25/07/29В областта на биолуминесцентното високопроизводително изобразяване и индустриалното високоскоростно откриване при слаба светлина, постигането на оптимален баланс между скоростта на изобразяване и чувствителността отдавна е основно ограничение, ограничаващо технологичния напредък. Традиционните линейни или площни решения за изобразяване често са изправени пред трудни компромиси, което затруднява поддържането както на ефективността на откриване, така и на производителността на системата. В резултат на това, индустриалните подобрения са значително ограничени.
Въвеждането на TDI-sCMOS технологията с подсветка започва да преодолява тези ограничения. Тази иновативна технология не само се справя с физическите ограничения на високоскоростното изобразяване при условия на слаба светлина, но и разширява приложенията си отвъд науките за живота в напреднали индустриални сектори, като например инспекция на полупроводници и прецизно производство. С тези разработки TDI-sCMOS става все по-актуална в съвременните индустриални приложения за изобразяване.
Тази статия очертава основните принципи на TDI изображенията, проследява еволюцията им и обсъжда нарастващата им роля в индустриалните системи.
Разбиране на принципите на TDI: Пробив в динамичното изобразяване
Интегрирането на времево закъснение (TDI) е технология за заснемане на изображения, базирана на принципа на линейно сканиране, която предлага две важни технически характеристики:
Синхронно динамично придобиване
За разлика от традиционните камери за площно снимане, които работят на цикъл „стоп-кадър-движение“, TDI сензорите непрекъснато експонират изображенията, докато са в движение. Докато пробата се движи през зрителното поле, TDI сензорът синхронизира движението на пикселните колони със скоростта на обекта. Тази синхронизация позволява непрекъсната експозиция и динамично натрупване на заряд на един и същ обект с течение на времето, което позволява ефективно заснемане дори при високи скорости.
Демонстрация на TDI изображения: Координирано движение на пробата и интегриране на заряда
Натрупване на такса за домейн
Всяка колона от пиксели преобразува входящата светлина в електрически заряд, който след това се обработва чрез множество етапи на отчитане на семплиране. Този непрекъснат процес на натрупване ефективно усилва слабия сигнал с коефициент N, където N представлява броя на нивата на интегриране, подобрявайки съотношението сигнал/шум (SNR) при ограничени условия на осветление.
Илюстрация на качеството на изображението на различни етапи на TDI
Еволюция на TDI технологията: От CCD до sCMOS с подсветка
TDI сензорите първоначално са били изградени на CCD или CMOS платформи с предно осветяване, но и двете архитектури са имали ограничения, когато са се прилагали за бързо и слабо осветено изображение.
TDI-CCD
TDI-CCD сензорите с подсветка могат да постигнат квантова ефективност (QE) близо до 90%. Въпреки това, тяхната архитектура за серийно отчитане ограничава скоростта на изобразяване – честотите на линията обикновено остават под 100 kHz, като сензорите с 2K резолюция работят на около 50 kHz.
Предно осветен TDI-CMOS
Предно осветените TDI-CMOS сензори предлагат по-бързи скорости на отчитане, като честотата на линиите с 8K резолюция достига до 400 kHz. Структурните фактори обаче ограничават тяхното количествено генериране (QE), особено в по-късия диапазон на дължините на вълните, като често го поддържат под 60%.
Забележителен напредък дойде през 2020 г. с издаването на Tucsen'sDhyana 9KTDI sCMOS камера, TDI-sCMOS камера с подсветка. Тя бележи значителен скок в комбинирането на висока чувствителност с високоскоростна TDI производителност:
-
Квантова ефективност: 82% пикова QE – приблизително 40% по-висока от конвенционалните TDI-CMOS сензори с предно осветяване, което го прави идеален за изображения при слаба светлина.
-
Честота на линията: 510 kHz при 9K резолюция, което се равнява на пропусквателна способност от 4,59 гигапиксела в секунда.
Тази технология е приложена за първи път при високопроизводително флуоресцентно сканиране, където камерата е заснела 2-гигапикселово изображение на флуоресцентна проба с размери 30 mm × 17 mm за 10,1 секунди при оптимизирани системни условия, демонстрирайки значителни подобрения в скоростта на изобразяване и прецизността на детайлите в сравнение с конвенционалните системи за сканиране на площ.
ИзображениеDhyana 9KTDI с моторизирана сцена Zaber MVR
Цел10X Време за придобиване: 10,1 s Време на експозиция: 3,6 ms
Размер на изображението: 30 мм x 17 мм 58 000 x 34 160 пиксела
Основни предимства на TDI технологията
Висока чувствителност
TDI сензорите натрупват сигнали при многократни експозиции, подобрявайки производителността при слаба светлина. С TDI-sCMOS сензори с подсветка е постижима квантова ефективност над 80%, което поддържа взискателни задачи като флуоресцентно изобразяване и инспекция в тъмно поле.
Високоскоростна производителност
TDI сензорите са проектирани за високопроизводително заснемане, заснемайки бързо движещи се обекти с отлична яснота. Чрез синхронизиране на отчитането на пикселите с движението на обекта, TDI на практика елиминира размазването от движение и поддържа инспекция, базирана на конвейер, сканиране в реално време и други сценарии с висока производителност.
Подобрено съотношение сигнал/шум (SNR)
Чрез интегриране на сигнали в множество етапи, TDI сензорите могат да произвеждат изображения с по-високо качество с по-малко осветление, намалявайки рисковете от фотоизбелване в биологични проби и минимизирайки термичното напрежение в чувствителни материали.
Намалена чувствителност към околни смущения
За разлика от системите за сканиране на площ, TDI сензорите са по-малко засегнати от околната светлина или отражения поради синхронизираната им експозиция ред по ред, което ги прави по-стабилни в сложни индустриални среди.
Пример за приложение: Инспекция на пластини
В полупроводниковия сектор, sCMOS камерите с площно сканиране често се използват за откриване при слаба светлина поради тяхната скорост и чувствителност. Тези системи обаче могат да имат недостатъци:
-
Ограничено зрително поле: Необходимо е да се съединят множество кадри, което води до отнемащи време процеси.
-
По-бавно сканиране: Всяко сканиране изисква изчакване на сцената да се установи, преди да се заснеме следващото изображение.
-
Сливане на артефакти: Пропуските и несъответствията в изображението влияят на качеството на сканирането.
TDI изображенията помагат за справяне с тези предизвикателства:
-
Непрекъснато сканиране: TDI поддържа големи, непрекъснати сканирания без необходимост от сглобяване на кадри.
-
По-бързо заснемане: Високите скорости на линията (до 1 MHz) елиминират закъсненията между заснеманията.
-
Подобрена еднородност на изображението: Методът на линейно сканиране на TDI минимизира изкривяването на перспективата и осигурява геометрична точност по цялото сканиране.
TDI срещу сканиране на площ
ИлюстрацияTDI позволява по-непрекъснат и плавен процес на придобиване
sCMOS камерата Gemini 8KTDI на Tucsen се е оказала ефективна при дълбока ултравиолетова инспекция на пластини. Според вътрешни тестове на Tucsen, камерата постига 63,9% QE при 266 nm и поддържа стабилност на температурата на чипа при 0°C при продължителна употреба - важно за UV-чувствителни приложения.
Разширяване на употребата: От специализирано изобразяване до системна интеграция
TDI вече не се ограничава до нишови приложения или бенчмарк тестове. Фокусът се е изместил към практическата интеграция в индустриални системи.
Серията Gemini TDI на Tucsen предлага два вида решения:
1. Водещи моделиПроектирани за напреднали случаи на употреба, като например инспекция на пластини от предния край и UV откриване на дефекти. Тези модели дават приоритет на висока чувствителност, стабилност и производителност.
2. Компактни вариантиПо-малки, с въздушно охлаждане и по-ниска консумация на енергия – по-подходящи за вградени системи. Тези модели включват високоскоростни интерфейси CXP (CoaXPress) за рационализирана интеграция.
От високопроизводителното изобразяване в науките за живота до прецизната инспекция на полупроводници, TDI-sCMOS транзисторите с подсветка играят все по-важна роля в подобряването на работните процеси за изобразяване.
Често задавани въпроси
В1: Как работи TDI?
TDI синхронизира преноса на заряд между пикселните редове с движението на обекта. С движението на обекта, всеки ред натрупва друга експозиция, увеличавайки чувствителността, особено при приложения със слаба светлина и висока скорост.
В2: Къде може да се използва TDI технологията?
TDI е идеален за инспекция на полупроводници, флуоресцентно сканиране, инспекция на печатни платки и други приложения за обработка на изображения с висока резолюция и висока скорост, където размазването от движение и ниската осветеност са проблем.
В3: Какво трябва да имам предвид при избора на TDI камера за промишлени приложения?
При избора на TDI камера, важни фактори включват линейна скорост, квантова ефективност, разделителна способност, спектрален отклик (особено за UV или NIR приложения) и термична стабилност.
За подробно обяснение как да се изчисли лимитът на линията, вижте нашата статия:
Серия TDI – Как да изчислим линейната честота на камерата
Tucsen Photonics Co., Ltd. Всички права запазени. При цитиране, моля, посочете източника:www.tucsen.com
