2025년 9월 30일산업 및 과학 이미징 분야에서 저조도 환경 하에 빠르게 움직이는 물체를 촬영하는 것은 끊임없는 과제입니다. 바로 이러한 문제를 해결하기 위해 시간 지연 적분(TDI) 카메라가 개발되었습니다. TDI 기술은 모션 동기화와 다중 노출을 결합하여 특히 고속 환경에서 탁월한 감도와 이미지 선명도를 제공합니다.
TDI 카메라란 무엇인가요?
TDI 카메라는 움직이는 물체의 이미지를 촬영하는 특수 라인 스캔 카메라입니다. 전체 프레임을 한 번에 노출하는 일반적인 영역 스캔 카메라와 달리, TDI 카메라는 물체의 움직임에 맞춰 픽셀 행의 전하를 다음 행으로 이동시킵니다. 피사체가 움직임에 따라 각 픽셀 행에 빛이 축적되어 노출 시간을 효과적으로 늘리고 모션 블러 없이 신호 강도를 향상시킵니다.
이러한 전하 통합은 신호 대 잡음비(SNR)를 획기적으로 향상시켜 TDI 카메라를 고속 또는 저조도 환경에 이상적인 카메라로 만들어줍니다.
TDI 카메라는 어떻게 작동하나요?
TDI 카메라의 작동 방식은 그림에 나와 있습니다.
메모:TDI 카메라는 움직이는 피사체와 동기화하여 획득한 전하를 여러 '단계'에 걸쳐 이동시킵니다. 각 단계는 빛에 노출될 수 있는 추가적인 기회를 제공합니다. 카메라 화면을 가로지르는 밝은 'T'자를 통해 이러한 원리를 설명할 수 있으며, 'T'자는 TDI 센서의 5열 5단계 세그먼트를 나타냅니다. Tucsen Dhyana 9KTDI는 하이브리드 CCD 방식의 전하 이동과 CMOS 방식의 병렬 판독 방식을 결합한 카메라입니다.
TDI 카메라는 기본적으로 라인 스캔 카메라와 유사하지만, 한 가지 중요한 차이점이 있습니다. 카메라가 피사체를 스캔하면서 데이터를 수집하는 단일 픽셀 행 대신, TDI 카메라는 일반적으로 최대 256개의 '스테이지'라고 하는 여러 행을 가지고 있습니다.
하지만 이러한 행들은 영역 스캔 카메라처럼 2차원 이미지를 형성하지 않습니다. 대신, 스캔 대상물이 카메라 센서를 가로질러 움직이면 각 픽셀 내에서 검출된 광전자들이 대상물의 움직임과 동기화되어 다음 행으로 이동하지만, 아직 판독되지는 않습니다. 따라서 각 행은 대상물을 빛에 노출시킬 수 있는 추가적인 기회를 제공합니다. 이미지 조각이 센서의 마지막 행에 도달해야만 해당 행이 판독 장치로 전달되어 측정이 이루어집니다.
따라서 여러 카메라 스테이지에서 측정이 이루어지더라도 카메라 판독 노이즈는 단 한 번만 발생합니다. 256 스테이지 TDI 카메라는 동일한 라인 스캔 카메라보다 샘플을 256배 더 오랫동안 시야에 유지하므로 노출 시간도 256배 더 깁니다. 동일한 노출 시간 동안 영역 스캔 카메라를 사용하면 극심한 모션 블러가 발생하여 이미지를 사용할 수 없게 됩니다.
TDI는 언제 사용할 수 있나요?
TDI 카메라는 촬영 대상물이 카메라에 대해 움직이는 모든 이미징 애플리케이션에 탁월한 솔루션입니다. 단, 해당 움직임이 카메라 시야 전체에 걸쳐 균일해야 합니다.
따라서 TDI 이미징의 응용 분야는 한편으로는 2차원 이미지를 생성하는 라인 스캐닝 방식의 모든 응용 분야를 포함하며, 더 빠른 속도, 훨씬 향상된 저조도 감도, 더 나은 이미지 품질 또는 이 세 가지 모두를 동시에 제공합니다. 다른 한편으로는 TDI 카메라를 사용할 수 있는 영역 스캔 카메라를 사용하는 다양한 이미징 기술이 있습니다.
고감도 sCMOS TDI의 경우, 생물 형광 현미경에서 '타일 앤 스티칭' 이미징은 타일링 대신 스테이지의 논스톱 스캔을 사용하여 수행할 수 있습니다. 또한 모든 TDI는 검사 응용 분야에 매우 적합합니다. TDI의 또 다른 중요한 응용 분야는 이미징 유세포 분석으로, 미세유체 채널을 통과하는 세포의 형광 이미지를 카메라 앞에서 획득하는 방식입니다.
sCMOS TDI의 장단점
장점
● 피사체를 스캔할 때 임의의 크기의 2차원 이미지를 고속으로 캡처할 수 있습니다.
● 다중 TDI 단계, 저잡음 및 높은 양자 효율은 라인 스캔 카메라보다 훨씬 높은 감도를 제공할 수 있습니다.
● 예를 들어 9,072픽셀 너비의 이미지의 경우 최대 510,000Hz(초당 라인 수)와 같은 매우 빠른 판독 속도를 달성할 수 있습니다.
● 조명은 1차원이면 충분하며, 두 번째(스캔된) 차원에서 플랫 필드 또는 기타 보정이 필요하지 않습니다. 또한, 라인 스캔 방식보다 긴 노출 시간은 AC 광원으로 인한 깜빡임을 완화할 수 있습니다.
● 움직이는 이미지를 모션 블러 없이 고속 및 고감도로 촬영할 수 있습니다.
● 넓은 영역을 스캔하는 속도는 영역 스캔 카메라보다 훨씬 빠를 수 있습니다.
● 고급 소프트웨어 또는 트리거 설정을 사용하면 '영역 스캔과 유사한' 모드를 통해 초점 및 정렬을 위한 영역 스캔 개요를 제공할 수 있습니다.
단점
● 기존 sCMOS 카메라보다 노이즈 수준이 여전히 높아 초저조도 환경에는 적합하지 않습니다.
● 촬영 대상의 움직임과 카메라의 스캔 동작을 동기화하려면 고급 트리거링을 포함한 특수 설정이 필요하며, 움직임 속도를 매우 정밀하게 제어하거나 동기화를 가능하게 하는 속도를 정확하게 예측해야 합니다.
● 새로운 기술이기 때문에 현재 하드웨어 및 소프트웨어 구현을 위한 솔루션이 많지 않습니다.
저조도 환경에서도 사용 가능한 sCMOS TDI
TDI는 이미징 기술로서 디지털 이미징보다 앞서 존재했으며 성능 면에서도 오래전에 라인 스캔 방식을 능가했지만, TDI 카메라가 과학 등급 수준의 감도를 요구하는 저조도 환경에서도 사용 가능한 감도를 확보하게 된 것은 최근 몇 년 사이입니다.sCMOS 카메라.
'sCMOS TDI'는 센서를 통한 전하 이동 방식이 CCD 방식과 유사하지만, 판독 방식은 sCMOS 방식과 결합되어 있으며, 후면 발광 센서도 사용 가능합니다. 기존의 CCD 기반 또는 순수 CMOS 기반* TDI 카메라는 판독 속도가 현저히 느리고, 화소 수가 적으며, 단계 수도 적고, 판독 노이즈가 30e-에서 100e- 이상에 달했습니다. 이와 대조적으로, Tucsen과 같은 sCMOS TDI 카메라는디야나 9KTDI sCMOS 카메라이 제품은 7.2e-의 판독 잡음을 제공하며, 후면 조명을 통해 양자 효율을 높여 이전에는 불가능했던 훨씬 낮은 조도에서도 TDI를 사용할 수 있도록 합니다.
많은 응용 분야에서 TDI 공정을 통해 가능해진 더 긴 노출 시간은 판독 노이즈가 1e-에 가까운 고품질 sCMOS 영역 스캔 카메라에 비해 판독 노이즈 증가를 충분히 보상할 수 있습니다.
TDI 카메라의 일반적인 활용 분야
TDI 카메라는 정밀도와 속도가 모두 중요한 다양한 산업 분야에서 찾아볼 수 있습니다.
●반도체 웨이퍼 검사
●평면 패널 디스플레이(FPD)테스트
● 웹 검사(종이, 필름, 호일, 직물)
● 의료 진단 또는 수하물 검색 시 X선 촬영
● 디지털 병리학에서의 슬라이드 및 멀티웰 플레이트 스캐닝
● 원격 탐사 또는 농업 분야에서의 초분광 영상
● SMT 라인에서의 PCB 및 전자 부품 검사
이러한 응용 분야는 실제 환경 조건에서 TDI 이미징이 제공하는 향상된 대비, 속도 및 선명도의 이점을 활용합니다.
예시: 슬라이드 및 멀티웰 플레이트 스캐닝
앞서 언급했듯이, sCMOS TDI 카메라의 가장 유망한 응용 분야 중 하나는 슬라이드 또는 멀티웰 플레이트 스캐닝을 포함한 이미지 스티칭 응용 분야입니다. 2차원 영역 카메라를 사용하여 대형 형광 현미경 또는 명시야 현미경 샘플을 스캐닝하는 경우, XY 현미경 스테이지의 여러 움직임으로 생성된 이미지 그리드를 스티칭해야 합니다. 각 이미지를 얻으려면 스테이지가 정지하고 안정화된 다음 다시 시작해야 하며, 롤링 셔터로 인한 지연 시간도 필요합니다. 반면 TDI는 스테이지가 움직이는 동안에도 이미지를 획득할 수 있습니다. 이미지는 샘플 전체 너비를 덮는 소수의 긴 '스트립'으로 구성됩니다. 이는 이미징 조건에 따라 모든 스티칭 응용 분야에서 획득 속도와 데이터 처리량을 획기적으로 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
스테이지 이동 속도는 TDI 카메라의 총 노출 시간에 반비례하므로, 짧은 노출 시간(1~20ms)은 영역 스캔 카메라에 비해 이미징 속도를 가장 크게 향상시켜 전체 촬영 시간을 10배 이상 단축할 수 있습니다. 하지만 노출 시간이 길어지는 경우(예: 100ms 초과)에는 영역 스캔 방식이 여전히 시간적인 이점을 제공하는 경우가 많습니다.
그림은 단 10초 만에 생성된 매우 큰(2기가픽셀) 형광 현미경 이미지의 예를 보여줍니다. 영역 스캔 카메라로 동일한 이미지를 생성하려면 몇 분이 소요될 수 있습니다.
메모:형광 현미경(Tucsen Dhyana 9kTDI)으로 형광펜 점을 10배 확대하여 촬영한 이미지입니다. 노출 시간 3.6ms, 촬영 시간 10초입니다. 이미지 크기: 30mm x 17mm, 58,000 x 34,160 픽셀.
TDI 동기화
TDI 카메라와 촬영 대상의 속도 동기화(몇 퍼센트 이내)는 필수적입니다. 속도 불일치는 '모션 블러' 효과를 유발합니다. 이 동기화는 두 가지 방법으로 수행할 수 있습니다.
예측적:카메라 속도는 샘플의 움직임 속도, 광학계(배율), 카메라 픽셀 크기에 대한 정보를 바탕으로 움직임 속도에 맞춰 설정됩니다. 또는 시행착오를 통해 설정하기도 합니다.
트리거됨:현미경 스테이지, 갠트리 및 기타 이미징 대상 이동 장비에는 특정 이동 거리에 도달하면 카메라에 트리거 펄스를 보내는 인코더가 포함될 수 있습니다. 이를 통해 스테이지/갠트리와 카메라가 이동 속도에 관계없이 동기화된 상태를 유지할 수 있습니다.
TDI 카메라와 라인 스캔 및 영역 스캔 카메라 비교
TDI는 다른 인기 있는 영상 기술과 다음과 같이 비교됩니다.
| 특징 | TDI 카메라 | 라인 스캔 카메라 | 영역 스캔 카메라 |
| 감광도 | 매우 높음 | 중간 | 낮음~중간 |
| 이미지 품질(움직임) | 훌륭한 | 좋은 | 고속 주행 시 흐릿하게 보임 |
| 조명 요구 사항 | 낮은 | 중간 | 높은 |
| 모션 호환성 | 훌륭합니다 (동기화가 잘 된다면). | 좋은 | 가난한 |
| 가장 적합한 대상 | 고속, 저조도 | 빠르게 움직이는 물체 | 정적인 장면 또는 느린 장면 |
장면이 빠르게 움직이고 조명이 제한적일 때는 TDI 방식이 확실한 선택입니다. 라인 스캔은 감도가 한 단계 낮고, 영역 스캔은 단순하거나 고정된 촬영 환경에 더 적합합니다.
적합한 TDI 카메라 선택하기
TDI 카메라를 선택할 때는 다음 사항을 고려하십시오.
●TDI 단계 수:단계 수가 많아질수록 SNR은 증가하지만 비용과 복잡성도 증가합니다.
●센서 유형:sCMOS는 속도와 저잡음 특성 때문에 선호되지만, CCD는 일부 구형 시스템에 여전히 적합할 수 있습니다.
●인터페이스:시스템과의 호환성을 확인하세요. Camera Link, CoaXPress, 10GigE는 일반적인 옵션이며, 100G CoF와 40G CoF는 새로운 트렌드로 떠오르고 있습니다.
●스펙트럼 응답:용도에 따라 흑백, 컬러 또는 근적외선(NIR) 중에서 선택하십시오.
●동기화 옵션:모션 정렬을 개선하려면 인코더 입력이나 외부 트리거 지원과 같은 기능을 찾아보세요.
정밀한 생물학적 샘플, 고속 검사 또는 저조도 환경과 관련된 응용 분야라면 sCMOS TDI가 적합할 가능성이 높습니다.
결론
TDI 카메라는 특히 sCMOS 센서를 기반으로 할 때 이미징 기술의 강력한 진화를 보여줍니다. 모션 동기화와 멀티라인 통합을 결합하여 역동적이고 저조도 환경에서도 탁월한 감도와 선명도를 제공합니다.
웨이퍼 검사, 슬라이드 스캔 또는 고속 검사 등 어떤 작업을 하든 TDI의 작동 방식을 이해하면 최적의 솔루션을 선택하는 데 도움이 될 수 있습니다.과학용 카메라이미지 촬영 관련 문제를 해결해 드립니다.
자주 묻는 질문
TDI 카메라가 영역 스캔 모드로 작동할 수 있습니까?
TDI 카메라는 센서 타이밍을 조절하는 기술을 통해 '영역 스캔과 유사한' 모드로 (매우 얇은) 2차원 이미지를 생성할 수 있습니다. 이는 초점 맞추기 및 정렬과 같은 작업에 유용할 수 있습니다.
'영역 스캔 노출'을 시작하려면 먼저 TDI를 카메라 스테이지 수만큼 최대한 빠르게 전진시킨 후 정지하여 센서를 '클리어'해야 합니다. 이 과정은 소프트웨어 제어 또는 하드웨어 트리거링을 통해 수행되며, 이상적으로는 어두운 환경에서 진행해야 합니다. 예를 들어, 256 스테이지 카메라의 경우 최소 256줄을 읽은 후 정지해야 합니다. 이 256줄의 데이터는 폐기됩니다.
카메라가 작동되지 않거나 라인이 읽히지 않는 동안 센서는 이미지를 노출하는 영역 스캔 센서처럼 작동합니다.
원하는 노출 시간이 경과할 때까지 카메라를 정지 상태로 둔 다음, 카메라를 최소한 카메라 스테이지 수만큼 다시 전진시켜 방금 촬영한 이미지의 각 라인을 읽어내야 합니다. 이상적으로는 이 '읽어내기' 단계도 어두운 환경에서 이루어져야 합니다.
이 기술은 TDI 작업으로 인한 왜곡 및 흐림 현상을 최소화한 '실시간 미리보기' 또는 영역 스캔 이미지 시퀀스를 제공하기 위해 반복해서 사용할 수 있습니다.
투센 포토닉스 주식회사. 모든 권리 보유. 인용 시 출처를 명시해 주십시오.www.tucsen.com
