25/07/29Dans les domaines de l'imagerie à haut débit par bioluminescence et de la détection industrielle à haute vitesse en basse lumière, l'équilibre optimal entre vitesse d'imagerie et sensibilité a longtemps constitué un obstacle majeur au progrès technologique. Les solutions d'imagerie traditionnelles, linéaires ou matricielles, sont souvent confrontées à des compromis complexes, rendant difficile le maintien de l'efficacité de la détection et des performances du système. Par conséquent, les mises à niveau industrielles ont été considérablement limitées.
L'introduction de la technologie TDI-sCMOS rétroéclairée commence à pallier ces limitations. Cette technologie innovante non seulement s'attaque aux limites physiques de l'imagerie haute vitesse en conditions de faible luminosité, mais étend également ses applications au-delà des sciences de la vie, vers des secteurs industriels de pointe tels que l'inspection des semi-conducteurs et la fabrication de précision. Grâce à ces développements, le TDI-sCMOS gagne en pertinence dans les applications d'imagerie industrielle modernes.
Cet article décrit les principes fondamentaux de l’imagerie TDI, suit son évolution et discute de son rôle croissant dans les systèmes industriels.
Comprendre les principes de l'imagerie dynamique transdermique : une avancée majeure dans l'imagerie dynamique
L'intégration temporelle (TDI) est une technologie d'acquisition d'images basée sur le principe du balayage linéaire qui offre deux caractéristiques techniques importantes :
Acquisition dynamique synchrone
Contrairement aux caméras matricielles traditionnelles fonctionnant selon un cycle « arrêt-prise-mouvement », les capteurs TDI exposent les images en continu tout en étant en mouvement. À mesure que l'échantillon se déplace dans le champ de vision, le capteur TDI synchronise le mouvement des colonnes de pixels avec la vitesse de l'objet. Cette synchronisation permet une exposition continue et l'accumulation dynamique de charge du même objet au fil du temps, garantissant une imagerie efficace même à haute vitesse.
Démonstration d'imagerie TDI : mouvement coordonné de l'échantillon et intégration de la charge
Accumulation du domaine de charge
Chaque colonne de pixels convertit la lumière entrante en charge électrique, qui est ensuite traitée par plusieurs étapes d'échantillonnage et de lecture. Ce processus d'accumulation continue amplifie efficacement le signal faible d'un facteur N, où N représente le nombre de niveaux d'intégration, améliorant ainsi le rapport signal sur bruit (SNR) dans des conditions d'éclairage limitées.
Illustration de la qualité de l'image à différentes étapes du TDI
Évolution de la technologie TDI : du CCD au sCMOS rétroéclairé
Les capteurs TDI étaient initialement construits sur des plates-formes CCD ou CMOS à éclairage frontal, mais les deux architectures présentaient des limites lorsqu'elles étaient appliquées à l'imagerie rapide et à faible luminosité.
TDI-CCD
Les capteurs TDI-CCD rétroéclairés peuvent atteindre des rendements quantiques (QE) proches de 90 %. Cependant, leur architecture de lecture série limite la vitesse d'imagerie : les fréquences de ligne restent généralement inférieures à 100 kHz, les capteurs de résolution 2K fonctionnant à environ 50 kHz.
TDI-CMOS à éclairage frontal
Les capteurs TDI-CMOS à éclairage frontal offrent des vitesses de lecture plus rapides, avec des fréquences de ligne de résolution 8K atteignant jusqu'à 400 kHz. Cependant, des facteurs structurels limitent leur QE, notamment dans la gamme des longueurs d'onde les plus courtes, le maintenant souvent en dessous de 60 %.
Une avancée notable a eu lieu en 2020 avec la sortie du film de TucsenCaméra sCMOS Dhyana 9KTDI, une caméra TDI-sCMOS rétroéclairée. Elle marque une avancée significative en combinant haute sensibilité et performances TDI haute vitesse :
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Efficacité quantique : 82 % de QE de pointe, soit environ 40 % de plus que les capteurs TDI-CMOS à éclairage frontal conventionnels, ce qui le rend idéal pour l'imagerie en basse lumière.
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Débit de ligne : 510 kHz à une résolution de 9K, ce qui se traduit par un débit de données de 4,59 gigapixels par seconde.
Cette technologie a été appliquée pour la première fois à la numérisation par fluorescence à haut débit, où la caméra a capturé une image de 2 gigapixels d'un échantillon fluorescent de 30 mm × 17 mm en 10,1 secondes dans des conditions système optimisées, démontrant des gains substantiels en termes de vitesse d'imagerie et de fidélité des détails par rapport aux systèmes de numérisation de zone conventionnels.
Image: Dhyana 9KTDI avec scène motorisée Zaber MVR
Objectif:10X Temps d'acquisition : 10,1 s Temps d'exposition : 3,6 ms
Taille de l'image: 30 mm x 17 mm 58 000 x 34 160 pixels
Principaux avantages de la technologie TDI
Haute sensibilité
Les capteurs TDI accumulent les signaux sur plusieurs expositions, améliorant ainsi les performances en basse lumière. Grâce aux capteurs TDI-sCMOS rétroéclairés, un rendement quantique supérieur à 80 % est possible, ce qui permet des tâches exigeantes telles que l'imagerie par fluorescence et l'inspection en fond noir.
Performances à grande vitesse
Les capteurs TDI sont conçus pour l'imagerie à haut débit, capturant des objets en mouvement rapide avec une excellente netteté. En synchronisant la lecture des pixels avec le mouvement de l'objet, le TDI élimine pratiquement tout flou de mouvement et prend en charge l'inspection sur convoyeur, la numérisation en temps réel et d'autres scénarios à haut débit.
Rapport signal/bruit (SNR) amélioré
En intégrant les signaux sur plusieurs étapes, les capteurs TDI peuvent produire des images de meilleure qualité avec moins d'éclairage, réduisant ainsi les risques de photoblanchiment dans les échantillons biologiques et minimisant le stress thermique dans les matériaux sensibles.
Sensibilité réduite aux interférences ambiantes
Contrairement aux systèmes à balayage de zone, les capteurs TDI sont moins affectés par la lumière ambiante ou les réflexions en raison de leur exposition ligne par ligne synchronisée, ce qui les rend plus robustes dans les environnements industriels complexes.
Exemple d'application : inspection des plaquettes
Dans le secteur des semi-conducteurs, les caméras matricielles sCMOS étaient couramment utilisées pour la détection en basse lumière en raison de leur rapidité et de leur sensibilité. Cependant, ces systèmes peuvent présenter des inconvénients :
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Champ de vision limité : plusieurs images doivent être assemblées, ce qui entraîne des processus chronophages.
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Numérisation plus lente : chaque numérisation nécessite d'attendre que la scène se stabilise avant de capturer l'image suivante.
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Artefacts de couture : les écarts et les incohérences dans l’image affectent la qualité de la numérisation.
L'imagerie TDI permet de relever ces défis :
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Numérisation continue : TDI prend en charge les numérisations volumineuses et ininterrompues sans nécessiter d'assemblage de cadres.
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Acquisition plus rapide : les débits de ligne élevés (jusqu'à 1 MHz) éliminent les délais entre les captures.
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Uniformité d'image améliorée : la méthode de balayage linéaire de TDI minimise la distorsion de perspective et garantit une précision géométrique sur l'ensemble du balayage.
TDI VS balayage de zone
Illustration: TDI permet un processus d'acquisition plus continu et plus fluide
La caméra sCMOS Gemini 8KTDI de Tucsen s'est révélée efficace pour l'inspection des plaquettes dans l'ultraviolet profond. Selon des tests internes de Tucsen, la caméra atteint un QE de 63,9 % à 266 nm et maintient la température de la puce à 0 °C en utilisation prolongée, un atout majeur pour les applications sensibles aux UV.
Utilisation croissante : de l'imagerie spécialisée à l'intégration de systèmes
Le TDI ne se limite plus à des applications de niche ou à des tests comparatifs. L'accent est désormais mis sur l'intégration pratique dans les systèmes industriels.
La série Gemini TDI de Tucsen propose deux types de solutions :
1. Modèles pharesConçus pour des applications avancées telles que l'inspection frontale des plaquettes et la détection des défauts UV, ces modèles privilégient une sensibilité, une stabilité et un débit élevés.
2. Variantes compactesPlus compacts, refroidis par air et consommant moins d'énergie, ils sont plus adaptés aux systèmes embarqués. Ces modèles intègrent des interfaces haut débit CXP (CoaXPress) pour une intégration simplifiée.
De l'imagerie à haut débit dans les sciences de la vie à l'inspection de précision des semi-conducteurs, le TDI-sCMOS rétroéclairé joue un rôle de plus en plus important dans l'amélioration des flux de travail d'imagerie.
FAQ
Q1 : Comment fonctionne le TDI ?
Le TDI synchronise le transfert de charge entre les lignes de pixels avec le mouvement de l'objet. À mesure que l'objet se déplace, chaque ligne accumule une exposition supplémentaire, augmentant ainsi la sensibilité, notamment dans les applications à faible luminosité et à haute vitesse.
Q2 : Où la technologie TDI peut-elle être utilisée ?
Le TDI est idéal pour l'inspection des semi-conducteurs, la numérisation par fluorescence, l'inspection des PCB et d'autres applications d'imagerie haute résolution et haute vitesse où le flou de mouvement et le faible éclairage sont des préoccupations.
Q3 : Que dois-je prendre en compte lors du choix d’une caméra TDI pour des applications industrielles ?
Lors de la sélection d'une caméra TDI, les facteurs importants incluent le débit de ligne, l'efficacité quantique, la résolution, la réponse spectrale (en particulier pour les applications UV ou NIR) et la stabilité thermique.
Pour une explication détaillée sur la façon de calculer le débit de ligne, reportez-vous à notre article :
Série TDI – Comment calculer la fréquence de ligne de la caméra
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