25/07/29Inden for bioluminescens-billeddannelse med høj kapacitet og industriel højhastighedsdetektion i svagt lys har det længe været en central flaskehals, der begrænser den teknologiske fremskridt, at opnå den optimale balance mellem billedhastighed og følsomhed. Traditionelle lineære eller arealanvendte billeddannelsesløsninger står ofte over for vanskelige afvejninger, hvilket gør det udfordrende at opretholde både detektionseffektivitet og systemydelse. Som følge heraf har industrielle opgraderinger været betydeligt begrænset.
Introduktionen af bagbelyst TDI-sCMOS-teknologi begynder at afhjælpe disse begrænsninger. Denne innovative teknologi adresserer ikke kun de fysiske begrænsninger ved højhastighedsbilleddannelse under svage lysforhold, men udvider også dens anvendelser ud over biovidenskab til avancerede industrisektorer såsom halvlederinspektion og præcisionsfremstilling. Med disse udviklinger bliver TDI-sCMOS stadig mere relevant i moderne industrielle billeddannelsesapplikationer.
Denne artikel skitserer kerneprincipperne bag TDI-billeddannelse, sporer dens udvikling og diskuterer dens voksende rolle i industrielle systemer.
Forståelse af principperne bag TDI: Et gennembrud inden for dynamisk billeddannelse
Time Delay Integration (TDI) er en billedoptagelsesteknologi baseret på linjescanningsprincippet, der tilbyder to vigtige tekniske funktioner:
Synkron dynamisk optagelse
I modsætning til traditionelle områdekameraer, der fungerer med en "stop-shot-move"-cyklus, eksponerer TDI-sensorer kontinuerligt billeder, mens de er i bevægelse. Når prøven bevæger sig hen over synsfeltet, synkroniserer TDI-sensoren pixelkolonnernes bevægelse med objektets hastighed. Denne synkronisering muliggør kontinuerlig eksponering og dynamisk ladningsakkumulering af det samme objekt over tid, hvilket muliggør effektiv billeddannelse selv ved høje hastigheder.
TDI-billeddannelsesdemonstration: Koordineret prøvebevægelse og ladningsintegration
Akkumulering af ladningsdomæne
Hver pixelkolonne omdanner indkommende lys til elektrisk ladning, som derefter behandles gennem flere samplingsaflæsningstrin. Denne kontinuerlige akkumuleringsproces forstærker effektivt det svage signal med en faktor N, hvor N repræsenterer antallet af integrationsniveauer, hvilket forbedrer signal-støj-forholdet (SNR) under begrænsede lysforhold.
Illustration af billedkvalitet ved forskellige TDI-faser
Udviklingen af TDI-teknologi: Fra CCD til bagbelyst sCMOS
TDI-sensorer blev oprindeligt bygget på CCD- eller frontbelyste CMOS-platforme, men begge arkitekturer havde begrænsninger, når de blev anvendt til hurtig billeddannelse i svagt lys.
TDI-CCD
Bagbelyste TDI-CCD-sensorer kan opnå kvanteeffektiviteter (QE) tæt på 90 %. Deres serielle udlæsningsarkitektur begrænser dog billeddannelseshastigheden – linjehastigheder forbliver typisk under 100 kHz, mens sensorer med 2K-opløsning opererer ved omkring 50 kHz.
Frontbelyst TDI-CMOS
Frontbelyste TDI-CMOS-sensorer tilbyder hurtigere udlæsningshastigheder med linjehastigheder på 8K-opløsning, der når op til 400 kHz. Strukturelle faktorer begrænser dog deres QE, især i det kortere bølgelængdeområde, og holder den ofte under 60 %.
Et bemærkelsesværdigt fremskridt kom i 2020 med udgivelsen af TucsensDhyana 9KTDI sCMOS-kamera, et bagbelyst TDI-sCMOS-kamera. Det markerer et betydeligt spring i at kombinere høj følsomhed med højhastigheds-TDI-ydeevne:
-
Kvanteeffektivitet: 82 % peak QE – cirka 40 % højere end konventionelle frontbelyste TDI-CMOS-sensorer, hvilket gør den ideel til billeder i svagt lys.
-
Linjehastighed: 510 kHz ved 9K opløsning, hvilket svarer til en datagennemstrømning på 4,59 gigapixels pr. sekund.
Denne teknologi blev først anvendt i højkapacitets fluorescensscanning, hvor kameraet optog et 2-gigapixel billede af en 30 mm × 17 mm fluorescerende prøve på 10,1 sekunder under optimerede systemforhold, hvilket demonstrerede betydelige gevinster i billedhastighed og detaljekvalitet i forhold til konventionelle områdescanningssystemer.
BilledeDhyana 9KTDI med Zaber MVR motoriseret scene
Objektiv10X Optagelsestid: 10,1 s Eksponeringstid: 3,6 ms
Billedstørrelse30 mm x 17 mm 58.000 x 34.160 pixels
Vigtigste fordele ved TDI-teknologi
Høj følsomhed
TDI-sensorer akkumulerer signaler over flere eksponeringer, hvilket forbedrer ydeevnen i svagt lys. Med bagbelyste TDI-sCMOS-sensorer er kvanteeffektivitet på over 80% opnåelig, hvilket understøtter krævende opgaver som fluorescensbilleddannelse og mørkefeltsinspektion.
Højhastighedsydelse
TDI-sensorer er designet til billeddannelse med høj kapacitet og opfanger objekter i hurtig bevægelse med fremragende klarhed. Ved at synkronisere pixelaflæsning med objektbevægelse eliminerer TDI praktisk talt bevægelsesslør og understøtter transportbåndsbaseret inspektion, scanning i realtid og andre scenarier med høj kapacitet.
Forbedret signal-støjforhold (SNR)
Ved at integrere signaler på tværs af flere stadier kan TDI-sensorer producere billeder af højere kvalitet med mindre belysning, hvilket reducerer risikoen for fotoblegning i biologiske prøver og minimerer termisk stress i følsomme materialer.
Reduceret modtagelighed for omgivende interferens
I modsætning til områdescanningssystemer påvirkes TDI-sensorer mindre af omgivende lys eller refleksioner på grund af deres synkroniserede linje-for-linje-eksponering, hvilket gør dem mere robuste i komplekse industrielle miljøer.
Applikationseksempel: Waferinspektion
Inden for halvledersektoren blev area-scan sCMOS-kameraer almindeligvis brugt til detektering af svagt lys på grund af deres hastighed og følsomhed. Disse systemer kan dog have ulemper:
-
Begrænset synsfelt: Flere rammer skal sys sammen, hvilket resulterer i tidskrævende processer.
-
Langsommere scanning: Hver scanning kræver, at man venter på, at scenen stabiliserer sig, før det næste billede tages.
-
Sammenføjningsartefakter: Billedhuller og uoverensstemmelser påvirker scanningskvaliteten.
TDI-billeddannelse hjælper med at løse disse udfordringer:
-
Kontinuerlig scanning: TDI understøtter store, uafbrudte scanninger uden behov for rammesammensætning.
-
Hurtigere optagelse: Høje linjehastigheder (op til 1 MHz) eliminerer forsinkelser mellem optagelser.
-
Forbedret billeduniformitet: TDI's linjescanningsmetode minimerer perspektivforvrængning og sikrer geometrisk nøjagtighed på tværs af hele scanningen.
TDI VS Områdescanning
IllustrationTDI muliggør en mere kontinuerlig og problemfri anskaffelsesproces
Tucsens Gemini 8KTDI sCMOS-kamera har været effektivt til dyb ultraviolet waferinspektion. Ifølge Tucsens interne test opnår kameraet 63,9% QE ved 266 nm og opretholder chiptemperaturstabilitet ved 0°C over længere tids brug – vigtigt for UV-følsomme applikationer.
Udvidet brug: Fra specialiseret billeddannelse til systemintegration
TDI er ikke længere begrænset til nicheapplikationer eller benchmarktestning. Fokus er flyttet mod praktisk integration i industrielle systemer.
Tucsens Gemini TDI-serie tilbyder to typer løsninger:
1. FlagskibsmodellerDesignet til avancerede anvendelsesscenarier som front-end waferinspektion og UV-defektdetektion. Disse modeller prioriterer høj følsomhed, stabilitet og gennemløbshastighed.
2. Kompakte varianterMindre, luftkølede og med lavere strømforbrug – mere velegnede til indlejrede systemer. Disse modeller inkluderer CXP (CoaXPress) højhastighedsgrænseflader til strømlinet integration.
Fra højkapacitetsbilleddannelse inden for biovidenskab til præcisionsinspektion af halvledere spiller bagbelyst TDI-sCMOS en stadig vigtigere rolle i at forbedre billeddannelsesarbejdsgange.
Ofte stillede spørgsmål
Q1: Hvordan fungerer TDI?
TDI synkroniserer ladningsoverførsel på tværs af pixelrækker med objektets bevægelse. Når objektet bevæger sig, akkumulerer hver række en ny eksponering, hvilket øger følsomheden, især i applikationer med svagt lys og høj hastighed.
Q2: Hvor kan TDI-teknologi bruges?
TDI er ideel til halvlederinspektion, fluorescensscanning, PCB-inspektion og andre billeddannelsesapplikationer med høj opløsning og høj hastighed, hvor bevægelsesslør og lav belysning er problematisk.
Q3: Hvad skal jeg overveje, når jeg vælger et TDI-kamera til industrielle anvendelser?
Når man vælger et TDI-kamera, omfatter vigtige faktorer linjehastighed, kvanteeffektivitet, opløsning, spektralrespons (især til UV- eller NIR-applikationer) og termisk stabilitet.
For en detaljeret forklaring af, hvordan man beregner linjerenten, se vores artikel:
TDI-serien – Sådan beregner du kameraets linjefrekvens
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rettigheder forbeholdes. Angiv venligst kilden ved henvisning:www.tucsen.com
