29.07.2025In der Biolumineszenz-Hochdurchsatzbildgebung und der industriellen Hochgeschwindigkeitsdetektion bei schwachem Licht stellt die optimale Balance zwischen Bildgebungsgeschwindigkeit und Empfindlichkeit seit Langem einen zentralen Engpass dar, der den technologischen Fortschritt begrenzt. Herkömmliche lineare oder flächenhafte Array-Bildgebungsverfahren stehen oft vor schwierigen Kompromissen, was es erschwert, sowohl die Detektionseffizienz als auch die Systemleistung aufrechtzuerhalten. Infolgedessen wurden industrielle Modernisierungen erheblich eingeschränkt.
Die Einführung der rückseitig belichteten TDI-sCMOS-Technologie trägt dazu bei, diese Einschränkungen zu beheben. Diese innovative Technologie überwindet nicht nur die physikalischen Grenzen der Hochgeschwindigkeitsbildgebung bei schwachem Licht, sondern erweitert ihre Anwendungsmöglichkeiten auch über die Biowissenschaften hinaus auf fortgeschrittene Industriezweige wie die Halbleiterinspektion und die Präzisionsfertigung. Dank dieser Entwicklungen gewinnt TDI-sCMOS zunehmend an Bedeutung für moderne industrielle Bildgebungsanwendungen.
Dieser Artikel erläutert die Grundprinzipien der TDI-Bildgebung, verfolgt ihre Entwicklung und diskutiert ihre wachsende Bedeutung in industriellen Systemen.
Die Prinzipien der TDI verstehen: Ein Durchbruch in der dynamischen Bildgebung
Die Zeitverzögerungsintegration (TDI) ist eine Bildaufnahmetechnologie, die auf dem Zeilenabtastprinzip basiert und zwei wesentliche technische Merkmale bietet:
Synchrone dynamische Datenerfassung
Im Gegensatz zu herkömmlichen Flächenkameras, die mit einem „Stopp-Aufnahme-Bewegung“-Zyklus arbeiten, belichten TDI-Sensoren Bilder kontinuierlich während der Bewegung. Bewegt sich das Objekt durch das Sichtfeld, synchronisiert der TDI-Sensor die Bewegung der Pixelspalten mit der Geschwindigkeit des Objekts. Diese Synchronisation ermöglicht die kontinuierliche Belichtung und dynamische Ladungsakkumulation desselben Objekts über die Zeit und somit effiziente Bildgebung auch bei hohen Geschwindigkeiten.
TDI-Bildgebungsdemonstration: Koordinierte Probenbewegung und Ladungsintegration
Ladungsdomänenakkumulation
Jede Pixelspalte wandelt einfallendes Licht in elektrische Ladung um, die anschließend 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 schwachen Lichtverhältnissen.
Illustration der Bildqualität in verschiedenen TDI-Stufen
Evolution der TDI-Technologie: Von CCD zu rückseitig belichtetem sCMOS
TDI-Sensoren wurden ursprünglich auf CCD- oder frontseitig belichteten CMOS-Plattformen aufgebaut, doch beide Architekturen wiesen Einschränkungen bei der Anwendung für schnelle und schwache Bildgebung auf.
TDI-CCD
Rückseitig belichtete TDI-CCD-Sensoren erreichen Quanteneffizienzen (QE) von nahezu 90 %. Ihre serielle Auslesearchitektur begrenzt jedoch die Bildgebungsgeschwindigkeit – die Zeilenraten bleiben typischerweise unter 100 kHz, wobei Sensoren mit 2K-Auflösung mit etwa 50 kHz arbeiten.
Frontseitig beleuchtetes TDI-CMOS
Frontseitig belichtete TDI-CMOS-Sensoren bieten höhere Auslesegeschwindigkeiten mit Zeilenraten von bis zu 400 kHz bei 8K-Auflösung. Strukturelle Faktoren begrenzen jedoch ihre Quanteneffizienz, insbesondere im kürzeren Wellenlängenbereich, sodass diese oft unter 60 % liegt.
Ein bemerkenswerter Fortschritt gelang 2020 mit der Veröffentlichung von TucsensDhyana 9KTDI sCMOS-Kamera, eine rückseitig belichtete TDI-sCMOS-Kamera. Sie stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Kombination von hoher Empfindlichkeit mit hoher TDI-Leistung dar:
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Quanteneffizienz: 82 % Spitzen-QE – etwa 40 % höher als bei herkömmlichen frontseitig beleuchteten TDI-CMOS-Sensoren, wodurch es sich ideal für Aufnahmen bei schwachem Licht eignet.
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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. Die Kamera erfasste unter optimierten Systembedingungen in 10,1 Sekunden ein 2-Gigapixel-Bild einer 30 mm × 17 mm großen Fluoreszenzprobe und demonstrierte damit erhebliche Vorteile hinsichtlich Bildgebungsgeschwindigkeit und Detailgenauigkeit gegenüber herkömmlichen Flächenscansystemen.
Bild: Dhyana 9KTDI mit motorisierter Bühne Zaber MVR
Objektiv: 10x Aufnahmezeit: 10,1 s Belichtungszeit: 3,6 ms
Bildgröße: 30 mm x 17 mm, 58.000 x 34.160 Pixel
Wichtigste Vorteile der TDI-Technologie
Hohe Empfindlichkeit
TDI-Sensoren akkumulieren Signale über mehrere Belichtungen hinweg und verbessern so ihre Leistung bei schwachem Licht. Mit rückseitig belichteten TDI-sCMOS-Sensoren lässt sich eine Quanteneffizienz von über 80 % erzielen, was anspruchsvolle Aufgaben wie Fluoreszenzbildgebung und Dunkelfeldinspektion ermöglicht.
Hochgeschwindigkeitsleistung
TDI-Sensoren sind für die Bildgebung mit hohem Durchsatz konzipiert und erfassen schnell bewegte Objekte mit exzellenter Klarheit. Durch die Synchronisierung der Pixelauslesung mit der Objektbewegung eliminiert TDI Bewegungsunschärfe nahezu vollständig und unterstützt die Inspektion auf Förderbändern, Echtzeit-Scanning und andere Anwendungen mit hohem Durchsatz.
Verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)
Durch die Integration von Signalen über mehrere Stufen hinweg können TDI-Sensoren qualitativ hochwertigere Bilder mit weniger Beleuchtung erzeugen, wodurch das Risiko des Ausbleichens von biologischen Proben verringert und die thermische Belastung empfindlicher Materialien minimiert wird.
Verringerte Anfälligkeit gegenüber Umgebungsstörungen
Im Gegensatz zu Flächenabtastsystemen sind TDI-Sensoren aufgrund ihrer synchronen zeilenweisen Belichtung weniger anfällig für Umgebungslicht oder Reflexionen, was sie in komplexen industriellen Umgebungen robuster macht.
Anwendungsbeispiel: Waferinspektion
Im Halbleitersektor wurden flächenabtastende sCMOS-Kameras aufgrund ihrer Geschwindigkeit und Empfindlichkeit häufig für die Schwachlichterkennung eingesetzt. Diese Systeme können jedoch Nachteile aufweisen:
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Begrenztes Sichtfeld: Mehrere Einzelbilder müssen zusammengefügt werden, was einen zeitaufwändigen Prozess zur Folge hat.
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Langsameres Scannen: Für jeden Scan muss gewartet werden, bis sich die Position des Objekts beruhigt hat, bevor das nächste Bild aufgenommen werden kann.
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Stitching-Artefakte: Bildlücken und Inkonsistenzen beeinträchtigen die Scanqualität.
Die TDI-Bildgebung trägt dazu bei, diese Herausforderungen zu bewältigen:
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Kontinuierliches Scannen: TDI unterstützt große, ununterbrochene Scans ohne die Notwendigkeit des Zusammenfügens von Einzelbildern.
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Schnellere Datenerfassung: Hohe Datenraten (bis zu 1 MHz) eliminieren Verzögerungen zwischen den Aufnahmen.
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Verbesserte Bildhomogenität: Die Zeilenabtastmethode von TDI minimiert perspektivische Verzerrungen und gewährleistet geometrische Genauigkeit über den gesamten Scanbereich.
TDI vs. Flächenscan
IllustrationTDI ermöglicht einen kontinuierlicheren und reibungsloseren Akquisitionsprozess
Die Gemini 8KTDI sCMOS-Kamera von Tucsen hat sich bei der Waferinspektion im tiefen Ultraviolettbereich bewährt. Laut internen Tests von Tucsen erreicht die Kamera eine Quanteneffizienz (QE) von 63,9 % bei 266 nm und gewährleistet eine stabile Chiptemperatur von 0 °C auch bei längerem Einsatz – ein wichtiger Faktor für UV-empfindliche Anwendungen.
Erweiterter Einsatz: Von spezialisierter Bildgebung bis hin zur Systemintegration
TDI beschränkt sich nicht länger auf Nischenanwendungen oder Benchmark-Tests. Der Fokus hat sich auf die praktische Integration in industrielle Systeme verlagert.
Die Gemini TDI-Serie von Tucsen bietet zwei Lösungsarten:
1. FlaggschiffmodelleDiese Modelle wurden für anspruchsvolle Anwendungsfälle wie die Waferinspektion im Front-End und die UV-Defekterkennung entwickelt. Sie zeichnen sich durch hohe Empfindlichkeit, Stabilität und hohen Durchsatz aus.
2. Kompakte VariantenKleiner, luftgekühlt und mit geringerem Stromverbrauch – besser geeignet für eingebettete Systeme. Diese Modelle verfügen über CXP-Hochgeschwindigkeitsschnittstellen (CoaXPress) für eine optimierte Integration.
Von der Hochdurchsatz-Bildgebung in den Lebenswissenschaften bis hin zur präzisen Halbleiterinspektion spielt die rückseitig belichtete TDI-sCMOS-Technologie eine zunehmend wichtige Rolle bei der Verbesserung von Bildgebungs-Workflows.
Häufig gestellte Fragen
Frage 1: Wie funktioniert TDI?
TDI synchronisiert den Ladungstransfer zwischen den Pixelzeilen mit der Bewegung des Objekts. Während sich das Objekt bewegt, akkumuliert jede Zeile eine weitere Belichtung, wodurch die Empfindlichkeit erhöht wird, insbesondere bei schwachem Licht und schnellen Bewegungen.
Frage 2: Wo kann die TDI-Technologie eingesetzt werden?
TDI eignet sich ideal für die Halbleiterinspektion, Fluoreszenz-Scanning, Leiterplatteninspektion und andere hochauflösende, schnelle Bildgebungsanwendungen, bei denen Bewegungsunschärfe und geringe Beleuchtungsstärke problematisch sind.
Frage 3: Was sollte ich bei der Auswahl einer TDI-Kamera für industrielle Anwendungen beachten?
Bei der Auswahl einer TDI-Kamera sind wichtige Faktoren die Zeilenrate, die Quanteneffizienz, die Auflösung, die spektrale Empfindlichkeit (insbesondere für UV- oder NIR-Anwendungen) und die thermische Stabilität.
Eine detaillierte Erklärung zur Berechnung der Leitungsrate finden Sie in unserem Artikel:
