25/07/29En los campos de la imagenología de alto rendimiento por bioluminiscencia y la detección industrial de alta velocidad en condiciones de poca luz, lograr el equilibrio óptimo entre velocidad de imagen y sensibilidad ha sido durante mucho tiempo un obstáculo fundamental que ha limitado el progreso tecnológico. Las soluciones tradicionales de imagenología lineal o de matriz de área suelen presentar dificultades para encontrar soluciones, lo que dificulta mantener tanto la eficiencia de detección como el rendimiento del sistema. Como resultado, las actualizaciones industriales se han visto significativamente limitadas.
La introducción de la tecnología TDI-sCMOS retroiluminada está empezando a abordar estas limitaciones. Esta innovadora tecnología no solo aborda las limitaciones físicas de la obtención de imágenes a alta velocidad en condiciones de poca luz, sino que también amplía sus aplicaciones más allá de las ciencias de la vida, abarcando sectores industriales avanzados como la inspección de semiconductores y la fabricación de precisión. Con estos avances, la tecnología TDI-sCMOS cobra cada vez mayor relevancia en las aplicaciones modernas de obtención de imágenes industriales.
Este artículo describe los principios básicos detrás de la obtención de imágenes TDI, rastrea su evolución y analiza su creciente papel en los sistemas industriales.
Comprensión de los principios de TDI: un avance en la imagen dinámica
La integración de retardo de tiempo (TDI) es una tecnología de adquisición de imágenes basada en el principio de escaneo lineal que ofrece dos características técnicas importantes:
Adquisición dinámica sincrónica
A diferencia de las cámaras de área tradicionales, que funcionan con un ciclo de "detención-disparo-movimiento", los sensores TDI exponen imágenes continuamente en movimiento. A medida que la muestra se desplaza por el campo de visión, el sensor TDI sincroniza el movimiento de las columnas de píxeles con la velocidad del objeto. Esta sincronización permite la exposición continua y la acumulación dinámica de carga del mismo objeto a lo largo del tiempo, lo que permite obtener imágenes eficientes incluso a altas velocidades.
Demostración de imágenes TDI: movimiento coordinado de muestras e integración de carga
Acumulación del dominio de carga
Cada columna de píxeles convierte la luz entrante en carga eléctrica, que posteriormente se procesa mediante múltiples etapas de lectura de muestreo. Este proceso de acumulación continua mejora eficazmente la señal débil por un factor de N, donde N representa el número de niveles de integración, lo que mejora la relación señal-ruido (SNR) en condiciones de iluminación limitadas.
Ilustración de la calidad de la imagen en diferentes etapas de TDI
Evolución de la tecnología TDI: de CCD a sCMOS retroiluminado
Los sensores TDI se construyeron inicialmente en plataformas CCD o CMOS con iluminación frontal, pero ambas arquitecturas tenían limitaciones cuando se aplicaban a imágenes rápidas y con poca luz.
TDI-CCD
Los sensores TDI-CCD retroiluminados pueden alcanzar eficiencias cuánticas (QE) cercanas al 90 %. Sin embargo, su arquitectura de lectura en serie limita la velocidad de captura de imágenes: las velocidades de línea suelen ser inferiores a 100 kHz, mientras que los sensores con resolución 2K operan a aproximadamente 50 kHz.
TDI-CMOS con iluminación frontal
Los sensores TDI-CMOS con iluminación frontal ofrecen velocidades de lectura más rápidas, con frecuencias de línea de resolución 8K que alcanzan hasta 400 kHz. Sin embargo, factores estructurales limitan su QE, especialmente en el rango de longitudes de onda más cortas, manteniéndola a menudo por debajo del 60 %.
Un avance notable se produjo en 2020 con el lanzamiento de TucsenCámara sCMOS Dhyana 9KTDIUna cámara TDI-sCMOS retroiluminada. Marca un avance significativo al combinar alta sensibilidad con rendimiento TDI de alta velocidad.
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Eficiencia cuántica: 82 % de QE pico, aproximadamente un 40 % más alto que los sensores TDI-CMOS con iluminación frontal convencionales, lo que lo hace ideal para imágenes con poca luz.
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Velocidad de línea: 510 kHz a una resolución de 9K, lo que se traduce en un rendimiento de datos de 4,59 gigapíxeles por segundo.
Esta tecnología se aplicó por primera vez en el escaneo de fluorescencia de alto rendimiento, donde la cámara capturó una imagen de 2 gigapíxeles de una muestra fluorescente de 30 mm × 17 mm en 10,1 segundos en condiciones optimizadas del sistema, lo que demostró ganancias sustanciales en velocidad de imagen y fidelidad de detalle en comparación con los sistemas de escaneo de área convencionales.
Imagen:Dhyana 9KTDI con escenario motorizado Zaber MVR
Objetivo: 10X Tiempo de adquisición: 10,1 s Tiempo de exposición: 3,6 ms
Tamaño de la imagen: 30 mm x 17 mm 58.000 x 34.160 píxeles
Ventajas clave de la tecnología TDI
Alta sensibilidad
Los sensores TDI acumulan señales tras múltiples exposiciones, lo que mejora el rendimiento en condiciones de poca luz. Con los sensores TDI-sCMOS retroiluminados, se puede alcanzar una eficiencia cuántica superior al 80 %, lo que facilita tareas exigentes como la obtención de imágenes de fluorescencia y la inspección de campo oscuro.
Rendimiento de alta velocidad
Los sensores TDI están diseñados para la captura de imágenes de alto rendimiento, capturando objetos en rápido movimiento con excelente claridad. Al sincronizar la lectura de píxeles con el movimiento del objeto, TDI prácticamente elimina el desenfoque de movimiento y es compatible con la inspección con cinta transportadora, el escaneo en tiempo real y otros escenarios de alto rendimiento.
Relación señal-ruido (SNR) mejorada
Al integrar señales en múltiples etapas, los sensores TDI pueden producir imágenes de mayor calidad con menos iluminación, reduciendo los riesgos de fotoblanqueo en muestras biológicas y minimizando el estrés térmico en materiales sensibles.
Reducción de la susceptibilidad a la interferencia ambiental
A diferencia de los sistemas de escaneo de área, los sensores TDI se ven menos afectados por la luz ambiental o los reflejos debido a su exposición sincronizada línea por línea, lo que los hace más robustos en entornos industriales complejos.
Ejemplo de aplicación: Inspección de obleas
En el sector de los semiconductores, las cámaras sCMOS de barrido de área se utilizaban habitualmente para la detección en condiciones de poca luz gracias a su velocidad y sensibilidad. Sin embargo, estos sistemas pueden presentar inconvenientes:
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Campo de visión limitado: es necesario unir varios fotogramas, lo que da lugar a procesos que consumen mucho tiempo.
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Escaneo más lento: cada escaneo requiere esperar a que la platina se estabilice antes de capturar la siguiente imagen.
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Artefactos de unión: los espacios y las inconsistencias en la imagen afectan la calidad del escaneo.
Las imágenes TDI ayudan a abordar estos desafíos:
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Escaneo continuo: TDI admite escaneos grandes e ininterrumpidos sin necesidad de unir cuadros.
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Adquisición más rápida: las altas velocidades de línea (hasta 1 MHz) eliminan los retrasos entre capturas.
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Uniformidad de imagen mejorada: el método de escaneo lineal de TDI minimiza la distorsión de la perspectiva y garantiza la precisión geométrica en todo el escaneo.
TDI vs. escaneo de área
Ilustración:TDI permite un proceso de adquisición más continuo y fluido
La cámara sCMOS Gemini 8KTDI de Tucsen ha demostrado su eficacia en la inspección profunda de obleas con luz ultravioleta. Según las pruebas internas de Tucsen, la cámara alcanza un 63,9 % de QE a 266 nm y mantiene la temperatura del chip estable a 0 °C durante un uso prolongado, lo cual es fundamental para aplicaciones sensibles a la luz UV.
Expansión del uso: de la imagenología especializada a la integración de sistemas
La TDI ya no se limita a aplicaciones específicas o pruebas de referencia. El enfoque se ha desplazado hacia la integración práctica en sistemas industriales.
La serie Gemini TDI de Tucsen ofrece dos tipos de soluciones:
1. Modelos emblemáticosDiseñados para casos de uso avanzados, como la inspección frontal de obleas y la detección de defectos por UV. Estos modelos priorizan la alta sensibilidad, la estabilidad y el rendimiento.
2. Variantes compactas: Más pequeños, refrigerados por aire y de menor consumo, ideales para sistemas embebidos. Estos modelos incluyen interfaces CXP (CoaXPress) de alta velocidad para una integración optimizada.
Desde la obtención de imágenes de alto rendimiento en ciencias biológicas hasta la inspección de semiconductores de precisión, el TDI-sCMOS retroiluminado desempeña un papel cada vez más importante en la mejora de los flujos de trabajo de obtención de imágenes.
Preguntas frecuentes
P1: ¿Cómo funciona el TDI?
La TDI sincroniza la transferencia de carga entre las filas de píxeles con el movimiento del objeto. A medida que el objeto se mueve, cada fila acumula otra exposición, lo que aumenta la sensibilidad, especialmente en aplicaciones con poca luz y alta velocidad.
P2: ¿Dónde se puede utilizar la tecnología TDI?
TDI es ideal para la inspección de semiconductores, escaneo de fluorescencia, inspección de PCB y otras aplicaciones de imágenes de alta resolución y alta velocidad donde el desenfoque de movimiento y la baja iluminación son preocupaciones.
P3: ¿Qué debo tener en cuenta al elegir una cámara TDI para aplicaciones industriales?
Al seleccionar una cámara TDI, los factores importantes incluyen la velocidad de línea, la eficiencia cuántica, la resolución, la respuesta espectral (especialmente para aplicaciones UV o NIR) y la estabilidad térmica.
Para obtener una explicación detallada sobre cómo calcular la velocidad de línea, consulte nuestro artículo:
Serie TDI: Cómo calcular la frecuencia de línea de la cámara
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