25. 7. 2029V oblasti vysokokapacitního bioluminiscenčního zobrazování a průmyslové vysokorychlostní detekce za slabého osvětlení je dosažení optimální rovnováhy mezi rychlostí zobrazování a citlivostí již dlouho hlavním úzkým hrdlem omezujícím technologický pokrok. Tradiční lineární nebo plošná zobrazovací řešení často čelí obtížným kompromisům, což ztěžuje udržení účinnosti detekce i výkonu systému. V důsledku toho jsou průmyslové modernizace značně omezeny.
Zavedení technologie TDI-sCMOS s podsvícením začíná tato omezení řešit. Tato inovativní technologie nejen řeší fyzikální omezení vysokorychlostního zobrazování za slabých světelných podmínek, ale také rozšiřuje své aplikace za hranice biologických věd do pokročilých průmyslových odvětví, jako je kontrola polovodičů a přesná výroba. Díky tomuto vývoji se TDI-sCMOS stává stále relevantnějším v moderních průmyslových zobrazovacích aplikacích.
Tento článek nastiňuje základní principy zobrazování TDI, sleduje jeho vývoj a diskutuje o jeho rostoucí roli v průmyslových systémech.
Pochopení principů TDI: Průlom v dynamickém zobrazování
Integrace časového zpoždění (TDI) je technologie snímání obrazu založená na principu řádkového skenování, která nabízí dvě významné technické vlastnosti:
Synchronní dynamická akvizice
Na rozdíl od tradičních plošných kamer, které fungují v cyklu „zastavení–snímek–pohyb“, senzory TDI kontinuálně exponují snímky za pohybu. Jak se vzorek pohybuje v zorném poli, senzor TDI synchronizuje pohyb sloupců pixelů s rychlostí objektu. Tato synchronizace umožňuje kontinuální expozici a dynamickou akumulaci náboje stejného objektu v průběhu času, což umožňuje efektivní zobrazování i při vysokých rychlostech.
Demonstrace zobrazování TDI: Koordinovaný pohyb vzorku a integrace náboje
Akumulace poplatků za doménu
Každý sloupec pixelů převádí přicházející světlo na elektrický náboj, který je následně zpracováván v několika fázích vzorkování a čtení. Tento proces kontinuální akumulace efektivně zesiluje slabý signál faktorem N, kde N představuje počet integračních úrovní, a tím zlepšuje poměr signálu k šumu (SNR) za omezených světelných podmínek.
Ilustrace kvality obrazu v různých fázích TDI
Vývoj technologie TDI: Od CCD k podsvíceným sCMOS
Snímače TDI byly původně postaveny na platformách CCD nebo CMOS s předním osvětlením, ale obě architektury měly svá omezení při použití pro rychlé zobrazování a snímání za slabého osvětlení.
TDI-CCD
Podsvícené senzory TDI-CCD mohou dosáhnout kvantové účinnosti (QE) blízké 90 %. Jejich architektura sériového čtení však omezuje rychlost zobrazování – linkové rychlosti obvykle zůstávají pod 100 kHz, přičemž senzory s rozlišením 2K pracují na frekvenci přibližně 50 kHz.
Předně podsvícený TDI-CMOS
Předně osvětlené senzory TDI-CMOS nabízejí rychlejší čtecí rychlosti s rozlišením 8K dosahujícím až 400 kHz. Strukturální faktory však omezují jejich kvantovou efektivitu (QE), zejména v kratším rozsahu vlnových délek, a často ji udržují pod 60 %.
Významný pokrok nastal v roce 2020 s vydáním Tucsenova...sCMOS kamera Dhyana 9KTDI, TDI-sCMOS kamera s podsvícením. Představuje významný krok v kombinaci vysoké citlivosti s vysokorychlostním TDI výkonem:
-
Kvantová účinnost: 82% špičková kvantová účinnost – přibližně o 40 % vyšší než u konvenčních senzorů TDI-CMOS s předním osvětlením, což je ideální pro snímkování za slabého osvětlení.
-
Linková rychlost: 510 kHz při rozlišení 9K, což odpovídá propustnosti dat 4,59 gigapixelů za sekundu.
Tato technologie byla poprvé použita při vysoce výkonném fluorescenčním skenování, kde kamera zachytila 2gigapixelový obraz fluorescenčního vzorku o rozměrech 30 mm × 17 mm za 10,1 sekundy za optimalizovaných systémových podmínek, což prokázalo značné zvýšení rychlosti zobrazování a věrnosti detailů oproti konvenčním systémům plošného skenování.
ObrazDhyana 9KTDI s motorizovaným pódiem Zaber MVR
Objektivní10X Doba snímání: 10,1 s Doba expozice: 3,6 ms
Velikost obrázku30 mm x 17 mm, 58 000 x 34 160 pixelů
Klíčové výhody technologie TDI
Vysoká citlivost
Senzory TDI akumulují signály během více expozic, čímž zlepšují výkon při slabém osvětlení. S podsvícenými senzory TDI-sCMOS je dosažitelná kvantová účinnost nad 80 %, což podporuje náročné úkoly, jako je fluorescenční zobrazování a kontrola v tmavém poli.
Vysokorychlostní výkon
Senzory TDI jsou navrženy pro vysoce výkonné zobrazování a zachycují rychle se pohybující objekty s vynikající ostrostí. Synchronizací čtení pixelů s pohybem objektu TDI prakticky eliminuje rozmazání pohybem a podporuje kontrolu na dopravníkových pásech, skenování v reálném čase a další vysoce výkonné scénáře.
Vylepšený poměr signálu k šumu (SNR)
Integrací signálů napříč více fázemi mohou senzory TDI produkovat snímky vyšší kvality s menším osvětlením, čímž se snižuje riziko fotovybělování v biologických vzorcích a minimalizuje tepelné namáhání v citlivých materiálech.
Snížená citlivost na okolní rušení
Na rozdíl od systémů s plošným skenováním jsou senzory TDI méně ovlivněny okolním světlem nebo odrazy díky synchronizované expozici řádek po řádku, což je činí robustnějšími ve složitých průmyslových prostředích.
Příklad aplikace: Kontrola destiček
V polovodičovém sektoru se pro detekci slabého osvětlení běžně používaly plošně sCMOS kamery kvůli své rychlosti a citlivosti. Tyto systémy však mohou mít nevýhody:
-
Omezené zorné pole: Je nutné sešít více snímků dohromady, což vede k časově náročným procesům.
-
Pomalejší skenování: Každé skenování vyžaduje před pořízením dalšího snímku čekání na ustálení stolku.
-
Spojování artefaktů: Mezery a nekonzistence v obrazu ovlivňují kvalitu skenování.
Zobrazování TDI pomáhá řešit tyto problémy:
-
Nepřetržité skenování: TDI podporuje velké, nepřerušované skenování bez nutnosti spojování snímků.
-
Rychlejší snímání: Vysoké rychlosti linky (až 1 MHz) eliminují zpoždění mezi snímáními.
-
Vylepšená uniformita obrazu: Metoda řádkového skenování TDI minimalizuje perspektivní zkreslení a zajišťuje geometrickou přesnost v celém skenování.
TDI VS. Skenování oblasti
IlustraceTDI umožňuje plynulejší a plynulejší proces akvizice
Kamera sCMOS Gemini 8KTDI od společnosti Tucsen se osvědčila při inspekci destiček v hlubokém ultrafialovém záření. Podle interních testů společnosti Tucsen dosahuje kamera kvantifikace (QE) 63,9 % při 266 nm a udržuje si teplotní stabilitu čipu na 0 °C i při delším používání – což je důležité pro aplikace citlivé na UV záření.
Rozšiřující se využití: Od specializovaného zobrazování k systémové integraci
Technologie TDI se již neomezuje pouze na úzké aplikace nebo benchmarkové testování. Důraz se přesunul k praktické integraci do průmyslových systémů.
Řada Gemini TDI od společnosti Tucsen nabízí dva typy řešení:
1. Vlajkové modelyNavrženo pro pokročilé případy použití, jako je kontrola waferů na vstupu do sítě a detekce vad UV zářením. Tyto modely upřednostňují vysokou citlivost, stabilitu a propustnost.
2. Kompaktní variantyMenší, vzduchem chlazené a s nižší spotřebou energie – vhodnější pro vestavěné systémy. Tyto modely zahrnují vysokorychlostní rozhraní CXP (CoaXPress) pro efektivnější integraci.
Od vysoce výkonného zobrazování v biologických vědách až po přesnou kontrolu polovodičů hrají podsvícené TDI-sCMOS tranzistory stále důležitější roli ve vylepšování zobrazovacích pracovních postupů.
Často kladené otázky
Otázka 1: Jak funguje TDI?
TDI synchronizuje přenos náboje mezi řadami pixelů s pohybem objektu. Jak se objekt pohybuje, každá řada akumuluje další expozici, což zvyšuje citlivost, zejména v aplikacích se slabým osvětlením a vysokou rychlostí.
Q2: Kde lze technologii TDI použít?
TDI je ideální pro kontrolu polovodičů, fluorescenční skenování, kontrolu desek plošných spojů a další aplikace s vysokým rozlišením a vysokou rychlostí zobrazování, kde je problémem rozmazání pohybem a nízké osvětlení.
Q3: Co bych měl/a zvážit při výběru TDI kamery pro průmyslové aplikace?
Při výběru TDI kamery patří mezi důležité faktory rychlost linky, kvantová účinnost, rozlišení, spektrální odezva (zejména pro aplikace v UV nebo NIR) a tepelná stabilita.
Podrobný návod, jak vypočítat tarif za linku, naleznete v našem článku:
Řada TDI – Jak vypočítat frekvenci linky kamery
Tucsen Photonics Co., Ltd. Všechna práva vyhrazena. Při citaci prosím uveďte zdroj:www.tucsen.com
