چرا فناوری دوربین TDI در تصویربرداری صنعتی در حال پیشرفت است؟ |

در زمینه‌های تصویربرداری با توان عملیاتی بالا در زیست‌تابی و تشخیص صنعتی با سرعت بالا در نور کم، دستیابی به تعادل بهینه بین سرعت تصویربرداری و حساسیت، مدت‌هاست که یک گلوگاه اصلی محدودکننده پیشرفت فناوری بوده است. راه‌حل‌های تصویربرداری خطی یا آرایه‌ای سنتی اغلب با بده‌بستان‌های دشواری روبرو هستند که حفظ همزمان کارایی تشخیص و عملکرد سیستم را چالش‌برانگیز می‌کند. در نتیجه، ارتقاءهای صنعتی به طور قابل توجهی محدود شده‌اند.

معرفی فناوری TDI-sCMOS با نور پس زمینه، شروعی برای رفع این محدودیت‌ها است. این فناوری نوآورانه نه تنها محدودیت‌های فیزیکی تصویربرداری پرسرعت در شرایط کم‌نور را برطرف می‌کند، بلکه کاربردهای خود را فراتر از علوم زیستی به بخش‌های صنعتی پیشرفته مانند بازرسی نیمه‌هادی‌ها و تولید دقیق گسترش می‌دهد. با این پیشرفت‌ها، TDI-sCMOS به طور فزاینده‌ای در کاربردهای تصویربرداری صنعتی مدرن اهمیت پیدا می‌کند.

این مقاله اصول اصلی تصویربرداری TDI را تشریح می‌کند، تکامل آن را دنبال می‌کند و نقش رو به رشد آن را در سیستم‌های صنعتی مورد بحث قرار می‌دهد.

درک اصول TDI: پیشرفتی در تصویربرداری پویا

ادغام تأخیر زمانی (TDI) یک فناوری تصویربرداری مبتنی بر اصل اسکن خطی است که دو ویژگی فنی قابل توجه را ارائه می‌دهد:

اکتساب دینامیکی همزمان

برخلاف دوربین‌های منطقه‌ای سنتی که بر اساس چرخه «توقف-شات-حرکت» کار می‌کنند، حسگرهای TDI به طور مداوم تصاویر را در حین حرکت نوردهی می‌کنند. همزمان با حرکت نمونه در میدان دید، حسگر TDI حرکت ستون‌های پیکسل را با سرعت جسم هماهنگ می‌کند. این هماهنگ‌سازی، نوردهی مداوم و تجمع بار پویا از همان جسم را در طول زمان امکان‌پذیر می‌کند و تصویربرداری کارآمد را حتی در سرعت‌های بالا نیز امکان‌پذیر می‌سازد.

نمایش تصویربرداری TDI: حرکت هماهنگ نمونه و ادغام بار

تجمع دامنه شارژ

هر ستون پیکسل، نور ورودی را به بار الکتریکی تبدیل می‌کند که سپس از طریق چندین مرحله نمونه‌برداری و بازخوانی پردازش می‌شود. این فرآیند انباشت مداوم، سیگنال ضعیف را به طور مؤثر با ضریب N تقویت می‌کند، که در آن N نشان دهنده تعداد سطوح ادغام است و نسبت سیگنال به نویز (SNR) را در شرایط نوری محدود بهبود می‌بخشد.

تصویرسازی کیفیت تصویر در مراحل مختلف TDI

تکامل فناوری TDI: از CCD تا sCMOS با نور پس زمینه

حسگرهای TDI در ابتدا بر روی پلتفرم‌های CCD یا CMOS با روشنایی جلو ساخته می‌شدند، اما هر دو معماری در هنگام استفاده برای تصویربرداری سریع و کم نور محدودیت‌هایی داشتند.

TDI-CCD

حسگرهای TDI-CCD با نور پس زمینه می‌توانند به بازده کوانتومی (QE) نزدیک به ۹۰٪ دست یابند. با این حال، معماری خوانش سریالی آنها سرعت تصویربرداری را محدود می‌کند - نرخ خط معمولاً زیر ۱۰۰ کیلوهرتز باقی می‌ماند، در حالی که حسگرهای با وضوح ۲K با فرکانس حدود ۵۰ کیلوهرتز کار می‌کنند.

TDI-CMOS با روشنایی جلو

حسگرهای TDI-CMOS با روشنایی جلو، سرعت خوانش بالاتری ارائه می‌دهند و نرخ خط با وضوح 8K به 400 کیلوهرتز می‌رسد. با این حال، عوامل ساختاری، QE آنها را، به ویژه در محدوده طول موج کوتاه‌تر، محدود می‌کنند و اغلب آن را زیر 60٪ نگه می‌دارند.

پیشرفت قابل توجهی در سال ۲۰۲۰ با انتشار Tucsen’s حاصل شد.دوربین sCMOS دیانا 9KTDI، یک دوربین TDI-sCMOS با نور پس زمینه. این یک جهش قابل توجه در ترکیب حساسیت بالا با عملکرد TDI پرسرعت است:

راندمان کوانتومی: ۸۲٪ پیک QE—تقریباً ۴۰٪ بالاتر از حسگرهای TDI-CMOS با روشنایی جلو معمولی، که آن را برای تصویربرداری در نور کم ایده‌آل می‌کند.

نرخ خط: ۵۱۰ کیلوهرتز با وضوح ۹K، که به معنای توان عملیاتی داده ۴.۵۹ گیگاپیکسل در ثانیه است.

این فناوری ابتدا در اسکن فلورسانس با توان عملیاتی بالا به کار گرفته شد، که در آن دوربین در شرایط بهینه سیستم، تصویری ۲ گیگاپیکسلی از یک نمونه فلورسنت ۳۰ میلی‌متر × ۱۷ میلی‌متر را در ۱۰.۱ ثانیه ثبت کرد و پیشرفت قابل توجهی در سرعت تصویربرداری و دقت جزئیات نسبت به سیستم‌های اسکن منطقه‌ای مرسوم نشان داد.

اسکن نمونه فلورسانس با توان عملیاتی بالا

تصویر: Dhyana 9KTDI با استیج موتوری Zaber MVR

هدف: 10X زمان ثبت: 10.1 ثانیه زمان نوردهی: 3.6 میلی‌ثانیه

اندازه تصویر‎30 میلی‌متر در 17 میلی‌متر‎ ‎58,000 در 34,160 پیکسل

مزایای کلیدی فناوری TDI

حساسیت بالا

حسگرهای TDI سیگنال‌ها را در طول نوردهی‌های متعدد جمع‌آوری می‌کنند و عملکرد در نور کم را افزایش می‌دهند. با حسگرهای TDI-sCMOS با نور پس‌زمینه، بازده کوانتومی بالای ۸۰٪ قابل دستیابی است که از وظایف دشواری مانند تصویربرداری فلورسانس و بازرسی میدان تاریک پشتیبانی می‌کند.

عملکرد پرسرعت

سنسورهای TDI برای تصویربرداری با توان عملیاتی بالا طراحی شده‌اند و اشیاء متحرک سریع را با وضوح عالی ثبت می‌کنند. TDI با هماهنگ‌سازی خوانش پیکسل با حرکت شیء، عملاً تاری ناشی از حرکت را از بین می‌برد و از بازرسی مبتنی بر نوار نقاله، اسکن در زمان واقعی و سایر سناریوهای با توان عملیاتی بالا پشتیبانی می‌کند.

نسبت سیگنال به نویز (SNR) بهبود یافته

با ادغام سیگنال‌ها در چندین مرحله، حسگرهای TDI می‌توانند تصاویر با کیفیت بالاتر را با روشنایی کمتر تولید کنند، خطرات رنگ‌پریدگی نوری را در نمونه‌های بیولوژیکی کاهش دهند و تنش حرارتی را در مواد حساس به حداقل برسانند.

کاهش حساسیت به تداخل محیطی

برخلاف سیستم‌های اسکن ناحیه‌ای، حسگرهای TDI به دلیل نوردهی خط به خط هماهنگ، کمتر تحت تأثیر نور محیط یا بازتاب‌ها قرار می‌گیرند و این امر آنها را در محیط‌های صنعتی پیچیده مقاوم‌تر می‌کند.

مثال کاربردی: بازرسی ویفر

در بخش نیمه‌هادی‌ها، دوربین‌های sCMOS اسکن منطقه‌ای به دلیل سرعت و حساسیتشان معمولاً برای تشخیص نور کم استفاده می‌شدند. با این حال، این سیستم‌ها می‌توانند دارای معایبی باشند:

میدان دید محدود: چندین فریم باید به هم متصل شوند که منجر به فرآیندهای زمان‌بر می‌شود.

اسکن کندتر: هر اسکن نیاز به انتظار برای آرام شدن صحنه قبل از گرفتن تصویر بعدی دارد.

به هم چسباندن تصاویر: شکاف‌ها و ناهماهنگی‌های تصویر بر کیفیت اسکن تأثیر می‌گذارند.

تصویربرداری TDI به رفع این چالش‌ها کمک می‌کند:

اسکن مداوم: TDI از اسکن‌های بزرگ و بدون وقفه و بدون نیاز به چسباندن فریم‌ها پشتیبانی می‌کند.

دریافت سریع‌تر: نرخ بالای خطوط (تا ۱ مگاهرتز) تأخیر بین دریافت‌ها را از بین می‌برد.

یکنواختی تصویر بهبود یافته: روش اسکن خطی TDI اعوجاج پرسپکتیو را به حداقل می‌رساند و دقت هندسی را در کل اسکن تضمین می‌کند.

نمودار دینامیکی TDI در مقابل اسکن ناحیه‌ای

اسکن ناحیه‌ای در مقابل اسکن TDI

تصویرسازی: TDI فرآیند اکتساب پیوسته‌تر و روان‌تری را ممکن می‌سازد

دوربین sCMOS مدل Gemini 8KTDI شرکت توسن در بازرسی عمیق ویفر با اشعه ماوراء بنفش مؤثر بوده است. طبق آزمایش‌های داخلی توسن، این دوربین در طول موج 266 نانومتر به 63.9٪ QE دست می‌یابد و در استفاده طولانی مدت، پایداری دمای تراشه را در دمای 0 درجه سانتیگراد حفظ می‌کند - که برای کاربردهای حساس به اشعه ماوراء بنفش مهم است.

گسترش استفاده: از تصویربرداری تخصصی تا ادغام سیستم

TDI دیگر محدود به کاربردهای خاص یا آزمایش‌های معیار نیست. تمرکز به سمت ادغام عملی در سیستم‌های صنعتی تغییر یافته است.

سری Gemini TDI توسن دو نوع راهکار ارائه می‌دهد:

1. مدل‌های پرچمداراین مدل‌ها برای موارد استفاده پیشرفته مانند بازرسی ویفر جلویی و تشخیص نقص UV طراحی شده‌اند. این مدل‌ها حساسیت، پایداری و توان عملیاتی بالا را در اولویت قرار می‌دهند.
2. انواع فشرده: کوچک‌تر، خنک‌شونده با هوا و مصرف انرژی کمتر - مناسب‌تر برای سیستم‌های تعبیه‌شده. این مدل‌ها شامل رابط‌های پرسرعت CXP (CoaXPress) برای یکپارچه‌سازی ساده هستند.

از تصویربرداری با توان عملیاتی بالا در علوم زیستی گرفته تا بازرسی دقیق نیمه‌هادی‌ها، TDI-sCMOS با نور پس زمینه نقش بسیار مهمی در بهبود گردش کار تصویربرداری ایفا می‌کند.

سوالات متداول

سوال ۱: TDI چگونه کار می‌کند؟

TDI انتقال بار در ردیف‌های پیکسل را با حرکت جسم هماهنگ می‌کند. با حرکت جسم، هر ردیف نوردهی دیگری را جمع می‌کند و حساسیت را افزایش می‌دهد، به خصوص در کاربردهای کم‌نور و پرسرعت.

سوال ۲: فناوری TDI در کجا می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد؟

TDI برای بازرسی نیمه‌هادی‌ها، اسکن فلورسانس، بازرسی PCB و سایر کاربردهای تصویربرداری با وضوح بالا و سرعت بالا که در آن‌ها تاری حرکت و روشنایی کم مورد توجه است، ایده‌آل است.