2015年6月22日多くの画像処理アプリケーションにおいて、焦点外の光を捉えることは、鮮明でコントラストの高い画像を得るための課題です。デジタル走査型光シート顕微鏡（DSLM）は、照明を最新のCMOSカメラの「ローリングシャッター」と同期させることで、焦点外の光の捕捉を低減する強力な手段を提供します。しかし、この精密な同期には、カメラのローリングシャッターの動作を完全に制御する必要があります。Tucsenカメラは、ローリングシャッター制御モードを搭載しており、この機能を提供します。
ローリングシャッターとは何ですか?
シャッターは、カメラの光への露出を開始および停止する部分です。かつて科学カメラは機械式シャッターを使用しており、画像に露出するために開き、露出を終了するために閉じていました。機械式シャッターは速度が遅く、長時間使用すると信頼性に問題がありました。現在、科学カメラは電子シャッターを使用しており、これははるかに高速で、シンプルで、より多用途です。
ローリングシャッターカメラは、センサーの上部から画像取得を開始し、ラインごとにセンサーの下部まで「ロール」します。この画像取得には、信号のリセット、露光、読み出しという3つのプロセスが含まれます。
各行の露光は、各ピクセルの取得信号をリセットすることから開始されます。最上行の指定された露光時間が経過すると、取得終了を示す読み出し信号が同様にロールダウンします。これにより、カメラの上から下まで掃引されるアクティブピクセル領域が形成され、その高さは露光時間の長さによって決まります。カメラがフルスピードで動作している場合、1行あたりの遅延は通常、カメラの速度に応じて、ピクセル1行あたり5～25マイクロ秒です。
照明のスキャンとカメラのローリングシャッターの同期を必要とする光学技術を最大限に活用するには、通常、この遅延が短すぎるため、ローリングシャッターの動作が速すぎて他のハードウェアが追いつけなくなります。そこでローリングシャッター制御モードが役立ちます。
図1：ローリングシャッターの動作模式図
ローリングシャッター制御モードの仕組み
Tucsenカメラに搭載されたインテリジェンスにより、カメラのローリングシャッターの動作を外部ハードウェアと正確に同期させることができます。各ラインのリセットと読み出しの間にわずかな遅延を追加することで、アクティブピクセル領域がセンサーを走査するのにかかる時間を制御でき、この同期が可能になります。
さらに、スキャンされるアクティブエリアの「スリット高」を微調整できます。露光時間を長くしたり、ラインタイムディレイを短くしたりすると、スリット高は大きくなります。DSLMの場合、この機能はサンプルの照射領域のみに適応させることができ、効果的な信号捕捉のためにピクセルを可能な限り長く露光することと、焦点外の光を最小限に抑えることのバランスをとることができます。
形2左：カメラの最高速度でのローリングシャッター動作の概略図。右：ローリングシャッター制御モードで各ライン間に遅延を追加し、他のハードウェアとの同期を可能にしたローリングシャッター速度の概略図。
このオプションの遅延により、ローリング シャッターの動作を決定する重要な変数が 3 つあり、これらは「アクティブ」ピクセルの領域の高さと、それがセンサーを通過する速度を示します。
ラインタイム: これは、センサーが1行を読み取って次の行に移動するまでのデフォルトの時間です。これはカメラセンサー本来の「速度」を決定するもので、カメラソフトウェアで指定するか、特定の関心領域（ROI）とカメラモードに基づいて以下の式で概算できます。
ここで、「最大カメラフレームレート」とは、露出時間の長さや外部トリガーレートによって制限されない場合のフレームレートを指します。
曝露時間：これにより、各ピクセル行がアクティブになる時間が決定され、指定されたライン時間と遅延時間におけるアクティブ領域の高さが決定されます。
ライン時間遅延:これはローリングシャッター制御モードによって追加される遅延の量です。ローリングシャッター制御モードでは、遅延を追加できます。ライン時間の整数倍例えば、カメラのラインタイムが10マイクロ秒の場合、ラインごとに1、2、…最大 8,928 まで追加でき、10 マイクロ秒の倍数を示します。
また、使用される関心領域 (ROI) の高さも重要です。これは、アクティブ領域をリセットする前にスイープする必要がある行数を決定するためです。
ローリングシャッター制御モード同期モード
ローリング シャッター制御モードには、どの変数を制御するのがより重要かに応じて 2 つの動作モードがあります。
In ライン時間遅延モード上記のように遅延時間を設定できます。ソフトウェアは、指定された露出時間におけるスリット高（ローリングシャッターの有効ピクセルの高さ）を計算します。
In アクティブピクセル / スリット高さこのモードでは、ローリングシャッターのスイープ時にアクティブにするセンサーの行数を設定できます。指定した露光時間に基づいて、このスリット高を実現するために必要なラインタイムディレイが自動的に計算されます。
ソフトウェアでローリングシャッター制御モードを設定する
動作モード（ステータス）コントロール
図3: Tucsen Mosaicソフトウェアからローリングシャッター制御モードを制御するためのインターフェース例。すべてのオプション Micro-Manager および SDK 経由で利用できます。
3 つのステータス (動作モード) が利用可能です。Off, ライン時間遅延, スリット高さ.
• に設定するとオフ追加の遅延が発生することなく、センサーは通常どおり動作します。
• に設定するとライン時間遅延モードでは、上で説明したように、ライン時間の単位でライン時間遅延を指定できます。
図4: ライン時間遅延ソフトウェアオプション。例Tucsen Mosaicソフトウェアのインターフェース。すべてのオプションはMicro-ManagerおよびSDKからご利用いただけます。
設定可能な遅延に追加できるラインタイムサイクル数はカメラによって異なります。遅延を追加した後のカメラの新しいラインタイムは以下のようになります。
ライン間隔時間 = ライン時間（センサー）+（ラインタイム（センサー）× ライン時間遅延）
パラメータ値転がり速度等しい行間隔時間.
画像の合計読み出し時間は次のようになります。
R頭アウトタイム（画像）= 行間隔時間×N行.
N行は、関心領域内の撮像ピクセルの総行数です。このモードでの撮像時のフレームレートは、撮像する行数と行サイクル時間に依存します。
フレームレート = 1/(読み出し時間（画像）+露出時間）
•に設定するとスリット高さ modeでは、スキャンされるアクティブ領域のサイズ（tで指定）「リセット」信号と「読み出し」信号間のピクセル行の数。スリット高さの範囲はピクセル単位で1～2048です。これを物理的なサイズに変換するには、この値にカメラの仕様書に記載されているピクセルサイズを掛けます。
図5: スリット高さモードの制御オプション。例Tucsen Mosaicソフトウェアのインターフェース。すべてのオプションはMicro-ManagerおよびSDKからご利用いただけます。
ソフトウェアは必要なライン時間遅延とライン間隔時間を自動的に計算します。計算式は次のとおりです。
ラインタイムディレイ = 露光時間（セリフ）/ スリット高さ（セリフ）
高速モード（カメラのゲインモード）では、ラインが2行ずつ読み出されるため、スリット高さの範囲は偶数にしか設定できません。高速モードにおけるパラメータは以下のように計算されます。
ラインタイムディレイ = 露光時間（セリフ）/ ½スリット高さ（セリフ）
スリット高さ = （曝露時間（セリフ）÷ ライン時間遅延）×2
スキャン方向コントロール
ローリング シャッターの方向には 3 つのオプションがあります。
D自分の：ダウンスキャン方向は、sCMOSカメラのデフォルトのスキャン方向です。ローリングシャッターはセンサー上部の最初の行から始まり、下部の最後の行までスキャンします。その後の各フレームの取得は、上部の最初の行から始まります。
図6: 下向きスキャンモードの概略図
Up：上方向スキャンモードでは、ローリングシャッターは下段から開始し、最初の行の最上段までスキャンします。その後の各フレームの取得は、下段から開始されます。カメラでのデータ取得順序は逆になりますが、ソフトウェアに送信される画像は元の方向のままです。つまり、下方向スキャンモードと比較して、画像が上下反転することはありません。
図7: 上方スキャンモードの概略図
ダウンアップサイクル：上下交互にスキャンする場合、ローリングシャッターは上端の1行目から下端の最終行までスキャンします。次のフレームでは、ローリングシャッターは下端の1行目から上端の1行目までスキャンし、これを繰り返します。このモードで取得される画像の向きは、下方向スキャンの場合と同じです。
図8: ダウンアップサイクルスキャンモードの回路図
• Readout 方向リセット
この機能はダウンアップサイクルモードでのみ使用できます。
このパラメータのデフォルト設定は「はい」であり、これにより、新しい取得シーケンスの最初のフレームが最上行から開始され、下方向にスキャンされるようになります。
このパラメータを「いいえ」に設定すると、新しい取得の最初のフレームは、前のシーケンスの最後のフレームの位置から開始されます。最後のフレームが最下行で終了した場合、後続の取得の最初のフレームは最下行から開始され、上方向に伝播します。
