2015년 6월 22일초점이 맞지 않는 빛을 포착하는 것은 많은 이미징 응용 분야에서 선명한 고대비 이미지를 얻는 데 있어 어려운 과제입니다. 디지털 주사 광시트 현미경(DSLM)은 최신 CMOS 카메라의 '롤링 셔터'와 조명을 동기화하여 초점이 맞지 않는 빛 포착을 줄이는 강력한 방법을 제공합니다. 그러나 이러한 정밀한 동기화를 위해서는 카메라의 롤링 셔터 작동을 완벽하게 제어해야 하는데, 이는 롤링 셔터 제어 모드가 있는 Tucsen 카메라가 제공하는 기능입니다.
롤링 셔터란 무엇인가요?
셔터는 카메라의 빛 노출을 시작하고 멈추는 부분입니다. 과거 과학용 카메라는 기계식 셔터를 사용하여 이미지를 노출하기 위해 열고, 노출을 끝내기 위해 닫았습니다. 기계식 셔터는 속도가 느리고 장시간 사용 시 신뢰성 문제가 있었습니다. 하지만 이제 과학용 카메라는 훨씬 빠르고 간단하며 다재다능한 전자식 셔터를 사용합니다.
롤링 셔터 카메라는 센서 상단에서 이미지 수집을 시작하여 한 줄씩 센서 하단까지 '롤 다운'합니다. 이 수집 과정은 신호 재설정, 노출, 판독의 세 가지 과정으로 구성됩니다.
각 행의 노출은 각 픽셀에서 획득된 신호를 재설정하는 것으로 시작됩니다. 맨 위 행에 지정된 노출 시간이 경과하면, 획득 종료를 나타내는 판독값이 같은 방식으로 아래로 내려갑니다. 이렇게 하면 카메라 상단에서 하단까지 이어지는 활성 픽셀 영역이 생성되며, 그 높이는 노출 시간에 따라 결정됩니다. 카메라가 최대 속도로 작동할 때, 라인당 지연 시간은 일반적으로 픽셀 라인당 5~25마이크로초이며, 이는 카메라 속도에 따라 달라집니다.
조명 스캐닝과 카메라 롤링 셔터의 동기화를 필요로 하는 광학 기술을 활용하기 위해, 일반적으로 이 지연 시간은 너무 짧아 롤링 셔터가 너무 빠르게 작동하여 다른 하드웨어가 따라잡을 수 없게 됩니다. 바로 이 부분에서 롤링 셔터 제어 모드가 사용됩니다.
그림 1: 롤링 셔터 작동의 개략도
롤링 셔터 제어 모드 작동 방식
Tucsen 카메라에 내장된 인텔리전스를 통해 카메라의 롤링 셔터 작동을 정밀하게 조정하여 외부 하드웨어와 동기화할 수 있습니다. 각 라인의 리셋과 판독 사이에 약간의 지연 시간을 추가함으로써, 활성 픽셀 영역이 센서를 통과하는 데 걸리는 시간을 제어하여 동기화를 구현할 수 있습니다.
또한, 스캔된 활성 영역의 '슬릿 높이'를 미세 조정할 수 있습니다. 노출 시간이 길어지거나 라인 시간 지연이 짧아지면 슬릿 높이가 더 커집니다. DSLM의 경우, 이를 사용하여 샘플의 조명 영역만 일치시켜 효과적인 신호 포착을 위해 픽셀을 최대한 오랫동안 노출하는 것과 초점이 맞지 않는 빛을 최소화하는 것 사이의 균형을 맞출 수 있습니다.
수치2왼쪽: 최대 카메라 속도에서 롤링 셔터 작동 방식. 오른쪽: 롤링 셔터 속도와 롤링 셔터 제어 모드를 보여주는 방식. 각 라인 사이에 지연 시간을 추가하여 다른 하드웨어와의 동기화를 가능하게 함.
이러한 선택적 지연을 통해 이제 롤링 셔터의 작동을 결정하는 세 가지 중요한 변수를 이해해야 하며, 이는 '활성' 픽셀 영역의 높이와 센서를 통과하는 속도를 나타냅니다.
라인 타임: 이는 센서가 한 행을 읽고 다음 행으로 넘어가는 데 걸리는 기본 시간입니다. 카메라 센서의 기본 '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 시간 길이나 외부 트리거 속도에 의해 제한되지 않을 때의 프레임 속도를 말합니다.
노출 시간:이는 각 픽셀 행이 활성화되는 시간을 결정하여 주어진 줄 시간과 지연 시간 동안 활성 영역의 높이를 결정합니다.
라인 시간 지연:롤링 셔터 제어 모드에서 추가되는 지연 시간입니다. 롤링 셔터 제어 모드에서는 지연 시간을 추가할 수 있습니다.라인 시간의 정수 배수예를 들어, 카메라의 라인 시간이 10마이크로초인 경우 라인당 1, 2의 추가 지연이 발생합니다.…최대 8,928까지 추가할 수 있으며, 이는 10마이크로초의 배수 수를 나타냅니다.
또한 관심 영역(ROI)의 높이도 중요한데, 이는 활성 영역이 재설정되기 전에 쓸어내려야 하는 라인의 수를 결정하기 때문입니다.
롤링 셔터 제어 모드 동기화 모드
롤링 셔터 제어 모드에는 두 가지 작동 모드가 있으며, 어떤 변수를 제어하는 것이 더 중요한지에 따라 달라집니다.
In 라인 시간 지연 모드위에서 지정한 대로 지연 시간을 설정할 수 있습니다. 그러면 소프트웨어가 지정한 노출 시간 동안의 결과 슬릿 높이(롤링 셔터의 활성 픽셀 높이)를 표시합니다.
In 활성 픽셀 / 슬릿 높이모드에서는 롤링 셔터가 스윕할 때 활성화할 센서 행 수를 설정할 수 있습니다. 지정한 노출 시간은 해당 슬릿 높이를 자동으로 전달하는 데 필요한 라인 시간 지연을 계산하는 데 사용됩니다.
소프트웨어에서 롤링 셔터 제어 모드 설정
작동 모드(상태) 제어
그림 3: Tucsen Mosaic 소프트웨어에서 롤링 셔터 제어 모드를 제어하기 위한 인터페이스 예시. 모든 옵션 Micro-Manager 및 SDK를 통해 사용 가능합니다.
세 가지 상태(운영 모드)를 사용할 수 있습니다.Off, 라인 시간 지연, 슬릿 높이.
• 설정 시끄다, 센서는 추가 지연 없이 정상적으로 작동합니다.
• 설정 시라인 시간 지연모드에서는 위에서 설명한 대로 라인 시간 단위로 라인 시간 지연을 지정할 수 있습니다.
그림 4: 라인 시간 지연 소프트웨어 옵션. 예Tucsen Mosaic 소프트웨어의 인터페이스입니다. 모든 옵션은 Micro-Manager와 SDK를 통해 이용 가능합니다.
구성 가능한 지연에 추가할 수 있는 라인 시간 사이클 수는 카메라마다 다릅니다. 지연을 추가한 후 카메라의 새로운 라인 시간은 다음과 같습니다.
라인 간격 시간 = 라인 시간(감지기)+（라인타임(감지기)× 회선 시간 지연）
매개변수 값롤링 속도와 같다라인 간격 시간.
그러면 이미지의 총 판독 시간은 다음과 같습니다.
R머리시간 초과(영상)= 라인 간격 시간×N행.
N행관심 영역의 이미징 픽셀 행의 총 개수입니다. 이 모드에서 이미징할 때 프레임 속도는 이미징할 라인 수와 라인 사이클 시간에 따라 달라집니다.
프레임 속도 = 1/(읽기 시간(영상)+ 노출 시간)
•설정 시슬릿 높이 m오드, 당신은 설정할 수 있습니다t로 주어진 스캔된 활성 영역의 크기"재설정" 신호와 "읽기" 신호 사이의 픽셀 행 수입니다.슬릿 높이의 범위는 픽셀 단위로 1~2048입니다. 이를 실제 크기로 변환하려면 이 값에 카메라 사양서의 픽셀 크기를 곱하세요.
그림 5: 슬릿 높이 모드 제어 옵션. 예Tucsen Mosaic 소프트웨어의 인터페이스입니다. 모든 옵션은 Micro-Manager와 SDK를 통해 이용 가능합니다.
소프트웨어는 필요한 회선 시간 지연과 회선 간격 시간을 자동으로 계산합니다. 공식은 다음과 같습니다.
라인 시간 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 판독되기 때문입니다. 고속 모드에서 매개변수는 다음과 같이 계산됩니다.
라인 시간 지연 = 노출 시간(윤곽)/ ½슬릿 높이(윤곽)
슬릿 높이 = （노출 시간(윤곽)÷ 회선 시간 지연)×2
스캔 방향 컨트롤
롤링 셔터의 방향에는 세 가지 옵션이 있습니다.
D소유하다：다운 스캔 방향은 sCMOS 카메라의 기본 스캔 방향입니다. 롤링 셔터는 센서 상단의 첫 번째 행에서 시작하여 하단의 마지막 행까지 아래로 스캔합니다. 이후의 각 프레임 수집은 상단의 첫 번째 행에서 시작합니다.
그림 6: 하향 스캔 모드 개략도
Up：상향 스캔 모드에서 롤링 셔터는 맨 아래 행부터 시작하여 첫 번째 행의 맨 위 행까지 스캔합니다. 이후 각 프레임은 맨 아래 행부터 수집됩니다. 카메라의 데이터 캡처 순서가 역전되었지만, 소프트웨어에 전달되는 결과 이미지는 원래 방향을 그대로 유지합니다. 즉, 이미지가 하향 스캔 모드에 비해 수직으로 뒤집히지 않습니다.
그림 7: 상향 스캔 모드 개략도
다운-업 사이클：상하로 번갈아 스캔할 경우, 롤링 셔터는 맨 위 첫 번째 행에서 시작하여 맨 아래 마지막 행까지 내려갑니다. 다음 프레임의 경우, 롤링 셔터는 맨 아래 행에서 시작하여 맨 위 행까지 스캔하는 식으로 진행됩니다. 이 모드에서 획득한 이미지의 방향은 아래로 스캔할 때와 동일합니다.
그림 8: 하향-상향 사이클 스캔 모드 개략도
• 알eadout 방향 재설정
이 기능은 다운-업 사이클 모드에서만 사용할 수 있습니다.
이 매개변수의 기본 설정은 "예"이며, 이를 통해 각 새로운 수집 시퀀스의 첫 번째 프레임이 맨 위 행에서 시작하여 아래로 스캔됩니다.
이 매개변수를 "아니요"로 설정하면 각 새 수집의 첫 번째 프레임은 이전 시퀀스의 마지막 프레임 위치에서 시작합니다. 마지막 프레임이 맨 아래 행에서 끝나면 이후 수집의 첫 번째 프레임은 맨 아래 행에서 시작하여 위로 전파됩니다.
