25.7.2029Bioluminesenssiin perustuvan suuren läpimenon kuvantamisen ja teollisen nopean hämäräkuvantamisen aloilla optimaalisen tasapainon saavuttaminen kuvantamisnopeuden ja herkkyyden välillä on pitkään ollut keskeinen teknologista kehitystä rajoittava pullonkaula. Perinteiset lineaariset tai alueelliset matriisikuvantamisratkaisut kohtaavat usein vaikeita kompromisseja, mikä tekee sekä ilmaisutehokkuuden että järjestelmän suorituskyvyn ylläpitämisestä haastavaa. Tämän seurauksena teolliset päivitykset ovat olleet merkittävästi rajoitettuja.
Taustavalaistun TDI-sCMOS-teknologian käyttöönotto alkaa puuttua näihin rajoituksiin. Tämä innovatiivinen teknologia ei ainoastaan ratkaise nopean kuvantamisen fyysisiä rajoituksia hämärässä, vaan laajentaa sovelluksiaan biotieteiden ulkopuolelle edistyneille teollisuuden aloille, kuten puolijohteiden tarkastukseen ja tarkkuusvalmistukseen. Näiden kehitysaskeleiden myötä TDI-sCMOS:sta on tulossa yhä tärkeämpi nykyaikaisissa teollisissa kuvantamissovelluksissa.
Tässä artikkelissa esitetään TDI-kuvantamisen ydinperiaatteet, seurataan sen kehitystä ja käsitellään sen kasvavaa roolia teollisuusjärjestelmissä.
TDI-periaatteiden ymmärtäminen: Läpimurto dynaamisessa kuvantamisessa
Aikaviiveintegraatio (TDI) on viivakuvausperiaatteeseen perustuva kuvantamistekniikka, jolla on kaksi merkittävää teknistä ominaisuutta:
Synkroninen dynaaminen hankinta
Toisin kuin perinteiset aluekamerat, jotka toimivat "pysäytys-kuvaus-liike"-syklillä, TDI-anturit valottavat jatkuvasti kuvia liikkeessä. Kun näyte liikkuu näkökentän poikki, TDI-anturi synkronoi pikselisarakkeiden liikkeen kohteen nopeuteen. Tämä synkronointi mahdollistaa jatkuvan valotuksen ja dynaamisen varauksen kertymisen samasta kohteesta ajan kuluessa, mikä mahdollistaa tehokkaan kuvantamisen myös suurilla nopeuksilla.
TDI-kuvantamisen demonstraatio: Koordinoitu näytteen liike ja varauksen integrointi
Veloitusverkkotunnuksen kertyminen
Jokainen pikselisarake muuntaa tulevan valon sähkövaraukseksi, joka sitten käsitellään useiden näytteenottovaiheiden läpi. Tämä jatkuva kertymisprosessi parantaa heikkoa signaalia tehokkaasti kertoimella N, jossa N edustaa integrointitasojen lukumäärää, mikä parantaa signaali-kohinasuhdetta (SNR) rajoitetuissa valaistusolosuhteissa.
Kuvanlaadun havainnollistaminen eri TDI-vaiheissa
TDI-teknologian kehitys: CCD:stä taustavalaistuun sCMOS-teknologiaan
TDI-anturit rakennettiin alun perin CCD- tai etuvalaistuille CMOS-alustoille, mutta molemmilla arkkitehtuureilla oli rajoituksia nopeassa ja hämärässä kuvantamisessa.
TDI-CCD
Taustavalaistujen TDI-CCD-kennojen kvanttihyötysuhteet (QE) voivat olla lähes 90 %. Niiden sarjamuotoinen lukutekniikka kuitenkin rajoittaa kuvantamisnopeutta – linjanopeudet jäävät tyypillisesti alle 100 kHz:n, ja 2K-resoluution anturit toimivat noin 50 kHz:n taajuudella.
Edestä valaistu TDI-CMOS
Edestä valaistut TDI-CMOS-anturit tarjoavat nopeammat lukunopeudet, ja 8K-resoluution linjanopeudet ovat jopa 400 kHz. Rakenteelliset tekijät kuitenkin rajoittavat niiden QE:tä, erityisesti lyhyemmällä aallonpituusalueella, ja se pysyy usein alle 60 prosentissa.
Merkittävä edistysaskel tapahtui vuonna 2020, kun Tucsen julkaisiDhyana 9KTDI sCMOS-kamera, taustavalaistu TDI-sCMOS-kamera. Se on merkittävä harppaus yhdistämällä korkea herkkyys ja nopea TDI-suorituskyky:
-
Kvanttitehokkuus: 82 % huippu-QE – noin 40 % korkeampi kuin perinteisissä edestä valaistuissa TDI-CMOS-kennoissa, joten se sopii erinomaisesti hämäräkuvaamiseen.
-
Linjanopeus: 510 kHz 9K-resoluutiolla, mikä tarkoittaa 4,59 gigapikselin tiedonsiirtonopeutta sekunnissa.
Tätä tekniikkaa sovellettiin ensimmäisen kerran suuren läpimenon fluoresenssiskannauksessa, jossa kamera otti 2 gigapikselin kuvan 30 mm × 17 mm:n fluoresoivasta näytteestä 10,1 sekunnissa optimoiduissa järjestelmäolosuhteissa, mikä osoitti merkittäviä parannuksia kuvantamisnopeudessa ja yksityiskohtien tarkkuudessa perinteisiin alueskannausjärjestelmiin verrattuna.
KuvaDhyana 9KTDI ja Zaber MVR -moottoroitu lava
Tavoite10X Hankinta-aika: 10,1 s Valotusaika: 3,6 ms
Kuvan koko30 mm x 17 mm 58 000 x 34 160 pikseliä
TDI-teknologian tärkeimmät edut
Korkea herkkyys
TDI-anturit keräävät signaaleja useiden valotusten aikana, mikä parantaa suorituskykyä hämärässä. Taustavalaistuilla TDI-sCMOS-antureilla voidaan saavuttaa yli 80 %:n kvanttihyötysuhde, mikä tukee vaativia tehtäviä, kuten fluoresenssikuvausta ja tummakenttätarkastusta.
Nopea suorituskyky
TDI-anturit on suunniteltu suuren läpimenon kuvantamiseen, ja ne tallentavat nopeasti liikkuvia kohteita erinomaisella selkeydellä. Synkronoimalla pikselien lukemisen kohteen liikkeen kanssa TDI poistaa käytännössä liikkeen aiheuttaman epäterävyyden ja tukee kuljettimeen perustuvaa tarkastusta, reaaliaikaista skannausta ja muita suuren läpimenon skenaarioita.
Parannettu signaali-kohinasuhde (SNR)
Yhdistämällä signaaleja useissa vaiheissa TDI-anturit voivat tuottaa korkealaatuisempia kuvia vähemmällä valaistuksella, mikä vähentää biologisten näytteiden fotovalkaisuriskiä ja minimoi lämpörasituksen herkissä materiaaleissa.
Vähentynyt herkkyys ympäristön häiriöille
Toisin kuin alueskannausjärjestelmät, TDI-anturit ovat vähemmän herkkiä ympäristön valolle tai heijastuksille synkronoidun rivi riviltä valotuksen ansiosta, mikä tekee niistä kestävämpiä monimutkaisissa teollisuusympäristöissä.
Sovellusesimerkki: Kiekkojen tarkastus
Puolijohdeteollisuudessa alueellisesti skannaavia sCMOS-kameroita käytettiin yleisesti hämäräkuvaukseen niiden nopeuden ja herkkyyden vuoksi. Näillä järjestelmillä voi kuitenkin olla haittoja:
-
Rajallinen näkökenttä: Useita kuvia on yhdistettävä, mikä johtaa aikaa vieviin prosesseihin.
-
Hitaampi skannaus: Jokainen skannaus vaatii odottamista, että vaihe asettuu ennen seuraavan kuvan ottamista.
-
Yhdistelmäartefaktit: Kuvan aukot ja epäjohdonmukaisuudet vaikuttavat skannauslaatuun.
TDI-kuvantaminen auttaa vastaamaan näihin haasteisiin:
-
Jatkuva skannaus: TDI tukee suuria, keskeytymättömiä skannauksia ilman kehysten nitomista.
-
Nopeampi tiedonkeruu: Korkeat linjanopeudet (jopa 1 MHz) poistavat viiveet tiedonkeruuvälien välillä.
-
Parannettu kuvan yhtenäisyys: TDI:n viivakuvausmenetelmä minimoi perspektiivivääristymän ja varmistaa geometrisen tarkkuuden koko skannauksessa.
TDI VS -alueskannaus
KuvaTDI mahdollistaa jatkuvamman ja sujuvamman hankintaprosessin
Tucsenin Gemini 8KTDI sCMOS -kamera on osoittautunut tehokkaaksi syvän ultravioletin kiekkojen tarkastuksessa. Tucsenin omien testien mukaan kamera saavuttaa 63,9 %:n QE:n 266 nm:ssä ja ylläpitää sirun lämpötilan vakautta 0 °C:ssa pitkäaikaisessa käytössä – mikä on tärkeää UV-herkille sovelluksille.
Käyttöalueen laajentaminen: Erikoistuneesta kuvantamisesta järjestelmäintegraatioon
TDI ei ole enää rajoittunut niche-sovelluksiin tai vertailutestaukseen. Painopiste on siirtynyt käytännön integrointiin teollisuusjärjestelmiin.
Tucsenin Gemini TDI -sarja tarjoaa kahdenlaisia ratkaisuja:
1. LippulaivamallitSuunniteltu edistyneisiin käyttötapauksiin, kuten etupään kiekkojen tarkastukseen ja UV-virheiden havaitsemiseen. Nämä mallit priorisoivat suurta herkkyyttä, vakautta ja läpimenoaikaa.
2. Kompaktit versiotPienempi, ilmajäähdytteinen ja vähemmän virtaa kuluttava – sopii paremmin sulautettuihin järjestelmiin. Näissä malleissa on nopeat CXP (CoaXPress) -liitännät sujuvaa integrointia varten.
Biotieteiden suuren läpimenon kuvantamisesta tarkkuuspuolijohdetarkastukseen, taustavalaistulla TDI-sCMOS:lla on yhä tärkeämpi rooli kuvantamisprosessien parantamisessa.
Usein kysytyt kysymykset
K1: Miten TDI toimii?
TDI synkronoi varauksensiirron pikselirivien välillä kohteen liikkeen kanssa. Kohteen liikkuessa jokainen rivi kerää uuden valotuksen, mikä lisää herkkyyttä erityisesti hämärässä ja nopeissa sovelluksissa.
K2: Missä TDI-teknologiaa voidaan käyttää?
TDI sopii erinomaisesti puolijohdetarkastukseen, fluoresenssiskannaukseen, piirilevyjen tarkastukseen ja muihin korkean resoluution ja nopeaan kuvantamiseen liittyviin sovelluksiin, joissa liikkeen aiheuttama epäterävyys ja heikko valaistus ovat huolenaiheita.
K3: Mitä minun tulisi ottaa huomioon valitessani TDI-kameraa teollisuussovelluksiin?
TDI-kameraa valittaessa tärkeitä tekijöitä ovat linjanopeus, kvanttitehokkuus, resoluutio, spektraalinen vaste (erityisesti UV- tai NIR-sovelluksissa) ja terminen stabiilius.
Yksityiskohtaisen selityksen linjanopeuden laskemisesta löydät artikkelistamme:
TDI-sarja – Kameran linjataajuuden laskeminen
Tucsen Photonics Co., Ltd. Kaikki oikeudet pidätetään. Mainitse lähde lainatessasi:www.tucsen.com
