25/07/29Nei campi dell'imaging ad alta produttività basato sulla bioluminescenza e della rilevazione industriale ad alta velocità in condizioni di scarsa illuminazione, raggiungere l'equilibrio ottimale tra velocità di imaging e sensibilità è stato a lungo un ostacolo fondamentale che ha limitato il progresso tecnologico. Le tradizionali soluzioni di imaging lineare o ad area array spesso si trovano a dover raggiungere compromessi complessi, rendendo difficile mantenere sia l'efficienza di rilevamento che le prestazioni del sistema. Di conseguenza, gli aggiornamenti industriali sono stati notevolmente limitati.
L'introduzione della tecnologia TDI-sCMOS retroilluminata sta iniziando ad affrontare queste limitazioni. Questa tecnologia innovativa non solo risolve i limiti fisici dell'imaging ad alta velocità in condizioni di scarsa illuminazione, ma estende anche le sue applicazioni oltre le scienze biologiche, a settori industriali avanzati come l'ispezione dei semiconduttori e la produzione di precisione. Grazie a questi sviluppi, la tecnologia TDI-sCMOS sta diventando sempre più rilevante nelle moderne applicazioni di imaging industriale.
Questo articolo delinea i principi fondamentali alla base dell'imaging TDI, ne traccia l'evoluzione e analizza il suo ruolo crescente nei sistemi industriali.
Comprensione dei principi di TDI: una svolta nell'imaging dinamico
Time Delay Integration (TDI) è una tecnologia di acquisizione delle immagini basata sul principio della scansione lineare che offre due importanti caratteristiche tecniche:
Acquisizione dinamica sincrona
A differenza delle tradizionali telecamere ad area che operano secondo un ciclo "stop-shot-move", i sensori TDI espongono le immagini in modo continuo mentre sono in movimento. Mentre il campione si muove attraverso il campo visivo, il sensore TDI sincronizza il movimento delle colonne di pixel con la velocità dell'oggetto. Questa sincronizzazione consente un'esposizione continua e un accumulo dinamico di carica dello stesso oggetto nel tempo, consentendo un'acquisizione efficiente anche ad alte velocità.
Dimostrazione di imaging TDI: movimento coordinato del campione e integrazione della carica
Accumulo del dominio di carica
Ogni colonna di pixel converte la luce in ingresso in carica elettrica, che viene poi elaborata attraverso più stadi di lettura a campionamento. Questo processo di accumulo continuo amplifica efficacemente il segnale debole di un fattore N, dove N rappresenta il numero di livelli di integrazione, migliorando il rapporto segnale/rumore (SNR) in condizioni di illuminazione limitate.
Illustrazione della qualità dell'immagine in diverse fasi TDI
Evoluzione della tecnologia TDI: dal CCD al sCMOS retroilluminato
Inizialmente i sensori TDI erano costruiti su piattaforme CCD o CMOS con illuminazione frontale, ma entrambe le architetture presentavano delle limitazioni quando applicate a immagini rapide e in condizioni di scarsa illuminazione.
TDI-CCD
I sensori TDI-CCD retroilluminati possono raggiungere efficienze quantiche (QE) prossime al 90%. Tuttavia, la loro architettura di lettura seriale limita la velocità di imaging: le frequenze di linea rimangono in genere inferiori a 100 kHz, con i sensori con risoluzione 2K che operano a circa 50 kHz.
TDI-CMOS con illuminazione anteriore
I sensori TDI-CMOS a illuminazione frontale offrono velocità di lettura più elevate, con frequenze di linea a risoluzione 8K che raggiungono fino a 400 kHz. Tuttavia, fattori strutturali limitano il loro QE, soprattutto nell'intervallo di lunghezze d'onda più corte, mantenendolo spesso al di sotto del 60%.
Un notevole progresso è avvenuto nel 2020 con l'uscita di TucsenFotocamera Dhyana 9KTDI sCMOS, una telecamera TDI-sCMOS retroilluminata. Rappresenta un significativo passo avanti nella combinazione di elevata sensibilità e prestazioni TDI ad alta velocità:
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Efficienza quantica: picco QE dell'82%, circa il 40% in più rispetto ai sensori TDI-CMOS con illuminazione frontale convenzionali, il che lo rende ideale per l'imaging in condizioni di scarsa illuminazione.
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Velocità di linea: 510 kHz a risoluzione 9K, che si traduce in una velocità di trasmissione dati di 4,59 gigapixel al secondo.
Questa tecnologia è stata applicata per la prima volta nella scansione a fluorescenza ad alto rendimento, in cui la telecamera ha catturato un'immagine da 2 gigapixel di un campione fluorescente da 30 mm × 17 mm in 10,1 secondi in condizioni di sistema ottimizzate, dimostrando notevoli miglioramenti nella velocità di imaging e nella fedeltà dei dettagli rispetto ai sistemi di scansione d'area convenzionali.
Immagine: Dhyana 9KTDI con palco motorizzato Zaber MVR
Obiettivo: 10X Tempo di acquisizione: 10,1 s Tempo di esposizione: 3,6 ms
Dimensione dell'immagine: 30 mm x 17 mm 58.000 x 34.160 pixel
Principali vantaggi della tecnologia TDI
Alta sensibilità
I sensori TDI accumulano segnali su più esposizioni, migliorando le prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione. Con i sensori TDI-sCMOS retroilluminati, è possibile raggiungere un'efficienza quantica superiore all'80%, il che supporta attività complesse come l'imaging a fluorescenza e l'ispezione in campo oscuro.
Prestazioni ad alta velocità
I sensori TDI sono progettati per l'imaging ad alta produttività, catturando oggetti in rapido movimento con un'eccellente nitidezza. Sincronizzando la lettura dei pixel con il movimento dell'oggetto, TDI elimina virtualmente la sfocatura da movimento e supporta l'ispezione basata su nastri trasportatori, la scansione in tempo reale e altri scenari ad alta produttività.
Rapporto segnale/rumore (SNR) migliorato
Integrando i segnali su più fasi, i sensori TDI possono produrre immagini di qualità superiore con minore illuminazione, riducendo i rischi di fotosbiancamento nei campioni biologici e minimizzando lo stress termico nei materiali sensibili.
Ridotta suscettibilità alle interferenze ambientali
A differenza dei sistemi a scansione d'area, i sensori TDI sono meno influenzati dalla luce ambientale o dai riflessi grazie alla loro esposizione sincronizzata linea per linea, il che li rende più robusti negli ambienti industriali complessi.
Esempio di applicazione: ispezione dei wafer
Nel settore dei semiconduttori, le telecamere sCMOS a scansione d'area erano comunemente utilizzate per il rilevamento in condizioni di scarsa illuminazione grazie alla loro velocità e sensibilità. Tuttavia, questi sistemi possono presentare degli svantaggi:
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Campo visivo limitato: è necessario unire più fotogrammi, il che comporta tempi di elaborazione lunghi.
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Scansione più lenta: ogni scansione richiede di attendere che il piano si stabilizzi prima di acquisire l'immagine successiva.
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Artefatti di unione: lacune e incongruenze nelle immagini influiscono sulla qualità della scansione.
L'imaging TDI aiuta ad affrontare queste sfide:
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Scansione continua: TDI supporta scansioni di grandi dimensioni e ininterrotte, senza la necessità di unire i fotogrammi.
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Acquisizione più rapida: le elevate velocità di linea (fino a 1 MHz) eliminano i ritardi tra le acquisizioni.
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Uniformità dell'immagine migliorata: il metodo di scansione lineare di TDI riduce al minimo la distorsione prospettica e garantisce la precisione geometrica lungo l'intera scansione.
TDI VS Area Scan
Illustrazione: TDI consente un processo di acquisizione più continuo e fluido
La telecamera sCMOS Gemini 8KTDI di Tucsen si è dimostrata efficace nell'ispezione profonda dei wafer nell'ultravioletto. Secondo i test interni di Tucsen, la telecamera raggiunge un QE del 63,9% a 266 nm e mantiene la temperatura del chip stabile a 0 °C per un uso prolungato, un fattore importante per le applicazioni sensibili ai raggi UV.
Espansione dell'uso: dall'imaging specializzato all'integrazione di sistema
La tecnologia TDI non è più limitata ad applicazioni di nicchia o a test di benchmark. L'attenzione si è spostata verso l'integrazione pratica nei sistemi industriali.
La serie Gemini TDI di Tucsen offre due tipi di soluzioni:
1. Modelli di punta: Progettati per casi d'uso avanzati come l'ispezione front-end dei wafer e il rilevamento di difetti UV. Questi modelli privilegiano elevata sensibilità, stabilità e produttività.
2. Varianti compatte: Più piccoli, raffreddati ad aria e con consumi ridotti, più adatti ai sistemi embedded. Questi modelli includono interfacce CXP (CoaXPress) ad alta velocità per un'integrazione semplificata.
Dall'imaging ad alta produttività nelle scienze biologiche all'ispezione di precisione dei semiconduttori, la tecnologia TDI-sCMOS retroilluminata sta svolgendo un ruolo sempre più importante nel miglioramento dei flussi di lavoro di imaging.
Domande frequenti
D1: Come funziona il TDI?
La tecnologia TDI sincronizza il trasferimento di carica tra le file di pixel con il movimento dell'oggetto. Man mano che l'oggetto si muove, ogni riga accumula un'altra esposizione, aumentando la sensibilità, soprattutto in applicazioni con scarsa illuminazione e ad alta velocità.
D2: Dove può essere utilizzata la tecnologia TDI?
TDI è ideale per l'ispezione di semiconduttori, la scansione a fluorescenza, l'ispezione di PCB e altre applicazioni di imaging ad alta risoluzione e ad alta velocità in cui la sfocatura del movimento e la scarsa illuminazione rappresentano problemi.
D3: Cosa dovrei considerare quando scelgo una telecamera TDI per applicazioni industriali?
Nella scelta di una telecamera TDI, i fattori importanti includono la velocità di linea, l'efficienza quantica, la risoluzione, la risposta spettrale (in particolare per applicazioni UV o NIR) e la stabilità termica.
Per una spiegazione dettagliata su come calcolare la velocità di linea, fare riferimento al nostro articolo:
Serie TDI – Come calcolare la frequenza di linea della telecamera
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