25.07.29In den Bereichen der Biolumineszenz-Hochdurchsatzbildgebung und der industriellen Hochgeschwindigkeitsdetektion bei schwachem Licht war das Erreichen des optimalen Gleichgewichts zwischen Bildgebungsgeschwindigkeit und Empfindlichkeit lange Zeit ein zentraler Engpass, der den technologischen Fortschritt behinderte. Herkömmliche lineare oder flächenhafte Bildgebungslösungen stehen oft vor schwierigen Kompromissen, wodurch es schwierig ist, sowohl die Detektionseffizienz als auch die Systemleistung aufrechtzuerhalten. Infolgedessen wurden industrielle Upgrades erheblich eingeschränkt.
Die Einführung der rückseitig beleuchteten TDI-sCMOS-Technologie beginnt, diese Einschränkungen zu überwinden. Diese innovative Technologie überwindet nicht nur die physikalischen Grenzen der Hochgeschwindigkeitsbildgebung bei schlechten Lichtverhältnissen, sondern erweitert ihre Anwendungsmöglichkeiten auch über die Biowissenschaften hinaus auf fortschrittliche Industriebereiche wie die Halbleiterinspektion und die Präzisionsfertigung. Mit diesen Entwicklungen gewinnt TDI-sCMOS in modernen industriellen Bildgebungsanwendungen zunehmend an Bedeutung.
Dieser Artikel beschreibt die Grundprinzipien der TDI-Bildgebung, verfolgt ihre Entwicklung und erörtert ihre wachsende Rolle in industriellen Systemen.
Die Prinzipien von TDI verstehen: Ein Durchbruch in der dynamischen Bildgebung
Time Delay Integration (TDI) ist eine auf dem Zeilenabtastprinzip basierende Bilderfassungstechnologie, die zwei wesentliche technische Merkmale bietet:
Synchrone dynamische Erfassung
Im Gegensatz zu herkömmlichen Flächenkameras, die nach dem Prinzip „Stopp-Aufnahme-Bewegung“ arbeiten, belichten TDI-Sensoren Bilder kontinuierlich während der Bewegung. Während sich die Probe durch das Sichtfeld bewegt, synchronisiert der TDI-Sensor die Bewegung der Pixelspalten mit der Geschwindigkeit des Objekts. Diese Synchronisierung ermöglicht eine kontinuierliche Belichtung und dynamische Ladungsakkumulation desselben Objekts über die Zeit und ermöglicht so eine effiziente Bildgebung auch bei hohen Geschwindigkeiten.
TDI-Bildgebungsdemonstration: Koordinierte Probenbewegung und Ladungsintegration
Ladungsdomänenakkumulation
Jede Pixelspalte wandelt einfallendes Licht in elektrische Ladung um, die dann in mehreren Abtast- und Auslesestufen verarbeitet wird. Dieser kontinuierliche Akkumulationsprozess verstärkt das schwache Signal effektiv um den Faktor N, wobei N die Anzahl der Integrationsstufen darstellt, und verbessert so das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) bei eingeschränkten Lichtverhältnissen.
Darstellung der Bildqualität in verschiedenen TDI-Stufen
Entwicklung der TDI-Technologie: Vom CCD zum rückseitig beleuchteten sCMOS
TDI-Sensoren wurden ursprünglich auf CCD- oder Front-Illuminated-CMOS-Plattformen gebaut, aber beide Architekturen hatten Einschränkungen, wenn sie auf schnelle Bildgebung bei schwachem Licht angewendet wurden.
TDI-CCD
Rückseitig beleuchtete TDI-CCD-Sensoren können Quanteneffizienzen (QE) von nahezu 90 % erreichen. Ihre serielle Auslesearchitektur schränkt jedoch die Bildgeschwindigkeit ein – die Zeilenraten liegen typischerweise unter 100 kHz, während Sensoren mit 2K-Auflösung mit etwa 50 kHz arbeiten.
Frontbeleuchtetes TDI-CMOS
Frontbeleuchtete TDI-CMOS-Sensoren bieten schnellere Auslesegeschwindigkeiten mit Zeilenraten von bis zu 400 kHz bei einer Auflösung von 8K. Strukturelle Faktoren begrenzen jedoch ihre Quanteneffizienz, insbesondere im kürzeren Wellenlängenbereich, und halten sie oft unter 60 %.
Ein bemerkenswerter Fortschritt kam im Jahr 2020 mit der Veröffentlichung von TucsensDhyana 9KTDI sCMOS-Kamera, eine rückwärtig belichtete TDI-sCMOS-Kamera. Sie stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Kombination von hoher Empfindlichkeit mit der Hochgeschwindigkeits-TDI-Leistung dar:
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Quanteneffizienz: 82 % Spitzen-QE – etwa 40 % höher als bei herkömmlichen TDI-CMOS-Sensoren mit Frontbeleuchtung, wodurch es ideal für die Bildgebung bei schwachem Licht ist.
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Zeilenrate: 510 kHz bei 9K-Auflösung, was einem Datendurchsatz von 4,59 Gigapixeln pro Sekunde entspricht.
Diese Technologie wurde erstmals beim Hochdurchsatz-Fluoreszenzscannen eingesetzt, wo die Kamera unter optimierten Systembedingungen in 10,1 Sekunden ein 2-Gigapixel-Bild einer 30 mm × 17 mm großen fluoreszierenden Probe aufnahm und damit im Vergleich zu herkömmlichen Flächenscansystemen eine erhebliche Verbesserung der Bildgeschwindigkeit und Detailtreue zeigte.
Bild: Dhyana 9KTDI mit motorisierter Bühne Zaber MVR
Objektiv: 10X Erfassungszeit: 10,1 s Belichtungszeit: 3,6 ms
Bildgröße: 30 mm x 17 mm 58.000 x 34.160 Pixel
Hauptvorteile der TDI-Technologie
Hohe Empfindlichkeit
TDI-Sensoren akkumulieren Signale über mehrere Belichtungen hinweg und verbessern so die Leistung bei schwachem Licht. Mit rückseitig beleuchteten TDI-sCMOS-Sensoren ist eine Quanteneffizienz von über 80 % erreichbar, was anspruchsvolle Aufgaben wie Fluoreszenzbildgebung und Dunkelfeldinspektion unterstützt.
Hochgeschwindigkeitsleistung
TDI-Sensoren sind für die Hochdurchsatzbildgebung konzipiert und erfassen schnell bewegte Objekte mit hervorragender Klarheit. Durch die Synchronisierung der Pixelanzeige mit der Objektbewegung eliminiert TDI Bewegungsunschärfe nahezu vollständig und unterstützt Förderbandinspektion, Echtzeit-Scanning und andere Hochdurchsatzszenarien.
Verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)
Durch die Integration von Signalen über mehrere Stufen hinweg können TDI-Sensoren qualitativ hochwertigere Bilder bei geringerer Beleuchtung erzeugen, wodurch das Risiko der Photobleichung in biologischen Proben verringert und die thermische Belastung in empfindlichen Materialien minimiert wird.
Reduzierte Anfälligkeit gegenüber Umgebungsstörungen
Im Gegensatz zu Flächenscansystemen werden TDI-Sensoren aufgrund ihrer synchronisierten zeilenweisen Belichtung weniger durch Umgebungslicht oder Reflexionen beeinflusst, was sie in komplexen Industrieumgebungen robuster macht.
Anwendungsbeispiel: Waferinspektion
Im Halbleitersektor wurden aufgrund ihrer Geschwindigkeit und Empfindlichkeit häufig flächenabtastende sCMOS-Kameras zur Erkennung bei schwachem Licht eingesetzt. Diese Systeme können jedoch Nachteile haben:
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Eingeschränktes Sichtfeld: Mehrere Einzelbilder müssen zusammengefügt werden, was zu zeitaufwändigen Prozessen führt.
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Langsameres Scannen: Bei jedem Scan muss gewartet werden, bis sich der Tisch beruhigt hat, bevor das nächste Bild aufgenommen werden kann.
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Stitching-Artefakte: Bildlücken und -inkonsistenzen beeinträchtigen die Scanqualität.
TDI-Bildgebung hilft bei der Bewältigung dieser Herausforderungen:
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Kontinuierliches Scannen: TDI unterstützt große, ununterbrochene Scans ohne die Notwendigkeit einer Frame-Stitching.
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Schnellere Erfassung: Hohe Zeilenraten (bis zu 1 MHz) eliminieren Verzögerungen zwischen den Erfassungen.
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Verbesserte Bildgleichmäßigkeit: Die Zeilenscan-Methode von TDI minimiert perspektivische Verzerrungen und gewährleistet geometrische Genauigkeit über den gesamten Scan.
TDI VS Flächenscan
Illustration: TDI ermöglicht einen kontinuierlicheren und reibungsloseren Akquisitionsprozess
Die Gemini 8KTDI sCMOS-Kamera von Tucsen hat sich bei der Waferinspektion im tiefen Ultraviolett bewährt. Laut internen Tests von Tucsen erreicht die Kamera 63,9 % QE bei 266 nm und hält die Chiptemperatur bei längerem Gebrauch bei 0 °C stabil – wichtig für UV-empfindliche Anwendungen.
Erweiterte Nutzung: Von der spezialisierten Bildgebung zur Systemintegration
TDI ist nicht mehr auf Nischenanwendungen oder Benchmarktests beschränkt. Der Schwerpunkt hat sich auf die praktische Integration in industrielle Systeme verlagert.
Die Gemini TDI-Serie von Tucsen bietet zwei Arten von Lösungen:
1. Flaggschiff-Modelle: Entwickelt für anspruchsvolle Anwendungsfälle wie die Front-End-Wafer-Inspektion und UV-Defekterkennung. Diese Modelle legen Wert auf hohe Empfindlichkeit, Stabilität und Durchsatz.
2. Kompakte Varianten: Kleiner, luftgekühlt und mit geringerem Stromverbrauch – besser geeignet für eingebettete Systeme. Diese Modelle verfügen über CXP-Hochgeschwindigkeitsschnittstellen (CoaXPress) für eine optimierte Integration.
Von der Hochdurchsatzbildgebung in den Biowissenschaften bis hin zur Präzisionsinspektion von Halbleitern spielt rückseitig beleuchtetes TDI-sCMOS eine immer wichtigere Rolle bei der Verbesserung von Bildgebungsabläufen.
FAQs
F1: Wie funktioniert TDI?
TDI synchronisiert den Ladungstransfer über Pixelreihen mit der Bewegung des Objekts. Während sich das Objekt bewegt, akkumuliert jede Reihe eine weitere Belichtung, wodurch die Empfindlichkeit insbesondere bei schwachem Licht und hohen Geschwindigkeiten erhöht wird.
F2: Wo kann die TDI-Technologie eingesetzt werden?
TDI eignet sich ideal für die Halbleiterprüfung, Fluoreszenzscans, PCB-Prüfungen und andere hochauflösende Hochgeschwindigkeits-Bildgebungsanwendungen, bei denen Bewegungsunschärfe und geringe Beleuchtung eine Rolle spielen.
F3: Was sollte ich bei der Auswahl einer TDI-Kamera für industrielle Anwendungen beachten?
Wichtige Faktoren bei der Auswahl einer TDI-Kamera sind Zeilenrate, Quanteneffizienz, Auflösung, spektrale Reaktion (insbesondere für UV- oder NIR-Anwendungen) und thermische Stabilität.
Eine ausführliche Erklärung zur Berechnung der Leitungsrate finden Sie in unserem Artikel:
TDI-Serie – So berechnen Sie die Zeilenfrequenz der Kamera
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