Japan (JA)
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どのくらいの速度で撮影できるのか？
本ガイドの対象者 :
顕微鏡カメラを使用している、またはこれから使用したいと考えている研究者の方
本ガイドの内容 :
カメラのスペックと実験との関連性について説明します。
セクション :
仕様の表記について :
| 浜松ホトニクスの表記 | 他メーカーの表記 |
|---|---|
| 読み出しノイズ | Readout noise |
| 読み出し速度 | Imaging frequency |
| ピクセルクロックレート | Pixel readout rate, Pixel scan rate, Clock rate |
| 読み出しモード | Binning, Sub-array |
生物学的なプロセスは動的であり、事象は複数の時間スケールにまたがった対数領域で起こることがあります。カメラが実験についていけるかどうかを判断するには、読み出し時間、読み出し速度、ピクセルクロックレートを調べ、画像を取得するためにセンサのどの部分を使用するかを検討します。
読み出し速度 (Readout speed) は、カメラが1秒間に何コマ画像を取り込めるかを示し、1/読み出し速度 に変換すると、個々のフレームの速度に関する情報を得ることができます。100fpsのカメラでは、1フレームは1/100秒または10msでキャプチャされます。
ピクセルクロックレート (Pixel clock rate) は、CCDやEM-CCDカメラから個々のピクセルが読み出される速度を示すもので、撮影速度の下限となる。画素のクロックレートはMHzで与えられることが多く、1/画素 のクロックレートは、個々の画素を読み出すのにかかる時間を示します。
ピクセルクロックレートは、CCDやEM-CCDカメラでは重要な仕様ですが、CMOSカメラではチップの構造上、重要ではありません（CCD、EM-CCD、CMOSの違いについてはこちらをご覧ください）。CCDやEM-CCDでは、各画素の光電子を1つのアンプで順番に電圧に変換していましたが、CMOSでは各画素にアンプがあり、光電子の変換は全画素で並列に行われます。この光電子の並列処理が、第2世代sCMOSカメラの高速読み出しを可能にしているのです。
読み出し時間 (Readout tome) とは、浜松ホトニクスのCMOSカメラの仕様で、全画素の読み出し速度（1/読み出し速度）を表しています。つまり、ORCA-Flash4.0の場合、高速スキャン時の読み出し速度は100fpsで、読み出し時間は1/100=10msとなります。
もっと高速に撮影をしたい場合はどうしたらいいですか？
実験によっては、高解像度よりも高速で撮影することが重要な場合があります。CCDカメラの画素をビニングすることで、複数の画素をセンサ上で結合し読み出し速度を向上させますが、その代償として空間分解能はわずかに低下します。
CCDカメラのビニングは、センサに内蔵された機能で、2×2、4×4、8×8の画素をビニングするのが一般的です。
ビニングのもう一つの利点は、SNRが向上することです。信号の大きさはビニングした画素の分だけ大きくなりますが、ノイズ（読み出しノイズと暗電流ノイズ）は1画素ずつ読み出すときと変わりません。空間分解能の低下ビニングする画素数に比例します。例えば、2×2ビニングの場合、信号は4倍になりますが、ノイズは増加しません。空間分解能は1/2になります。4×4ビニングの場合、信号は16倍に増加しますが、ノイズは増加しません。空間分解能は1/4になります。
sCMOSでもビニングは可能ですが、センサの構造上、信号のデジタル化後に行われるため、読み出し速度の向上は望めません。特にsCMOSカメラでは、ビニングの主な利点はSNRを高めることです。
ビニングに加えて、ほとんどのカメラではフレームサイズを小さくすること (=サブアレイ) でより高速なフレームレートを実現することができます。有効領域全体のサブアレイをキャプチャすることで、読み出す画素数が少なくなります。CCDカメラでは、サブアレイの読み出し速度は画素のサブアレイ全体の大きさで決まりますが、sCMOSでは、領域の縦方向の寸法を短くすることだけが速度を高めます。したがって、Flash4.0では、2048（h）×128（v）の領域は、500（h）×128（v）の領域と同じフレームレートとなります。
まとめ :
- 読み出し速度は、最大フレームレートを フレーム/秒 の単位で示します。
- 画素クロックレート (CCDとEM-CCDのみ) は、各画素の読み取り速度を表し、撮像速度の下限を示します。
- CMOSカメラでは、CCD/EM-CCDカメラとチップ構造が異なるため、画素クロックレートはそれほど重要ではありません。
- CMOSカメラの読み出し時間は、アレイ全体をどれだけ速く撮像できるかを表し、1/読み出し速度 です。
- ビニング、サブアレイ機能を持つカメラでは、読み出し速度を上げることができ、より速いフレームレートが可能になります。(sCMOSカメラはセンサの構造上ビニングでは読み出し速度を上げることはできません。)
より高速なフレームレートを実現することは可能ですが、そのためには、ビニングによって解像度を犠牲にしたり、サブアレイによって視野を犠牲にする必要があります。
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