لماذا تكتسب تقنية كاميرا TDI أرضية في التصوير الصناعي |

في مجال التصوير عالي الإنتاجية للتلألؤ الحيوي والكشف الصناعي عالي السرعة في ظروف الإضاءة المنخفضة، لطالما كان تحقيق التوازن الأمثل بين سرعة التصوير وحساسيته عائقًا رئيسيًا يعيق التقدم التكنولوجي. غالبًا ما تواجه حلول التصوير الخطي أو التصوير المصفوفي المساحي التقليدي مفاضلات صعبة، مما يجعل الحفاظ على كفاءة الكشف وأداء النظام أمرًا صعبًا. ونتيجة لذلك، قُيّدت الترقيات الصناعية بشكل كبير.

بدأ طرح تقنية TDI-sCMOS ذات الإضاءة الخلفية في معالجة هذه القيود. لا تعالج هذه التقنية المبتكرة القيود المادية للتصوير عالي السرعة في ظروف الإضاءة المنخفضة فحسب، بل تمتد تطبيقاتها أيضًا إلى ما هو أبعد من علوم الحياة لتشمل قطاعات صناعية متقدمة مثل فحص أشباه الموصلات والتصنيع الدقيق. مع هذه التطورات، تكتسب تقنية TDI-sCMOS أهمية متزايدة في تطبيقات التصوير الصناعي الحديثة.

تسلط هذه المقالة الضوء على المبادئ الأساسية وراء التصوير بتقنية TDI، وتتبع تطورها، وتناقش دورها المتنامي في الأنظمة الصناعية.

فهم مبادئ TDI: اختراق في التصوير الديناميكي

دمج التأخير الزمني (TDI) هي تقنية اكتساب الصور تعتمد على مبدأ مسح الخطوط التي توفر ميزتين تقنيتين مهمتين:

الاستحواذ الديناميكي المتزامن

بخلاف كاميرات المنطقة التقليدية التي تعمل بنظام "التوقف - اللقطة - الحركة"، تعرض مستشعرات TDI الصور باستمرار أثناء الحركة. فبينما تتحرك العينة عبر مجال الرؤية، يُزامن مستشعر TDI حركة أعمدة البكسل مع سرعة الجسم. يُتيح هذا التزامن التعرض المستمر وتراكم الشحنات الديناميكية للجسم نفسه بمرور الوقت، مما يسمح بتصوير فعال حتى عند السرعات العالية.

عرض توضيحي لتصوير TDI: حركة العينة المنسقة وتكامل الشحنة

تراكم مجال الشحنة

يُحوِّل كل عمود بكسل الضوء الوارد إلى شحنة كهربائية، تُعالَج بعد ذلك عبر مراحل متعددة لقراءة العينات. تُعزِّز عملية التراكم المستمرة هذه الإشارة الضعيفة بفعالية بعامل N، حيث يُمثِّل N عدد مستويات التكامل، مما يُحسِّن نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) في ظروف الإضاءة المحدودة.

توضيح لجودة الصورة في مراحل TDI المختلفة

تطور تقنية TDI: من CCD إلى sCMOS ذات الإضاءة الخلفية

تم بناء أجهزة استشعار TDI في البداية على منصات CCD أو CMOS ذات الإضاءة الأمامية، ولكن كلا البنيتين كان لهما قيود عند تطبيقهما على التصوير السريع وفي الإضاءة المنخفضة.

TDI-CCD

تستطيع مستشعرات TDI-CCD ذات الإضاءة الخلفية تحقيق كفاءة كمية (QE) تقارب 90%. إلا أن بنية قراءاتها التسلسلية تُقيد سرعة التصوير، إذ تبقى معدلات الخط عادةً أقل من 100 كيلوهرتز، بينما تعمل مستشعرات بدقة 2K بتردد حوالي 50 كيلوهرتز.

TDI-CMOS بإضاءة أمامية

توفر مستشعرات TDI-CMOS المُضاءة من الأمام سرعات قراءة أعلى، مع معدلات خطية بدقة 8K تصل إلى 400 كيلوهرتز. ومع ذلك، تُحدّ العوامل الهيكلية من كفاءتها الكمية، خاصةً في نطاق الطول الموجي الأقصر، مما يُبقيها غالبًا أقل من 60%.

وقد حدث تقدم ملحوظ في عام 2020 مع إصدار Tucsen'sكاميرا Dhyana 9KTDI sCMOSكاميرا TDI-sCMOS بإضاءة خلفية. تُمثل هذه الكاميرا نقلة نوعية في الجمع بين الحساسية العالية وأداء TDI عالي السرعة.

كفاءة كمية: 82% ذروة كفاءة كمية - أعلى بنحو 40% من أجهزة استشعار TDI-CMOS ذات الإضاءة الأمامية التقليدية، مما يجعلها مثالية للتصوير في ظروف الإضاءة المنخفضة.

معدل الخط: 510 كيلو هرتز بدقة 9K، مما يترجم إلى معدل نقل بيانات يبلغ 4.59 جيجا بكسل في الثانية.

تم تطبيق هذه التقنية لأول مرة في المسح الفلوري عالي الإنتاجية، حيث التقطت الكاميرا صورة بدقة 2 جيجا بكسل لعينة فلورية بحجم 30 مم × 17 مم في 10.1 ثانية في ظل ظروف النظام المحسنة، مما يدل على مكاسب كبيرة في سرعة التصوير ودقة التفاصيل مقارنة بأنظمة المسح بالمنطقة التقليدية.

صورة:Dhyana 9KTDI مع مرحلة Zaber MVR الآلية

موضوعي: 10X وقت الاستحواذ: 10.1 ثانية وقت التعرض: 3.6 مللي ثانية

حجم الصورة: 30 مم × 17 مم 58,000 × 34,160 بكسل

المزايا الرئيسية لتكنولوجيا TDI

حساسية عالية

تُجمّع مستشعرات TDI الإشارات عبر تعريضات متعددة، مما يُحسّن الأداء في الإضاءة المنخفضة. مع مستشعرات TDI-sCMOS المُضاءة من الخلف، يُمكن تحقيق كفاءة كمية تتجاوز 80%، مما يدعم المهام المُتطلبة مثل التصوير الفلوري وفحص المجال المُظلم.

أداء عالي السرعة

صُممت مستشعرات TDI لتصوير عالي الإنتاجية، حيث تلتقط الأجسام سريعة الحركة بوضوح فائق. من خلال مزامنة قراءة البكسل مع حركة الأجسام، يُزيل TDI ضبابية الحركة تقريبًا، ويدعم الفحص عبر الناقل، والمسح الفوري، وغيرها من السيناريوهات عالية الإنتاجية.

تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)

من خلال دمج الإشارات عبر مراحل متعددة، يمكن لأجهزة استشعار TDI إنتاج صور ذات جودة أعلى مع إضاءة أقل، مما يقلل من مخاطر التبييض الضوئي في العينات البيولوجية ويقلل من الإجهاد الحراري في المواد الحساسة.

انخفاض قابلية التعرض للتداخل المحيط

على عكس أنظمة مسح المنطقة، تتأثر أجهزة استشعار TDI بدرجة أقل بالضوء المحيط أو الانعكاسات بسبب تعرضها المتزامن لكل خط، مما يجعلها أكثر قوة في البيئات الصناعية المعقدة.

مثال تطبيقي: فحص الرقاقة

في قطاع أشباه الموصلات، كانت كاميرات sCMOS ذات المسح المساحيّ تُستخدم على نطاق واسع للكشف في ظروف الإضاءة المنخفضة نظرًا لسرعتها وحساسيتها. ومع ذلك، قد تُعاني هذه الأنظمة من بعض العيوب:

مجال الرؤية المحدود: هناك حاجة إلى ربط إطارات متعددة معًا، مما يؤدي إلى عمليات تستغرق وقتًا طويلاً.

مسح أبطأ: يتطلب كل مسح الانتظار حتى تستقر المرحلة قبل التقاط الصورة التالية.

خياطة القطع الأثرية: تؤثر فجوات الصورة والتناقضات على جودة المسح الضوئي.

يساعد التصوير TDI في معالجة هذه التحديات:

المسح المستمر: يدعم TDI عمليات المسح الكبيرة والمتواصلة دون الحاجة إلى خياطة الإطارات.

التقاط أسرع: تعمل معدلات الخطوط العالية (تصل إلى 1 ميجا هرتز) على التخلص من التأخيرات بين عمليات الالتقاط.

تحسين توحيد الصورة: تعمل طريقة المسح الخطي من TDI على تقليل تشوه المنظور وتضمن الدقة الهندسية عبر المسح بأكمله.

مسح منطقة TDI مقابل مسح المنطقة

توضيح:يتيح TDI عملية استحواذ أكثر استمرارية وسلاسة

أثبتت كاميرا Gemini 8KTDI sCMOS من Tucsen فعاليتها في فحص الرقاقات بالأشعة فوق البنفسجية العميقة. ووفقًا للاختبارات الداخلية التي أجرتها Tucsen، تحقق الكاميرا كفاءة كمية 63.9% عند 266 نانومتر، وتحافظ على ثبات درجة حرارة الرقاقة عند 0 درجة مئوية على مدار فترة استخدام طويلة، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات الحساسة للأشعة فوق البنفسجية.

توسيع الاستخدام: من التصوير المتخصص إلى تكامل النظام

لم يعد TDI يقتصر على التطبيقات المتخصصة أو اختبارات القياس. بل تحول التركيز نحو التكامل العملي في الأنظمة الصناعية.

توفر سلسلة Gemini TDI من Tucsen نوعين من الحلول:

1. النماذج الرائدةمُصممة للاستخدامات المتقدمة، مثل فحص الرقاقة من الأمام والكشف عن عيوب الأشعة فوق البنفسجية. تُولي هذه النماذج الأولوية للحساسية العالية والاستقرار والإنتاجية.
2. المتغيرات المدمجةأصغر حجمًا، مُبرَّدة بالهواء، وأقل استهلاكًا للطاقة، وأكثر ملاءمةً للأنظمة المدمجة. تتضمن هذه الطُرز واجهات CXP (CoaXPress) عالية السرعة لتسهيل التكامل.

من التصوير عالي الإنتاجية في العلوم الحياتية إلى فحص أشباه الموصلات بدقة، تلعب تقنية TDI-sCMOS ذات الإضاءة الخلفية دورًا متزايد الأهمية في تحسين سير عمل التصوير.

الأسئلة الشائعة

س1: كيف يعمل TDI؟

يُزامن نظام TDI نقل الشحنة عبر صفوف البكسل مع حركة الجسم. مع حركة الجسم، يُراكِم كل صف تعريضًا ضوئيًا إضافيًا، مما يزيد من الحساسية، خاصةً في التطبيقات منخفضة الإضاءة وعالية السرعة.

س2: أين يمكن استخدام تقنية TDI؟

يعد TDI مثاليًا لفحص أشباه الموصلات، والمسح الفلوري، وفحص PCB، وتطبيقات التصوير عالية الدقة وعالية السرعة الأخرى حيث تكون ضبابية الحركة والإضاءة المنخفضة من الأمور المثيرة للقلق.

س3: ما الذي يجب أن آخذه في الاعتبار عند اختيار كاميرا TDI للتطبيقات الصناعية؟

عند اختيار كاميرا TDI، تتضمن العوامل المهمة معدل الخط، والكفاءة الكمية، والدقة، والاستجابة الطيفية (خاصة لتطبيقات الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة تحت الحمراء القريبة)، والاستقرار الحراري.

للحصول على شرح مفصل حول كيفية حساب معدل الخط، راجع مقالتنا:

سلسلة TDI - كيفية حساب تردد خط الكاميرا