25/07/29En els camps de la imatge per bioluminescència d'alt rendiment i la detecció industrial d'alta velocitat amb poca llum, aconseguir l'equilibri òptim entre la velocitat d'imatge i la sensibilitat ha estat durant molt de temps un coll d'ampolla principal que limita el progrés tecnològic. Les solucions tradicionals d'imatge lineal o de matriu d'àrea sovint s'enfronten a compromisos difícils, cosa que dificulta el manteniment tant de l'eficiència de detecció com del rendiment del sistema. Com a resultat, les actualitzacions industrials s'han vist significativament limitades.
La introducció de la tecnologia TDI-sCMOS retroil·luminada comença a abordar aquestes limitacions. Aquesta tecnologia innovadora no només aborda les limitacions físiques de les imatges d'alta velocitat en condicions de poca llum, sinó que també estén les seves aplicacions més enllà de les ciències de la vida a sectors industrials avançats com la inspecció de semiconductors i la fabricació de precisió. Amb aquests desenvolupaments, el TDI-sCMOS esdevé cada cop més rellevant en les aplicacions modernes d'imatges industrials.
Aquest article descriu els principis bàsics de les imatges TDI, en segueix l'evolució i analitza el seu paper creixent en els sistemes industrials.
Comprensió dels principis del TDI: un avenç en la imatge dinàmica
La integració de retard de temps (TDI) és una tecnologia d'adquisició d'imatges basada en el principi d'escaneig lineal que ofereix dues característiques tècniques importants:
Adquisició dinàmica síncrona
A diferència de les càmeres d'àrea tradicionals que funcionen en un cicle "aturada-presa-moviment", els sensors TDI exposen contínuament imatges mentre estan en moviment. A mesura que la mostra es mou pel camp de visió, el sensor TDI sincronitza el moviment de les columnes de píxels amb la velocitat de l'objecte. Aquesta sincronització permet una exposició contínua i una acumulació dinàmica de càrrega del mateix objecte al llarg del temps, cosa que permet una imatge eficient fins i tot a altes velocitats.
Demostració d'imatges TDI: moviment coordinat de mostres i integració de càrrega
Acumulació del domini de càrrega
Cada columna de píxels converteix la llum entrant en càrrega elèctrica, que després es processa a través de múltiples etapes de lectura de mostreig. Aquest procés d'acumulació contínua millora eficaçment el senyal feble per un factor de N, on N representa el nombre de nivells d'integració, millorant la relació senyal-soroll (SNR) en condicions d'il·luminació limitada.
Il·lustració de la qualitat de la imatge en diferents etapes de TDI
Evolució de la tecnologia TDI: del CCD al sCMOS retroil·luminat
Els sensors TDI es van construir inicialment sobre plataformes CCD o CMOS amb il·luminació frontal, però ambdues arquitectures tenien limitacions quan s'aplicaven a imatges ràpides i amb poca llum.
TDI-CCD
Els sensors TDI-CCD retroil·luminats poden aconseguir eficiències quàntiques (QE) properes al 90%. Tanmateix, la seva arquitectura de lectura en sèrie restringeix la velocitat d'imatge: les velocitats de línia solen romandre per sota dels 100 kHz, amb sensors de resolució 2K que funcionen a uns 50 kHz.
TDI-CMOS il·luminat frontalment
Els sensors TDI-CMOS il·luminats frontalment ofereixen velocitats de lectura més ràpides, amb velocitats de línia de resolució 8K que arriben fins als 400 kHz. Tanmateix, els factors estructurals limiten la seva QE, especialment en el rang de longitud d'ona més curt, sovint mantenint-la per sota del 60%.
Un avenç notable va arribar el 2020 amb el llançament de Tucsen.Càmera Dhyana 9KTDI sCMOS, una càmera TDI-sCMOS retroil·luminada. Marca un salt significatiu en la combinació d'alta sensibilitat amb un rendiment TDI d'alta velocitat:
-
Eficiència quàntica: 82% d'eficàcia quàntica màxima, aproximadament un 40% més alta que la dels sensors TDI-CMOS convencionals amb il·luminació frontal, cosa que la fa ideal per a imatges amb poca llum.
-
Velocitat de línia: 510 kHz a una resolució de 9K, cosa que es tradueix en un rendiment de dades de 4,59 gigapíxels per segon.
Aquesta tecnologia es va aplicar per primera vegada en l'escaneig de fluorescència d'alt rendiment, on la càmera va capturar una imatge de 2 gigapíxels d'una mostra fluorescent de 30 mm × 17 mm en 10,1 segons en condicions de sistema optimitzades, demostrant guanys substancials en la velocitat d'imatge i la fidelitat dels detalls respecte als sistemes convencionals d'escaneig d'àrea.
ImatgeDhyana 9KTDI amb platina motoritzada Zaber MVR
Objectiu10X Temps d'adquisició: 10,1 s Temps d'exposició: 3,6 ms
Mida de la imatge30 mm x 17 mm 58.000 x 34.160 píxels
Avantatges clau de la tecnologia TDI
Alta sensibilitat
Els sensors TDI acumulen senyals durant múltiples exposicions, millorant el rendiment amb poca llum. Amb els sensors TDI-sCMOS retroil·luminats, s'aconsegueix una eficiència quàntica superior al 80%, cosa que permet tasques exigents com ara la imatge de fluorescència i la inspecció de camp fosc.
Rendiment d'alta velocitat
Els sensors TDI estan dissenyats per a imatges d'alt rendiment, capturant objectes en moviment ràpid amb una claredat excel·lent. En sincronitzar la lectura de píxels amb el moviment de l'objecte, el TDI elimina pràcticament el desenfocament del moviment i admet la inspecció basada en cinta transportadora, l'escaneig en temps real i altres escenaris d'alt rendiment.
Relació senyal-soroll (SNR) millorada
Integrant senyals en múltiples etapes, els sensors TDI poden produir imatges de més qualitat amb menys il·luminació, reduint els riscos de fotoblanqueig en mostres biològiques i minimitzant l'estrès tèrmic en materials sensibles.
Susceptibilitat reduïda a les interferències ambientals
A diferència dels sistemes d'escaneig d'àrea, els sensors TDI es veuen menys afectats per la llum ambiental o els reflexos a causa de la seva exposició sincronitzada línia per línia, cosa que els fa més robustos en entorns industrials complexos.
Exemple d'aplicació: Inspecció de galetes
En el sector dels semiconductors, les càmeres sCMOS d'escaneig d'àrea s'utilitzaven habitualment per a la detecció de poca llum a causa de la seva velocitat i sensibilitat. Tanmateix, aquests sistemes poden tenir inconvenients:
-
Camp de visió limitat: cal cosir diversos marcs, cosa que resulta en processos que requereixen molt de temps.
-
Escaneig més lent: cada escaneig requereix esperar que l'etapa s'estabilitzi abans de capturar la següent imatge.
-
Artefactes d'unió: els espais en blanc i les inconsistències de la imatge afecten la qualitat de l'escaneig.
Les imatges TDI ajuden a abordar aquests reptes:
-
Escaneig continu: TDI admet escanejos grans i sense interrupcions sense necessitat d'unir marcs.
-
Adquisició més ràpida: les altes velocitats de línia (fins a 1 MHz) eliminen els retards entre captures.
-
Uniformitat d'imatge millorada: el mètode d'escaneig lineal de TDI minimitza la distorsió de la perspectiva i garanteix la precisió geomètrica en tot l'escaneig.
TDI VS Escaneig d'àrea
Il·lustració: La TDI permet un procés d'adquisició més continu i fluid
La càmera Gemini 8KTDI sCMOS de Tucsen ha estat eficaç en la inspecció d'oblies ultraviolades profundes. Segons les proves internes de Tucsen, la càmera aconsegueix un 63,9% d'espectrometria cinètica a 266 nm i manté l'estabilitat de la temperatura del xip a 0 °C durant un ús prolongat, cosa important per a aplicacions sensibles als raigs UV.
Ús en expansió: des de la imatgeria especialitzada fins a la integració de sistemes
La TDI ja no es limita a aplicacions de nínxol o proves de referència. L'enfocament s'ha desplaçat cap a la integració pràctica en sistemes industrials.
La sèrie Gemini TDI de Tucsen ofereix dos tipus de solucions:
1. Models insígniaDissenyat per a casos d'ús avançats com la inspecció de làmines frontals i la detecció de defectes UV. Aquests models prioritzen l'alta sensibilitat, l'estabilitat i el rendiment.
2. Variants compactesMés petits, refrigerats per aire i de menor consum: més adequats per a sistemes integrats. Aquests models inclouen interfícies d'alta velocitat CXP (CoaXPress) per a una integració simplificada.
Des de les imatges d'alt rendiment en ciències de la vida fins a la inspecció de semiconductors de precisió, el TDI-sCMOS retroil·luminat juga un paper cada cop més important en la millora dels fluxos de treball d'imatges.
Preguntes freqüents
P1: Com funciona el TDI?
La TDI sincronitza la transferència de càrrega entre files de píxels amb el moviment de l'objecte. A mesura que l'objecte es mou, cada fila acumula una altra exposició, cosa que augmenta la sensibilitat, especialment en aplicacions amb poca llum i alta velocitat.
P2: On es pot utilitzar la tecnologia TDI?
La TDI és ideal per a la inspecció de semiconductors, l'escaneig de fluorescència, la inspecció de PCB i altres aplicacions d'imatges d'alta resolució i alta velocitat on hi ha problemes de desenfocament de moviment i baixa il·luminació.
P3: Què he de tenir en compte a l'hora de triar una càmera TDI per a aplicacions industrials?
A l'hora de seleccionar una càmera TDI, els factors importants inclouen la velocitat de línia, l'eficiència quàntica, la resolució, la resposta espectral (especialment per a aplicacions UV o NIR) i l'estabilitat tèrmica.
Per obtenir una explicació detallada sobre com calcular la tarifa de línia, consulteu el nostre article:
Sèrie TDI: com calcular la freqüència de línia de la càmera
Tucsen Photonics Co., Ltd. Tots els drets reservats. Quan citeu, si us plau, indiqueu la font:www.tucsen.com
