2022년 6월 15일초점이 맞지 않는 빛을 포착하는 것은 많은 이미징 응용 분야에서 선명하고 고대비 이미지를 얻는 데 어려운 과제입니다. 디지털 스캐닝 광시트 현미경(DSLM)은 최신 CMOS 카메라의 '롤링 셔터'와 조명을 동기화함으로써 초점이 맞지 않는 빛의 포착을 줄이는 강력한 방법을 제공합니다. 그러나 이러한 정밀한 동기화를 위해서는 카메라의 롤링 셔터 작동을 완벽하게 제어해야 하는데, 투센 카메라의 롤링 셔터 제어 모드가 바로 이러한 기능을 제공합니다.
롤링 셔터란 무엇인가요?
셔터는 카메라가 빛에 노출되는 것을 시작하고 멈추는 부분입니다. 과거의 과학용 카메라는 기계식 셔터를 사용했는데, 셔터가 열리면 이미지가 노출되고 닫히면 노출이 종료되었습니다. 기계식 셔터는 속도가 느리고 장기간 사용 시 신뢰성 문제가 발생하기 쉬웠습니다. 오늘날 과학용 카메라는 훨씬 빠르고 간단하며 활용도가 높은 전자식 셔터를 사용합니다.
롤링 셔터 카메라는 센서 상단에서 이미지 획득을 시작하여 센서 하단까지 한 줄씩 '롤링'하듯이 내려갑니다. 이 획득 과정은 신호 재설정, 광 노출, 판독의 세 단계로 이루어집니다.
각 행의 노출은 각 픽셀의 획득 신호를 재설정함으로써 시작됩니다. 맨 위 행에 대해 지정된 노출 시간이 경과하면, 획득 종료를 나타내는 판독값이 동일한 방식으로 아래로 내려갑니다. 이로써 카메라 상단에서 하단까지 노출 시간에 따라 높이가 결정되는 활성 픽셀 영역이 남게 됩니다. 카메라가 최대 속도로 작동할 때, 각 행당 지연 시간은 카메라 속도에 따라 일반적으로 5~25마이크로초입니다.
조명 스캐닝과 카메라의 롤링 셔터 동기화가 필요한 광학 기술을 활용하려면 일반적으로 이 지연 시간이 너무 짧아 롤링 셔터가 다른 하드웨어가 따라잡을 수 없을 정도로 빠르게 작동합니다. 바로 이 부분에서 롤링 셔터 제어 모드가 필요합니다.
그림 1: 롤링 셔터 작동 개략도
롤링 셔터 제어 모드 작동 방식
투센 카메라에 내장된 인텔리전스를 통해 카메라의 롤링 셔터 작동을 외부 하드웨어와 정확하게 동기화하도록 미세 조정할 수 있습니다. 리셋과 각 라인 판독 사이에 미세한 지연 시간을 추가함으로써 활성 픽셀 영역이 센서를 스캔하는 데 걸리는 시간을 제어하여 동기화를 가능하게 합니다.
또한 스캔되는 활성 영역의 '슬릿 높이'를 미세 조정할 수 있습니다. 노출 시간이 길거나 라인 시간 지연이 짧을수록 슬릿 높이가 커집니다. DSLM의 경우, 이를 이용하여 샘플의 조명 영역만 일치시켜 효과적인 신호 포착을 위해 픽셀을 최대한 오랫동안 노출시키는 것과 초점이 맞지 않는 빛을 최소화하는 것 사이의 균형을 맞출 수 있습니다.
수치2왼쪽: 카메라 최대 셔터 속도에서의 롤링 셔터 작동 개략도. 오른쪽: 롤링 셔터 제어 모드를 적용했을 때의 롤링 셔터 속도 개략도. 롤링 셔터 제어 모드는 각 라인 사이에 추가 지연 시간을 넣어 다른 하드웨어와의 동기화를 가능하게 합니다.
이 선택적 지연 기능으로 인해 롤링 셔터 작동을 결정하는 세 가지 중요한 변수를 이해해야 합니다. 이 변수들은 '활성' 픽셀 영역의 높이와 센서를 통과하는 속도를 나타냅니다.
라인 타임: 이는 센서가 한 행을 읽고 다음 행으로 넘어가는 데 걸리는 기본 시간입니다. 카메라 센서의 고유 '속도'를 결정하며, 카메라 소프트웨어에서 지정하거나 특정 관심 영역(ROI) 및 카메라 모드에 대해 다음과 같이 근사값을 구할 수 있습니다.
여기서 '최대 카메라 프레임 속도'는 노출 시간이나 외부 트리거링 속도에 의해 제한되지 않을 때의 프레임 속도를 의미합니다.
노출 시간:이는 각 픽셀 행이 활성화되는 시간을 결정하며, 따라서 주어진 라인 시간 및 지연 시간에 대한 활성 영역의 높이를 결정합니다.
회선 지연 시간:롤링 셔터 제어 모드로 인해 추가되는 지연 시간은 이 정도입니다. 롤링 셔터 제어 모드는 지연 시간을 추가할 수 있도록 해줍니다.회선 시간의 정수배로예를 들어 카메라의 라인 타임이 10마이크로초인 경우, 라인당 추가 지연 시간은 1, 2,…최대 8,928까지 더할 수 있으며, 이는 10마이크로초의 배수의 개수를 나타냅니다.
또한 중요한 것은 사용되는 관심 영역(ROI)의 높이인데, 이는 활성 영역이 재설정되기 전에 스캔해야 하는 라인 수를 결정하기 때문입니다.
롤링 셔터 제어 모드 동기화 모드
롤링 셔터 제어 모드에는 제어해야 할 변수에 따라 두 가지 작동 모드가 있습니다.
In 라인 시간 지연 모드위에서 설명한 대로 지연 시간을 설정할 수 있습니다. 그러면 소프트웨어는 지정된 노출 시간에 대해 결과적인 슬릿 높이(롤링 셔터에서 활성 픽셀의 높이)를 표시할 수 있습니다.
In 활성 픽셀/슬릿 높이이 모드에서는 롤링 셔터가 움직이는 동안 활성화할 센서 행 수를 설정할 수 있습니다. 지정한 노출 시간을 사용하여 필요한 라인 시간 지연을 자동으로 계산하여 해당 슬릿 높이를 구현합니다.
소프트웨어에서 롤링 셔터 제어 모드 설정하기
작동 모드(상태) 제어
그림 3: Tucsen Mosaic 소프트웨어에서 롤링 셔터 제어 모드를 제어하기 위한 인터페이스 예시. 모든 옵션 Micro-Manager 및 SDK를 통해 이용 가능합니다.
세 가지 상태(작동 모드)를 사용할 수 있습니다.Off, 회선 지연, 슬릿 높이.
• 설정 시끄다센서는 추가적인 지연 없이 정상적으로 작동합니다.
• 설정 시회선 지연이 모드에서는 위에서 설명한 대로 회선 시간 단위로 회선 시간 지연을 지정할 수 있습니다.
그림 4: 회선 시간 지연 소프트웨어 옵션. 예시Tucsen Mosaic 소프트웨어의 인터페이스입니다. 모든 옵션은 MicroManager 및 SDK를 통해 사용할 수 있습니다.
설정 가능한 지연 시간에 추가할 수 있는 라인 타임 사이클 수는 카메라마다 다릅니다. 지연 시간이 추가된 후 카메라의 새로운 라인 타임은 다음과 같습니다.
라인 간격 시간 = 라인 시간(감지기)+(라인 타임)(감지기)× 회선 시간 지연)
매개변수 값구름 속도는 다음과 같습니다라인 간격 시간.
이미지 판독에 소요되는 총 시간은 다음과 같습니다.
R머리아웃 타임(영상)= 라인 간격 시간×N행.
N행이는 관심 영역 내 이미징 픽셀 행의 총 개수입니다. 이 모드에서 이미징할 때의 프레임 속도는 이미징할 라인 수와 라인 주기 시간에 따라 달라집니다.
프레임률 = 1/(읽기 시간)(영상)+ 노출 시간)
•설정 시슬릿 높이 m오드, 당신은 설정할 수 있습니다스캔된 활성 영역의 크기는 t로 표시됩니다."리셋" 신호와 "판독" 신호 사이의 픽셀 행 수.슬릿 높이 범위는 픽셀 단위로 1~2048입니다. 이를 물리적 크기로 변환하려면 카메라 사양표에 나와 있는 픽셀 크기를 이 값에 곱하십시오.
그림 5: 슬릿 높이 모드 제어 옵션. 예시Tucsen Mosaic 소프트웨어의 인터페이스입니다. 모든 옵션은 MicroManager 및 SDK를 통해 사용할 수 있습니다.
소프트웨어는 필요한 회선 지연 시간과 회선 간격 시간을 자동으로 계산하며, 공식은 다음과 같습니다.
라인 타임 지연 = 노출 시간(윤곽)슬릿 높이 /(윤곽)
고속 모드(카메라의 게인 모드)에서는 슬릿 높이 범위를 짝수로만 설정할 수 있습니다. 이 모드에서는 라인이 두 개씩 짝지어 읽히기 때문입니다. 고속 모드에서의 파라미터 계산식은 다음과 같습니다.
라인 타임 지연 = 노출 시간(윤곽)/ ½슬릿 높이(윤곽)
슬릿 높이 = （노출 시간(윤곽)÷ 회선 시간 지연)×2
스캔 방향 제어
셔터 회전 방향에는 세 가지 옵션이 있습니다.
D소유하다sCMOS 카메라의 기본 스캔 방향은 아래쪽으로 향하는 것입니다. 롤링 셔터는 센서 상단의 첫 번째 행부터 시작하여 하단의 마지막 행까지 스캔합니다. 이후의 각 프레임 획득은 상단의 첫 번째 행부터 시작됩니다.
그림 6: 하향 스캔 모드 개략도
Up：상향 스캔 모드에서는 롤링 셔터가 맨 아래 행부터 시작하여 첫 번째 행의 맨 위 행까지 스캔합니다. 이후의 각 프레임 획득은 맨 아래 행부터 시작됩니다. 카메라의 데이터 캡처 순서는 반전되지만, 소프트웨어로 전달되는 최종 이미지는 원래 방향을 유지합니다. 즉, 하향 스캔 모드와 비교하여 이미지가 세로로 뒤집히지 않습니다.
그림 7: 상향 스캔 모드 개략도
하락-상승 주기상하로 번갈아 스캔할 때, 롤링 셔터는 맨 위쪽 첫 번째 줄에서 시작하여 맨 아래쪽 마지막 줄까지 내려갑니다. 다음 프레임에서는 롤링 셔터가 맨 아래쪽 줄에서 시작하여 맨 위쪽 줄까지 스캔하는 식으로 진행됩니다. 이 모드에서 획득한 이미지의 방향은 하강 스캔 방향과 동일합니다.
그림 8: 하향-상향 주기 스캔 모드 개략도
• Rea방향 재설정
이 기능은 다운-업 사이클 모드에서만 사용할 수 있습니다.
이 매개변수의 기본 설정은 "예"이며, 이는 새로운 데이터 수집 시퀀스의 첫 번째 프레임이 최상위 행에서 시작하여 아래로 스캔되도록 합니다.
이 매개변수를 "아니요"로 설정하면 각 새 획득의 첫 번째 프레임은 이전 시퀀스의 마지막 프레임 위치에서 시작됩니다. 마지막 프레임이 맨 아래 행에서 끝나는 경우, 이후 획득의 첫 번째 프레임은 맨 아래 행에서 시작하여 위로 진행됩니다.
