2008년 8월 25일산업 및 과학 이미징 분야에서 저조도 환경에서 빠르게 움직이는 물체를 포착하는 것은 끊임없는 과제입니다. 바로 이 부분에서 시간 지연 통합(TDI) 카메라가 등장합니다. TDI 기술은 동작 동기화와 다중 노출을 결합하여 특히 고속 환경에서 탁월한 감도와 이미지 선명도를 제공합니다.
TDI 카메라란?
TDI 카메라는 움직이는 물체의 이미지를 촬영하는 특수 라인 스캔 카메라입니다. 한 번에 전체 프레임을 노출하는 일반적인 영역 스캔 카메라와 달리, TDI 카메라는 물체의 움직임에 맞춰 픽셀 행을 하나씩 이동시킵니다. 각 픽셀 행은 피사체가 움직일 때 빛을 축적하여 노출 시간을 효과적으로 늘리고 신호 강도를 향상시키면서도 모션 블러는 발생하지 않습니다.
이러한 전하 통합으로 신호 대 잡음비(SNR)가 획기적으로 향상되어 TDI 카메라는 고속 또는 저조도 애플리케이션에 이상적입니다.
TDI 카메라는 어떻게 작동하나요?
TDI 카메라의 작동은 그림 1에 설명되어 있습니다.
그림 1: 시간 지연 통합(TDI) 센서의 작동
메모: TDI 카메라는 움직이는 피사체와 동기화되어 획득된 전하를 여러 '단계'에 걸쳐 이동합니다. 각 단계는 빛에 노출될 수 있는 추가 기회를 제공합니다. 카메라를 가로지르는 밝은 'T'자와 5열 x 5단계 TDI 센서 세그먼트를 통해 설명됩니다. 하이브리드 CCD 방식의 전하 이동과 CMOS 방식의 병렬 판독 방식을 사용하는 Tucsen Dhyana 9KTDI입니다.
TDI 카메라는 사실상 라인 스캔 카메라이지만, 중요한 차이점이 하나 있습니다. 카메라가 피사체를 스캔할 때 픽셀 한 행이 데이터를 수집하는 반면, TDI 카메라는 일반적으로 최대 256개까지 '스테이지'라고 하는 여러 행을 갖습니다.
하지만 이러한 행들은 영역 스캔 카메라처럼 2차원 이미지를 형성하지 않습니다. 스캔된 이미지 피사체가 카메라 센서를 가로질러 이동함에 따라, 각 픽셀 내에서 감지된 광전자는 이미지 피사체의 움직임에 맞춰 다음 행으로 이동하지만, 아직 판독되지는 않습니다. 각 행은 이미지 피사체를 빛에 노출시킬 수 있는 추가적인 기회를 제공합니다. 이미지 슬라이스가 센서의 마지막 픽셀 행에 도달한 후에야 해당 행이 측정을 위해 판독 아키텍처로 전달됩니다.
따라서 여러 카메라 스테이지에 걸쳐 여러 번의 측정이 수행되더라도 카메라 판독 노이즈는 단 한 번만 발생합니다. 256 스테이지 TDI 카메라는 샘플을 256배 더 오래 관찰할 수 있으므로, 동급 라인 스캔 카메라보다 노출 시간이 256배 더 깁니다. 영역 스캔 카메라로 동일한 노출 시간을 사용하면 극심한 모션 블러가 발생하여 이미지를 사용할 수 없게 됩니다.
TDI는 언제 사용할 수 있나요?
TDI 카메라는 피사체가 카메라에 비해 움직이는 모든 이미징 애플리케이션에 적합한 솔루션이며, 카메라 시야 전체에서 움직임이 균일해야 합니다.
따라서 TDI 이미징의 응용 분야는 한편으로는 2차원 이미지를 형성하는 모든 라인 스캐닝을 포함하며, 더 빠른 속도, 대폭 향상된 저조도 감도, 더 나은 이미지 품질, 또는 이 세 가지를 동시에 제공합니다. 다른 한편으로는 TDI 카메라를 사용할 수 있는 영역 스캔 카메라를 사용하는 다양한 이미징 기술이 있습니다.
고감도 sCMOS TDI의 경우, 생물학적 형광 현미경에서 타일링 대신 스테이지를 연속 스캔하여 '타일 앤 스티치' 이미징을 수행할 수 있습니다. 또는 모든 TDI가 검사 용도에 적합할 수도 있습니다. TDI의 또 다른 중요한 응용 분야는 유동 세포 분석 이미징으로, 미세유체 채널을 통과하는 세포가 카메라를 통과할 때 형광 이미지를 획득합니다.
sCMOS TDI의 장단점
장점
● 이미징 대상을 스캐닝할 때 고속으로 임의의 크기의 2차원 이미지를 캡처할 수 있습니다.
● 여러 개의 TDI 스테이지, 낮은 노이즈, 높은 QE로 인해 라인 스캔 카메라보다 훨씬 높은 감도를 얻을 수 있습니다.
● 예를 들어 9,072픽셀 폭의 이미지에 대해 최대 510,000Hz(초당 라인 수)의 매우 높은 판독 속도를 달성할 수 있습니다.
●조명은 1차원만 필요하며, 2차원(스캔된)에서는 플랫 필드 보정이나 기타 보정이 필요하지 않습니다. 또한, 라인 스캔보다 노출 시간이 길어 AC 광원으로 인한 플리커를 '완화'할 수 있습니다.
● 움직임 흐림 없이 빠른 속도와 고감도로 움직이는 이미지를 획득할 수 있습니다.
●넓은 영역을 스캔하는 것은 영역 스캔 카메라보다 훨씬 빠를 수 있습니다.
● 고급 소프트웨어나 트리거 설정을 사용하면 '영역 스캔 유사' 모드에서 초점과 정렬을 위한 영역 스캔 개요를 제공할 수 있습니다.
단점
● 기존 sCMOS 카메라보다 노이즈가 여전히 높아 초저조도 애플리케이션에는 적용이 불가능합니다.
● 카메라 스캐닝과 피사체의 움직임을 동기화하기 위한 고급 트리거링, 매우 정밀한 이동 속도 제어 또는 동기화를 가능하게 하는 정확한 속도 예측을 갖춘 전문적인 설정이 필요합니다.
● 새로운 기술이므로 현재 하드웨어 및 소프트웨어 구현을 위한 솔루션이 거의 없습니다.
저조도 지원 sCMOS TDI
TDI는 이미징 기술로서 디지털 이미징보다 앞서 있었고 오래 전부터 성능 면에서 라인 스캔을 능가했지만 TDI 카메라가 일반적으로 과학 등급의 감도를 필요로 하는 저조도 애플리케이션에 도달하는 데 필요한 감도를 확보한 것은 불과 몇 년 전의 일입니다.sCMOS 카메라.
'sCMOS TDI'는 CCD 방식의 센서 전하 이동과 sCMOS 방식의 판독 방식을 결합한 것으로, 후면 조명 센서도 사용 가능합니다. 이전 CCD 기반 또는 순수 CMOS 기반* TDI 카메라는 판독 속도가 매우 느리고, 픽셀 수가 적으며, 스테이지 수가 적고, 판독 노이즈가 30e에서 100e 이상이었습니다. 이와 대조적으로, Tucsen과 같은 sCMOS TDI는Dhyana 9KTDI sCMOS 카메라7.2e-의 읽기 잡음을 제공하고, 백 조명을 통해 더 높은 양자 효율을 달성하여 이전에는 불가능했던 훨씬 낮은 조도 수준의 애플리케이션에서 TDI를 사용할 수 있게 해줍니다.
많은 응용 분야에서 TDI 공정으로 가능해진 더 긴 노출 시간은 1e-에 가까운 읽기 노이즈를 갖는 고품질 sCMOS 영역 스캔 카메라와 비교했을 때 읽기 노이즈 증가를 충분히 보상할 수 있습니다.
TDI 카메라의 일반적인 응용 분야
TDI 카메라는 정밀도와 속도가 똑같이 중요한 많은 산업 분야에서 사용됩니다.
● 반도체 웨이퍼 검사
● 평판 디스플레이(FPD) 테스트
● 웹 검사(종이, 필름, 호일, 섬유)
● 의료 진단이나 수하물 검사에서의 X선 스캐닝
● 디지털 병리학에서의 슬라이드 및 멀티웰 플레이트 스캐닝
● 원격 감지 또는 농업에서의 초분광 이미징
● SMT 라인에서의 PCB 및 전자부품 검사
이러한 응용 프로그램은 실제 제약 조건 하에서 TDI 이미징이 제공하는 향상된 대비, 속도 및 선명도의 이점을 얻습니다.
예: 슬라이드 및 멀티웰 플레이트 스캐닝
앞서 언급했듯이, sCMOS TDI 카메라에 큰 잠재력을 가진 분야 중 하나는 슬라이드 또는 멀티웰 플레이트 스캐닝을 포함한 스티칭 분야입니다. 2차원 영역 카메라로 대형 형광 또는 명시야 현미경 샘플을 스캐닝하는 것은 XY 현미경 스테이지의 여러 움직임으로 형성된 이미지 그리드를 스티칭하는 데 의존합니다. 각 이미지는 스테이지가 정지, 안정화, 그리고 롤링 셔터 지연과 함께 재시작되어야 합니다. 반면, TDI는 스테이지가 움직이는 동안 이미지를 획득할 수 있습니다. 이미지는 샘플의 전체 너비를 덮는 소수의 긴 '스트립'으로 구성됩니다. 이는 이미징 조건에 따라 모든 스티칭 분야에서 획득 속도와 데이터 처리량을 크게 향상시킬 수 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 총 획득 시간을 10배 이상 단축할 수 있습니다. 더 긴 노출 시간(예: 100ms 이상)의 경우, 영역 스캔 카메라가 일반적으로 시간적 이점을 유지할 수 있습니다.
그림 2는 단 10초 만에 형성된 매우 큰(2기가픽셀) 형광 현미경 이미지의 예를 보여줍니다. 영역 스캔 카메라로 형성된 동일한 이미지에는 최대 몇 분이 걸릴 것으로 예상됩니다.
그림 2: TDI 스캐닝 및 스티칭을 통해 10초 만에 형성된 2기가픽셀 이미지
메모: 형광펜 점들을 투센 디아나 9kTDI로 10배 확대하여 형광 현미경으로 관찰한 이미지입니다. 3.6ms 노출 시간을 사용하여 10초 동안 촬영했습니다. 이미지 크기: 30mm x 17mm, 58,000 x 34,160 픽셀.
TDI 동기화
TDI 카메라와 피사체의 동기화(몇 퍼센트 이내)는 필수적입니다. 속도 불일치는 '모션 블러' 효과를 초래합니다. 이러한 동기화는 두 가지 방법으로 수행할 수 있습니다.
예측: 카메라 속도는 샘플 이동 속도, 광학(배율), 카메라 픽셀 크기에 대한 지식을 기반으로 동작 속도에 맞춰 설정됩니다. 또는 시행착오를 거치기도 합니다.
트리거됨: 많은 현미경 스테이지, 갠트리 및 기타 이미징 대상을 이동시키는 장비에는 주어진 이동 거리에 대해 카메라로 트리거 펄스를 전송하는 인코더가 포함될 수 있습니다. 이를 통해 스테이지/갠트리와 카메라는 이동 속도와 관계없이 동기화 상태를 유지할 수 있습니다.
TDI 카메라 대 라인 스캔 및 에어리어 스캔 카메라
TDI를 다른 인기 있는 이미징 기술과 비교해보면 다음과 같습니다.
| 특징 | TDI 카메라 | 라인 스캔 카메라 | 에어리어 스캔 카메라 |
| 감광도 | 매우 높음 | 중간 | 낮음~중간 |
| 이미지 품질(모션) | 훌륭한 | 좋은 | 고속에서는 흐릿함 |
| 조명 요구 사항 | 낮은 | 중간 | 높은 |
| 모션 호환성 | 우수함(동기화된 경우) | 좋은 | 가난한 |
| 가장 적합한 | 고속, 저조도 | 빠르게 움직이는 물체 | 정적 또는 느린 장면 |
TDI는 장면이 빠르게 움직이고 조도가 제한적일 때 확실한 선택입니다. 라인 스캔은 감도가 낮은 반면, 에어리어 스캔은 단순하거나 고정된 설정에 더 적합합니다.
올바른 TDI 카메라 선택
TDI 카메라를 선택할 때 다음 사항을 고려하세요.
● TDI 단계 수: 단계가 많을수록 SNR은 증가하지만 비용과 복잡성도 증가합니다.
● 센서 유형: sCMOS는 속도와 낮은 노이즈로 인해 선호됩니다. CCD는 일부 기존 시스템에 여전히 적합할 수 있습니다.
● 인터페이스: 시스템과의 호환성을 확보하세요. Camera Link, CoaXPress, 10GigE가 일반적인 옵션이며, 100G CoF와 40G CoF가 새로운 트렌드로 등장했습니다.
● 스펙트럼 응답: 응용 프로그램 요구 사항에 따라 단색, 컬러 또는 근적외선(NIR) 중에서 선택하세요.
● 동기화 옵션: 더 나은 모션 정렬을 위해 인코더 입력이나 외부 트리거 지원과 같은 기능을 찾아보세요.
귀하의 애플리케이션에 섬세한 생물학적 샘플, 고속 검사 또는 저조도 환경이 포함되어 있는 경우 sCMOS TDI가 적합할 가능성이 높습니다.
결론
TDI 카메라는 특히 sCMOS 센서를 기반으로 구축될 때 이미징 기술의 획기적인 발전을 보여줍니다. 모션 동기화와 다중 회선 통합을 결합하여 역동적인 저조도 장면에서 탁월한 감도와 선명도를 제공합니다.
웨이퍼 검사, 슬라이드 스캐닝 또는 고속 검사 수행 여부에 관계없이 TDI 작동 방식을 이해하면 최상의 솔루션을 선택하는 데 도움이 될 수 있습니다.과학용 카메라귀하의 이미징 과제를 해결하세요.
자주 묻는 질문
TDI 카메라는 에어리어 스캔 모드로 작동할 수 있나요?
TDI 카메라는 센서 타이밍을 조절하여 '면 스캔'과 유사한 모드로 (매우 얇은) 2차원 이미지를 생성할 수 있습니다. 이는 초점 및 정렬과 같은 작업에 도움이 될 수 있습니다.
'영역 스캔 노출'을 시작하려면 먼저 TDI를 카메라의 단계 수만큼, 가능한 한 빨리 진행한 후 정지하여 센서를 '클리어'합니다. 이는 소프트웨어 제어 또는 하드웨어 트리거를 통해 이루어지며, 이상적으로는 어두운 곳에서 수행됩니다. 예를 들어, 256단계 카메라는 최소 256라인을 읽은 후 정지해야 합니다. 이 256라인의 데이터는 삭제됩니다.
카메라가 작동하거나 라인이 읽혀지지 않는 동안 센서는 이미지를 노출하는 영역 스캔 센서처럼 작동합니다.
원하는 노출 시간은 카메라가 대기 상태일 때 경과해야 하며, 그 후 카메라를 최소 단계 수만큼 다시 진행하여 방금 촬영한 이미지의 각 줄을 읽어내야 합니다. 이 '읽기' 단계는 어둠 속에서 수행하는 것이 이상적입니다.
이 기술을 반복하면 TDI 작업으로 인한 왜곡과 흐릿함을 최소화하여 '실시간 미리보기' 또는 영역 스캔 이미지 시퀀스를 제공할 수 있습니다.
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