25.07.2029.U područjima bioluminiscencijskog snimanja visokog protoka i industrijske brze detekcije u uvjetima slabog osvjetljenja, postizanje optimalne ravnoteže između brzine snimanja i osjetljivosti dugo je bilo ključno usko grlo koje je ograničavalo tehnološki napredak. Tradicionalna linearna ili površinska rješenja za snimanje često se suočavaju s teškim kompromisima, što otežava održavanje učinkovitosti detekcije i performansi sustava. Kao rezultat toga, industrijske nadogradnje su značajno ograničene.
Uvođenje TDI-sCMOS tehnologije s pozadinskim osvjetljenjem počinje rješavati ta ograničenja. Ova inovativna tehnologija ne samo da rješava fizička ograničenja brzog snimanja u uvjetima slabog osvjetljenja, već i proširuje svoju primjenu izvan prirodnih znanosti na napredne industrijske sektore poput inspekcije poluvodiča i precizne proizvodnje. S ovim razvojem, TDI-sCMOS postaje sve relevantniji u modernim industrijskim primjenama snimanja.
Ovaj članak ocrtava temeljna načela TDI snimanja, prati njegov razvoj i raspravlja o njegovoj rastućoj ulozi u industrijskim sustavima.
Razumijevanje principa TDI-ja: Proboj u dinamičkom snimanju
Integracija vremenskog kašnjenja (TDI) je tehnologija akvizicije slike temeljena na principu linijskog skeniranja koja nudi dvije značajne tehničke značajke:
Sinkrona dinamička akvizicija
Za razliku od tradicionalnih površinskih kamera koje rade u ciklusu "zaustavi-snimi-pomakni", TDI senzori kontinuirano eksponiraju slike dok su u pokretu. Kako se uzorak kreće po vidnom polju, TDI senzor sinkronizira kretanje stupaca piksela s brzinom objekta. Ova sinkronizacija omogućuje kontinuiranu ekspoziciju i dinamičko akumuliranje naboja istog objekta tijekom vremena, omogućujući učinkovito snimanje čak i pri velikim brzinama.
Demonstracija TDI snimanja: Koordinirano kretanje uzorka i integracija naboja
Akumulacija naplate domene
Svaki stupac piksela pretvara dolaznu svjetlost u električni naboj, koji se zatim obrađuje kroz više faza uzorkovanja i očitavanja. Ovaj kontinuirani proces akumulacije učinkovito pojačava slab signal za faktor N, gdje N predstavlja broj razina integracije, poboljšavajući omjer signala i šuma (SNR) u uvjetima ograničenog osvjetljenja.
Ilustracija kvalitete slike u različitim TDI fazama
Evolucija TDI tehnologije: od CCD-a do sCMOS-a s pozadinskim osvjetljenjem
TDI senzori su u početku bili izgrađeni na CCD ili CMOS platformama s prednjim osvjetljenjem, ali obje arhitekture imale su ograničenja kada su se primjenjivale na brzo snimanje i snimanje u uvjetima slabog osvjetljenja.
TDI-CCD
TDI-CCD senzori s pozadinskim osvjetljenjem mogu postići kvantnu učinkovitost (QE) blizu 90%. Međutim, njihova arhitektura serijskog očitavanja ograničava brzinu snimanja - brzine linije obično ostaju ispod 100 kHz, dok senzori rezolucije 2K rade na oko 50 kHz.
Prednje osvijetljeni TDI-CMOS
Prednje osvijetljeni TDI-CMOS senzori nude veće brzine očitavanja, s linijama rezolucije od 8K koje dosežu do 400 kHz. Međutim, strukturni čimbenici ograničavaju njihov kvantni efekt (QE), posebno u kraćem rasponu valnih duljina, često ga držeći ispod 60%.
Značajan napredak dogodio se 2020. godine izlaskom TucsenovogDhyana 9KTDI sCMOS kamera, TDI-sCMOS kamera s pozadinskim osvjetljenjem. Označava značajan skok u kombiniranju visoke osjetljivosti s brzim TDI performansama:
-
Kvantna učinkovitost: 82% vršne kvantne učinkovitosti - približno 40% više od konvencionalnih TDI-CMOS senzora s prednjim osvjetljenjem, što ga čini idealnim za snimanje u uvjetima slabog osvjetljenja.
-
Brzina linije: 510 kHz pri 9K rezoluciji, što znači propusnost podataka od 4,59 gigapiksela u sekundi.
Ova je tehnologija prvi put primijenjena u visokopropusnom fluorescentnom skeniranju, gdje je kamera snimila sliku od 2 gigapiksela fluorescentnog uzorka veličine 30 mm × 17 mm za 10,1 sekundi pod optimiziranim uvjetima sustava, pokazujući značajna poboljšanja u brzini snimanja i vjernosti detalja u odnosu na konvencionalne sustave površinskog skeniranja.
SlikaDhyana 9KTDI s motoriziranom pozornicom Zaber MVR
Cilj10X Vrijeme snimanja: 10,1 s Vrijeme ekspozicije: 3,6 ms
Veličina slike: 30 mm x 17 mm 58.000 x 34.160 piksela
Ključne prednosti TDI tehnologije
Visoka osjetljivost
TDI senzori akumuliraju signale tijekom višestrukih ekspozicija, poboljšavajući performanse u uvjetima slabog osvjetljenja. S TDI-sCMOS senzorima s pozadinskim osvjetljenjem, kvantna učinkovitost iznad 80% je dostižna, što podržava zahtjevne zadatke poput fluorescentnog snimanja i inspekcije u tamnom polju.
Brze performanse
TDI senzori su dizajnirani za visokopropusno snimanje, hvatajući objekte koji se brzo kreću s izvrsnom jasnoćom. Sinkroniziranjem očitavanja piksela s kretanjem objekta, TDI praktički eliminira zamućenje pokreta i podržava inspekciju temeljenu na transportnoj traci, skeniranje u stvarnom vremenu i druge scenarije visokog propusnog opsega.
Poboljšani omjer signala i šuma (SNR)
Integriranjem signala kroz više faza, TDI senzori mogu proizvesti slike više kvalitete s manje osvjetljenja, smanjujući rizike fotoizbjeljivanja u biološkim uzorcima i minimizirajući toplinski stres u osjetljivim materijalima.
Smanjena osjetljivost na okolne smetnje
Za razliku od sustava površinskog skeniranja, TDI senzori su manje pod utjecajem ambijentalne svjetlosti ili refleksija zbog njihove sinkronizirane izloženosti liniju po liniju, što ih čini robusnijima u složenim industrijskim okruženjima.
Primjer primjene: Inspekcija pločica
U poluvodičkom sektoru, sCMOS kamere s površinskim skeniranjem često su se koristile za detekciju u uvjetima slabog osvjetljenja zbog svoje brzine i osjetljivosti. Međutim, ovi sustavi mogu imati nedostatke:
-
Ograničeno vidno polje: Potrebno je spojiti više kadrova, što rezultira dugotrajnim procesima.
-
Sporije skeniranje: Svako skeniranje zahtijeva čekanje da se pozornica smiri prije snimanja sljedeće slike.
-
Spajanje artefakata: Praznine i nedosljednosti na slici utječu na kvalitetu skeniranja.
TDI snimanje pomaže u rješavanju ovih izazova:
-
Kontinuirano skeniranje: TDI podržava velike, neprekinute skenove bez potrebe za spajanjem okvira.
-
Brže snimanje: Visoke brzine linije (do 1 MHz) eliminiraju kašnjenja između snimanja.
-
Poboljšana ujednačenost slike: TDI-jeva metoda linijskog skeniranja minimizira izobličenje perspektive i osigurava geometrijsku točnost tijekom cijelog skeniranja.
TDI u odnosu na skeniranje područja
IlustracijaTDI omogućuje kontinuiraniji i glatkiji proces akvizicije
Tucsenova Gemini 8KTDI sCMOS kamera pokazala se učinkovitom u inspekciji pločica u dubokom ultraljubičastom području. Prema Tucsenovom internom testiranju, kamera postiže 63,9% kvantifikacije na 266 nm i održava stabilnost temperature čipa na 0°C tijekom dulje upotrebe - što je važno za UV osjetljive primjene.
Proširenje upotrebe: od specijaliziranog snimanja do integracije sustava
TDI više nije ograničen na nišne primjene ili benchmark testiranje. Fokus se pomaknuo prema praktičnoj integraciji u industrijske sustave.
Tucsenova Gemini TDI serija nudi dvije vrste rješenja:
1. Vodeći modeliDizajnirano za napredne slučajeve upotrebe poput inspekcije prednjih pločica i UV detekcije nedostataka. Ovi modeli daju prioritet visokoj osjetljivosti, stabilnosti i propusnosti.
2. Kompaktne varijanteManji, hlađeni zrakom i s nižom potrošnjom energije – prikladniji za ugrađene sustave. Ovi modeli uključuju CXP (CoaXPress) brza sučelja za pojednostavljenu integraciju.
Od visokopropusnog snimanja u znanostima o životu do precizne inspekcije poluvodiča, TDI-sCMOS s pozadinskim osvjetljenjem igra sve važniju ulogu u poboljšanju radnih procesa snimanja.
Često postavljana pitanja
P1: Kako TDI funkcionira?
TDI sinkronizira prijenos naboja kroz redove piksela s kretanjem objekta. Kako se objekt kreće, svaki red akumulira još jednu ekspoziciju, povećavajući osjetljivost, posebno u primjenama sa slabim osvjetljenjem i velikom brzinom.
P2: Gdje se može koristiti TDI tehnologija?
TDI je idealan za inspekciju poluvodiča, fluorescentno skeniranje, inspekciju PCB-a i druge primjene snimanja visoke rezolucije i velike brzine gdje su zamućenje pokreta i slabo osvjetljenje važni.
P3: Što trebam uzeti u obzir pri odabiru TDI kamere za industrijsku primjenu?
Prilikom odabira TDI kamere, važni čimbenici uključuju linijsku brzinu, kvantnu učinkovitost, rezoluciju, spektralni odziv (posebno za UV ili NIR primjene) i toplinsku stabilnost.
Za detaljno objašnjenje kako izračunati linijsku cijenu, pogledajte naš članak:
TDI serija – Kako izračunati linijsku frekvenciju kamere
Tucsen Photonics Co., Ltd. Sva prava pridržana. Prilikom citiranja, molimo navedite izvor:www.tucsen.com
