 이미지에서 초점이 맞는 영역을 분석하고 결합함으로써 장면 내 다양한 거리감을 해결하고, 결과적으로 더욱 세밀한 이미지를 구현합니다. 다시 말해, 여러 초점 거리를 사용하는 것은 전체 장면을 선명하게 표현하는 데 도움이 됩니다.쪼개는 도구TDI 센서를 두 개(22.5mm) 또는 세 개(15.0mm)로 분할하면 영역 스캔 방식보다 더 빠르게 다중 초점 이미지를 얻을 수 있습니다. 하지만 고차 다중 초점(z 스택 6개 이상)의 경우 영역 스캔 방식이 여전히 가장 빠른 이미징 기술일 가능성이 높습니다.
결론
본 기술 노트는 대면적 스캔에 있어 영역 스캔과 TDI 기술의 차이점을 설명합니다. TDI는 라인 스캔과 sCMOS의 높은 감도를 결합하여 기존의 타일 앤 스티칭 방식과 같은 영역 스캔 방식을 능가하는 빠르고 고품질의 이미징을 끊김 없이 구현합니다. 본 문서에 제시된 다양한 가정을 고려하여 온라인 계산기를 사용해 그 장점을 평가해 보십시오. TDI는 표준 및 고급 이미징 기술 모두에서 이미징 시간을 크게 단축할 수 있는 잠재력을 지닌 효율적인 이미징 도구입니다.TDI 카메라 또는 영역 스캔 카메라가 귀사의 용도에 적합하고 촬영 시간을 단축할 수 있는지 확인하고 싶으시다면 지금 바로 문의해 주세요.
