25/07/29Nos campos da imaxe de alto rendemento por bioluminescencia e da detección industrial de alta velocidade con pouca luz, lograr o equilibrio óptimo entre a velocidade de imaxe e a sensibilidade foi durante moito tempo un obstáculo fundamental que limita o progreso tecnolóxico. As solucións tradicionais de imaxe lineal ou de matriz de área adoitan enfrontarse a compromisos difíciles, o que dificulta o mantemento tanto da eficiencia da detección como do rendemento do sistema. Como resultado, as actualizacións industriais víronse significativamente limitadas.
A introdución da tecnoloxía TDI-sCMOS retroiluminada está a comezar a abordar estas limitacións. Esta tecnoloxía innovadora non só aborda as limitacións físicas da imaxe de alta velocidade en condicións de pouca luz, senón que tamén estende as súas aplicacións máis alá das ciencias da vida a sectores industriais avanzados como a inspección de semicondutores e a fabricación de precisión. Con estes desenvolvementos, o TDI-sCMOS está a gañar cada vez máis relevancia nas aplicacións modernas de imaxe industrial.
Este artigo describe os principios básicos da imaxe TDI, segue a súa evolución e analiza o seu papel crecente nos sistemas industriais.
Comprender os principios do TDI: un avance na imaxe dinámica
A integración de retardo de tempo (TDI) é unha tecnoloxía de adquisición de imaxes baseada no principio de dixitalización lineal que ofrece dúas características técnicas importantes:
Adquisición dinámica síncrona
A diferenza das cámaras de área tradicionais que funcionan nun ciclo de "parada-disparo-movemento", os sensores TDI expoñen imaxes continuamente mentres están en movemento. A medida que a mostra se move polo campo de visión, o sensor TDI sincroniza o movemento das columnas de píxeles coa velocidade do obxecto. Esta sincronización permite a exposición continua e a acumulación dinámica de carga do mesmo obxecto ao longo do tempo, o que permite unha obtención de imaxes eficiente mesmo a altas velocidades.
Demostración de imaxes TDI: movemento coordinado da mostra e integración da carga
Acumulación no dominio da carga
Cada columna de píxeles converte a luz entrante en carga eléctrica, que logo se procesa a través de múltiples etapas de lectura de mostraxe. Este proceso de acumulación continua mellora eficazmente o sinal débil nun factor de N, onde N representa o número de niveis de integración, mellorando a relación sinal-ruído (SNR) en condicións de iluminación limitada.
Ilustración da calidade da imaxe en diferentes etapas de TDI
Evolución da tecnoloxía TDI: do CCD ao sCMOS retroiluminado
Os sensores TDI construíronse inicialmente en plataformas CCD ou CMOS con iluminación frontal, pero ambas as arquitecturas tiñan limitacións cando se aplicaban a imaxes rápidas e con pouca luz.
TDI-CCD
Os sensores TDI-CCD retroiluminados poden alcanzar eficiencias cuánticas (QE) próximas ao 90 %. Non obstante, a súa arquitectura de lectura en serie restrinxe a velocidade de imaxe: as velocidades de liña adoitan manterse por debaixo dos 100 kHz, mentres que os sensores de resolución 2K funcionan a uns 50 kHz.
TDI-CMOS con iluminación frontal
Os sensores TDI-CMOS con iluminación frontal ofrecen velocidades de lectura máis rápidas, con velocidades de liña de resolución 8K que alcanzan ata 400 kHz. Non obstante, os factores estruturais limitan a súa QE, especialmente no rango de lonxitudes de onda máis curtas, manténdoa a miúdo por debaixo do 60 %.
Un avance notable produciuse en 2020 co lanzamento de TucsenCámara Dhyana 9KTDI sCMOS, unha cámara TDI-sCMOS retroiluminada. Representa un salto significativo á hora de combinar a alta sensibilidade co rendemento TDI de alta velocidade:
-
Eficiencia cuántica: 82 % de QE máximo, aproximadamente un 40 % maior que os sensores TDI-CMOS con iluminación frontal convencionais, o que o fai ideal para imaxes con pouca luz.
-
Velocidade de liña: 510 kHz a unha resolución de 9K, o que se traduce nun rendemento de datos de 4,59 gigapíxeles por segundo.
Esta tecnoloxía aplicouse por primeira vez na dixitalización por fluorescencia de alto rendemento, onde a cámara capturaba unha imaxe de 2 gigapíxeles dunha mostra fluorescente de 30 mm × 17 mm en 10,1 segundos en condicións optimizadas do sistema, o que demostraba ganancias substanciais na velocidade de imaxe e na fidelidade dos detalles sobre os sistemas convencionais de dixitalización de área.
ImaxeDhyana 9KTDI con platina motorizada Zaber MVR
Obxectivo10X Tempo de adquisición: 10,1 s Tempo de exposición: 3,6 ms
Tamaño da imaxe30 mm x 17 mm 58.000 x 34.160 píxeles
Vantaxes principais da tecnoloxía TDI
Alta sensibilidade
Os sensores TDI acumulan sinais en múltiples exposicións, o que mellora o rendemento en condicións de pouca luz. Cos sensores TDI-sCMOS retroiluminados, pódese conseguir unha eficiencia cuántica superior ao 80 %, o que permite realizar tarefas esixentes como a obtención de imaxes de fluorescencia e a inspección de campo escuro.
Rendemento de alta velocidade
Os sensores TDI están deseñados para imaxes de alto rendemento, capturando obxectos en movemento rápido cunha claridade excelente. Ao sincronizar a lectura de píxeles co movemento do obxecto, o TDI elimina virtualmente o desenfoque de movemento e admite a inspección baseada en cintas transportadoras, a dixitalización en tempo real e outros escenarios de alto rendemento.
Relación sinal-ruído (SNR) mellorada
Ao integrar sinais en múltiples etapas, os sensores TDI poden producir imaxes de maior calidade con menos iluminación, reducindo os riscos de fotobranqueo en mostras biolóxicas e minimizando a tensión térmica en materiais sensibles.
Susceptibilidade reducida ás interferencias ambientais
A diferenza dos sistemas de dixitalización de área, os sensores TDI vense menos afectados pola luz ambiental ou os reflexos debido á súa exposición sincronizada liña por liña, o que os fai máis robustos en entornos industriais complexos.
Exemplo de aplicación: Inspección de obleas
No sector dos semicondutores, as cámaras sCMOS de varrido de área empregábanse habitualmente para a detección de pouca luz debido á súa velocidade e sensibilidade. Non obstante, estes sistemas poden ter inconvenientes:
-
Campo de visión limitado: é necesario coser varios marcos xuntos, o que resulta en procesos que requiren moito tempo.
-
Escaneado máis lento: cada escaneado require esperar a que a fase se estabilice antes de capturar a seguinte imaxe.
-
Artefactos de unión: os espazos e as inconsistencias na imaxe afectan á calidade da dixitalización.
A imaxe TDI axuda a abordar estes desafíos:
-
Escaneado continuo: TDI admite escaneos grandes e sen interrupcións sen necesidade de unir fotogramas.
-
Adquisición máis rápida: as altas velocidades de liña (ata 1 MHz) eliminan os atrasos entre as capturas.
-
Uniformidade de imaxe mellorada: o método de dixitalización lineal de TDI minimiza a distorsión da perspectiva e garante a precisión xeométrica en toda a dixitalización.
TDI VS. Exploración de área
IlustraciónA TDI permite un proceso de adquisición máis continuo e fluido
A cámara sCMOS Gemini 8KTDI de Tucsen demostrou ser eficaz na inspección de obleas ultravioleta profunda. Segundo as probas internas de Tucsen, a cámara consegue unha QE do 63,9 % a 266 nm e mantén a estabilidade da temperatura do chip a 0 °C durante un uso prolongado, algo importante para aplicacións sensibles aos raios UV.
Uso en expansión: desde imaxes especializadas ata a integración de sistemas
A TDI xa non se limita a aplicacións de nicho ou probas de referencia. O foco cambiou cara á integración práctica en sistemas industriais.
A serie Gemini TDI de Tucsen ofrece dous tipos de solucións:
1. Modelos insigniaDeseñado para casos de uso avanzados como a inspección de obleas front-end e a detección de defectos UV. Estes modelos priorizan a alta sensibilidade, estabilidade e rendemento.
2. Variantes compactasMáis pequenos, refrixerados por aire e de menor consumo de enerxía: máis axeitados para sistemas integrados. Estes modelos inclúen interfaces de alta velocidade CXP (CoaXPress) para unha integración optimizada.
Desde a imaxe de alto rendemento nas ciencias da vida ata a inspección de precisión de semicondutores, o TDI-sCMOS retroiluminado está a desempeñar un papel cada vez máis importante na mellora dos fluxos de traballo de imaxe.
Preguntas frecuentes
P1: Como funciona o TDI?
A TDI sincroniza a transferencia de carga entre as filas de píxeles co movemento do obxecto. A medida que o obxecto se move, cada fila acumula outra exposición, o que aumenta a sensibilidade, especialmente en aplicacións con pouca luz e alta velocidade.
P2: Onde se pode usar a tecnoloxía TDI?
A TDI é ideal para a inspección de semicondutores, a dixitalización de fluorescencia, a inspección de PCB e outras aplicacións de imaxe de alta resolución e alta velocidade onde se preocupan polo desenfoque de movemento e a pouca iluminación.
P3: Que debo ter en conta ao elixir unha cámara TDI para aplicacións industriais?
Ao elixir unha cámara TDI, os factores importantes inclúen a velocidade de liña, a eficiencia cuántica, a resolución, a resposta espectral (especialmente para aplicacións UV ou NIR) e a estabilidade térmica.
Para obter unha explicación detallada sobre como calcular a taxa de liña, consulta o noso artigo:
Serie TDI: como calcular a frecuencia de liña da cámara
Tucsen Photonics Co., Ltd. Todos os dereitos reservados. Ao citar, indique a fonte:www.tucsen.com
