25/07/29Στους τομείς της απεικόνισης υψηλής απόδοσης βιοφωταύγειας και της βιομηχανικής ανίχνευσης χαμηλού φωτισμού υψηλής ταχύτητας, η επίτευξη της βέλτιστης ισορροπίας μεταξύ ταχύτητας απεικόνισης και ευαισθησίας αποτελεί εδώ και καιρό ένα βασικό εμπόδιο που περιορίζει την τεχνολογική πρόοδο. Οι παραδοσιακές λύσεις γραμμικής απεικόνισης ή απεικόνισης με συστοιχία περιοχών συχνά αντιμετωπίζουν δύσκολους συμβιβασμούς, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη διατήρηση τόσο της αποτελεσματικότητας της ανίχνευσης όσο και της απόδοσης του συστήματος. Ως αποτέλεσμα, οι βιομηχανικές αναβαθμίσεις έχουν περιοριστεί σημαντικά.
Η εισαγωγή της τεχνολογίας TDI-sCMOS με οπίσθιο φωτισμό αρχίζει να αντιμετωπίζει αυτούς τους περιορισμούς. Αυτή η καινοτόμος τεχνολογία όχι μόνο αντιμετωπίζει τους φυσικούς περιορισμούς της απεικόνισης υψηλής ταχύτητας σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού, αλλά επεκτείνει επίσης τις εφαρμογές της πέρα από τις βιοεπιστήμες σε προηγμένους βιομηχανικούς τομείς, όπως η επιθεώρηση ημιαγωγών και η κατασκευή ακριβείας. Με αυτές τις εξελίξεις, η TDI-sCMOS αποκτά ολοένα και μεγαλύτερη σημασία στις σύγχρονες εφαρμογές βιομηχανικής απεικόνισης.
Αυτό το άρθρο περιγράφει τις βασικές αρχές πίσω από την απεικόνιση TDI, παρακολουθεί την εξέλιξή της και συζητά τον αυξανόμενο ρόλο της στα βιομηχανικά συστήματα.
Κατανόηση των Αρχών του TDI: Μια Ανακάλυψη στη Δυναμική Απεικόνιση
Η Ενσωμάτωση Χρονικής Καθυστέρησης (TDI) είναι μια τεχνολογία λήψης εικόνας που βασίζεται στην αρχή της σάρωσης γραμμής και προσφέρει δύο σημαντικά τεχνικά χαρακτηριστικά:
Σύγχρονη Δυναμική Λήψη
Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές κάμερες περιοχής που λειτουργούν με κύκλο "stop-shot-move", οι αισθητήρες TDI εκθέτουν συνεχώς εικόνες ενώ βρίσκονται σε κίνηση. Καθώς το δείγμα κινείται στο οπτικό πεδίο, ο αισθητήρας TDI συγχρονίζει την κίνηση των στηλών των pixel με την ταχύτητα του αντικειμένου. Αυτός ο συγχρονισμός επιτρέπει τη συνεχή έκθεση και τη δυναμική συσσώρευση φορτίου του ίδιου αντικειμένου με την πάροδο του χρόνου, επιτρέποντας αποτελεσματική απεικόνιση ακόμη και σε υψηλές ταχύτητες.
Επίδειξη απεικόνισης TDI: Συντονισμένη κίνηση δείγματος και ενσωμάτωση φορτίου
Συσσώρευση Χρέωσης Τομέα
Κάθε στήλη εικονοστοιχείων μετατρέπει το εισερχόμενο φως σε ηλεκτρικό φορτίο, το οποίο στη συνέχεια υποβάλλεται σε επεξεργασία μέσω πολλαπλών σταδίων ανάγνωσης δειγματοληψίας. Αυτή η συνεχής διαδικασία συσσώρευσης ενισχύει αποτελεσματικά το ασθενές σήμα κατά έναν συντελεστή N, όπου το N αντιπροσωπεύει τον αριθμό των επιπέδων ολοκλήρωσης, βελτιώνοντας τον λόγο σήματος προς θόρυβο (SNR) υπό περιορισμένες συνθήκες φωτισμού.
Απεικόνιση της ποιότητας εικόνας σε διαφορετικά στάδια TDI
Εξέλιξη της τεχνολογίας TDI: Από το CCD στο sCMOS με οπίσθιο φωτισμό
Οι αισθητήρες TDI κατασκευάστηκαν αρχικά σε πλατφόρμες CCD ή CMOS με εμπρόσθιο φωτισμό, αλλά και οι δύο αρχιτεκτονικές είχαν περιορισμούς όταν εφαρμόστηκαν σε γρήγορη και χαμηλού φωτισμού απεικόνιση.
TDI-CCD
Οι αισθητήρες TDI-CCD με οπίσθιο φωτισμό μπορούν να επιτύχουν κβαντική απόδοση (QE) κοντά στο 90%. Ωστόσο, η αρχιτεκτονική σειριακής ανάγνωσής τους περιορίζει την ταχύτητα απεικόνισης—οι ρυθμοί γραμμής συνήθως παραμένουν κάτω από τα 100 kHz, με τους αισθητήρες ανάλυσης 2K να λειτουργούν στα περίπου 50 kHz.
TDI-CMOS με μπροστινό φωτισμό
Οι αισθητήρες TDI-CMOS με μπροστινό φωτισμό προσφέρουν ταχύτερες ταχύτητες ανάγνωσης, με ρυθμούς γραμμής ανάλυσης 8K που φτάνουν έως και 400 kHz. Ωστόσο, δομικοί παράγοντες περιορίζουν την QE τους, ειδικά στο μικρότερο εύρος μήκους κύματος, διατηρώντας την συχνά κάτω από 60%.
Μια αξιοσημείωτη πρόοδος σημειώθηκε το 2020 με την κυκλοφορία του Tucsen'sΚάμερα sCMOS Dhyana 9KTDI, μια κάμερα TDI-sCMOS με οπίσθιο φωτισμό. Σηματοδοτεί ένα σημαντικό άλμα στον συνδυασμό υψηλής ευαισθησίας με απόδοση TDI υψηλής ταχύτητας:
-
Κβαντική Απόδοση: 82% μέγιστη QE—περίπου 40% υψηλότερη από τους συμβατικούς αισθητήρες TDI-CMOS με μπροστινό φωτισμό, καθιστώντας τον ιδανικό για απεικόνιση σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού.
-
Ρυθμός γραμμής: 510 kHz σε ανάλυση 9K, που μεταφράζεται σε απόδοση δεδομένων 4,59 gigapixel ανά δευτερόλεπτο.
Αυτή η τεχνολογία εφαρμόστηκε για πρώτη φορά σε σάρωση φθορισμού υψηλής απόδοσης, όπου η κάμερα κατέγραψε μια εικόνα 2 gigapixel ενός δείγματος φθορισμού 30 mm × 17 mm σε 10,1 δευτερόλεπτα υπό βελτιστοποιημένες συνθήκες συστήματος, επιδεικνύοντας σημαντικά κέρδη στην ταχύτητα απεικόνισης και την πιστότητα λεπτομερειών σε σχέση με τα συμβατικά συστήματα σάρωσης περιοχής.
ΕικώνDhyana 9KTDI με μηχανοκίνητη σκηνή Zaber MVR
ΣκοπόςΧρόνος λήψης 10X: 10,1 δευτ. Χρόνος έκθεσης: 3,6ms
Μέγεθος εικόνας: 30 χιλ. x 17 χιλ. 58.000 x 34.160 pixel
Βασικά πλεονεκτήματα της τεχνολογίας TDI
Υψηλή ευαισθησία
Οι αισθητήρες TDI συσσωρεύουν σήματα σε πολλαπλές εκθέσεις, βελτιώνοντας την απόδοση σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού. Με τους αισθητήρες TDI-sCMOS με οπίσθιο φωτισμό, είναι εφικτή η κβαντική απόδοση άνω του 80%, η οποία υποστηρίζει απαιτητικές εργασίες όπως η απεικόνιση φθορισμού και η επιθεώρηση σκοτεινού πεδίου.
Υψηλής ταχύτητας απόδοση
Οι αισθητήρες TDI έχουν σχεδιαστεί για απεικόνιση υψηλής απόδοσης, καταγράφοντας αντικείμενα που κινούνται γρήγορα με εξαιρετική ευκρίνεια. Συγχρονίζοντας την ανάγνωση των pixel με την κίνηση του αντικειμένου, το TDI ουσιαστικά εξαλείφει το θάμπωμα της κίνησης και υποστηρίζει την επιθεώρηση με βάση τον ιμάντα μεταφοράς, τη σάρωση σε πραγματικό χρόνο και άλλα σενάρια υψηλής απόδοσης.
Βελτιωμένος λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR)
Ενσωματώνοντας σήματα σε πολλαπλά στάδια, οι αισθητήρες TDI μπορούν να παράγουν εικόνες υψηλότερης ποιότητας με λιγότερο φωτισμό, μειώνοντας τους κινδύνους φωτολεύκανσης σε βιολογικά δείγματα και ελαχιστοποιώντας τη θερμική καταπόνηση σε ευαίσθητα υλικά.
Μειωμένη ευαισθησία σε παρεμβολές περιβάλλοντος
Σε αντίθεση με τα συστήματα σάρωσης περιοχής, οι αισθητήρες TDI επηρεάζονται λιγότερο από το φως περιβάλλοντος ή τις αντανακλάσεις λόγω της συγχρονισμένης έκθεσής τους γραμμή προς γραμμή, καθιστώντας τους πιο ανθεκτικούς σε σύνθετα βιομηχανικά περιβάλλοντα.
Παράδειγμα εφαρμογής: Επιθεώρηση πλακιδίων
Στον τομέα των ημιαγωγών, οι κάμερες sCMOS σάρωσης περιοχής χρησιμοποιούνταν συνήθως για ανίχνευση χαμηλού φωτισμού λόγω της ταχύτητας και της ευαισθησίας τους. Ωστόσο, αυτά τα συστήματα μπορεί να έχουν μειονεκτήματα:
-
Περιορισμένο οπτικό πεδίο: Πρέπει να συρραφθούν πολλά καρέ μεταξύ τους, με αποτέλεσμα χρονοβόρες διαδικασίες.
-
Αργότερη σάρωση: Κάθε σάρωση απαιτεί αναμονή για να ηρεμήσει το επίπεδο πριν από τη λήψη της επόμενης εικόνας.
-
Τεχνουργήματα συρραφής: Τα κενά και οι ασυνέπειες στις εικόνες επηρεάζουν την ποιότητα σάρωσης.
Η απεικόνιση TDI βοηθά στην αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων:
-
Συνεχής σάρωση: Το TDI υποστηρίζει μεγάλες, αδιάλειπτες σαρώσεις χωρίς την ανάγκη συρραφής πλαισίων.
-
Ταχύτερη Λήψη: Οι υψηλοί ρυθμοί γραμμής (έως 1 MHz) εξαλείφουν τις καθυστερήσεις μεταξύ των λήψεων.
-
Βελτιωμένη ομοιομορφία εικόνας: Η μέθοδος γραμμικής σάρωσης του TDI ελαχιστοποιεί την παραμόρφωση της προοπτικής και διασφαλίζει γεωμετρική ακρίβεια σε ολόκληρη τη σάρωση.
Σάρωση TDI έναντι περιοχής
ΕικόναΤο TDI επιτρέπει μια πιο συνεχή και ομαλή διαδικασία απόκτησης
Η κάμερα sCMOS Gemini 8KTDI της Tucsen έχει αποδειχθεί αποτελεσματική στην επιθεώρηση πλακιδίων σε βάθος υπεριώδους ακτινοβολίας. Σύμφωνα με εσωτερικές δοκιμές της Tucsen, η κάμερα επιτυγχάνει QE 63,9% στα 266 nm και διατηρεί σταθερότητα θερμοκρασίας τσιπ στους 0°C για παρατεταμένη χρήση - σημαντικό για εφαρμογές ευαίσθητες στην υπεριώδη ακτινοβολία.
Επέκταση Χρήσης: Από την Εξειδικευμένη Απεικόνιση έως την Ενσωμάτωση Συστημάτων
Το TDI δεν περιορίζεται πλέον σε εξειδικευμένες εφαρμογές ή σε δοκιμές συγκριτικής αξιολόγησης. Η έμφαση έχει μετατοπιστεί στην πρακτική ενσωμάτωση σε βιομηχανικά συστήματα.
Η σειρά Gemini TDI της Tucsen προσφέρει δύο τύπους λύσεων:
1. Μοντέλα-ναυαρχίδεςΣχεδιασμένο για προηγμένες περιπτώσεις χρήσης, όπως η επιθεώρηση πλακιδίων front-end και η ανίχνευση ελαττωμάτων UV. Αυτά τα μοντέλα δίνουν προτεραιότητα στην υψηλή ευαισθησία, τη σταθερότητα και την απόδοση.
2. Συμπαγείς παραλλαγέςΜικρότερα, αερόψυκτα και χαμηλότερης ισχύος—πιο κατάλληλα για ενσωματωμένα συστήματα. Αυτά τα μοντέλα περιλαμβάνουν διεπαφές υψηλής ταχύτητας CXP (CoaXPress) για βελτιστοποιημένη ενσωμάτωση.
Από την απεικόνιση υψηλής απόδοσης στις βιοεπιστήμες έως την ακριβή επιθεώρηση ημιαγωγών, το TDI-sCMOS με οπίσθιο φωτισμό παίζει ολοένα και πιο σημαντικό ρόλο στη βελτίωση των ροών εργασίας απεικόνισης.
Συχνές ερωτήσεις
Ε1: Πώς λειτουργεί το TDI;
Το TDI συγχρονίζει τη μεταφορά φορτίου μεταξύ των σειρών των pixel με την κίνηση του αντικειμένου. Καθώς το αντικείμενο κινείται, κάθε σειρά συσσωρεύει μια ακόμη έκθεση, αυξάνοντας την ευαισθησία, ειδικά σε εφαρμογές χαμηλού φωτισμού και υψηλής ταχύτητας.
Ε2: Πού μπορεί να χρησιμοποιηθεί η τεχνολογία TDI;
Το TDI είναι ιδανικό για επιθεώρηση ημιαγωγών, σάρωση φθορισμού, επιθεώρηση PCB και άλλες εφαρμογές απεικόνισης υψηλής ανάλυσης και υψηλής ταχύτητας όπου η θόλωση κίνησης και ο χαμηλός φωτισμός αποτελούν ανησυχίες.
Ε3: Τι πρέπει να λάβω υπόψη όταν επιλέγω μια κάμερα TDI για βιομηχανικές εφαρμογές;
Κατά την επιλογή μιας κάμερας TDI, σημαντικοί παράγοντες περιλαμβάνουν τον ρυθμό γραμμής, την κβαντική απόδοση, την ανάλυση, την φασματική απόκριση (ειδικά για εφαρμογές UV ή NIR) και τη θερμική σταθερότητα.
Για μια λεπτομερή εξήγηση σχετικά με τον τρόπο υπολογισμού του ποσοστού γραμμής, ανατρέξτε στο άρθρο μας:
Σειρά TDI – Πώς να υπολογίσετε τη συχνότητα γραμμής της κάμερας
Tucsen Photonics Co., Ltd. Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. Κατά την αναφορά, παρακαλούμε να αναφέρετε την πηγή:www.tucsen.com
