מדוע טכנולוגיית מצלמות TDI צוברת תאוצה בתחום ההדמיה התעשייתית |

בתחומי ההדמיה בתפוקה גבוהה באמצעות ביולומינסנציה וגילוי תעשייתי במהירות גבוהה בתאורה חלשה, השגת האיזון האופטימלי בין מהירות ההדמיה לרגישות הייתה זה מכבר צוואר בקבוק מרכזי המגביל את ההתקדמות הטכנולוגית. פתרונות מסורתיים של הדמיה ליניארית או מערך שטחי מתמודדים לעתים קרובות עם פשרות קשות, מה שמקשה על שמירה על יעילות הגילוי ועל ביצועי המערכת כאחד. כתוצאה מכך, שדרוגים תעשייתיים הוגבלו משמעותית.

הכנסת טכנולוגיית TDI-sCMOS עם תאורה אחורית מתחילה לטפל במגבלות אלו. טכנולוגיה חדשנית זו לא רק מטפלת במגבלות הפיזיות של הדמיה במהירות גבוהה בתנאי תאורה חלשה, אלא גם מרחיבה את יישומיה מעבר למדעי החיים למגזרים תעשייתיים מתקדמים כמו בדיקת מוליכים למחצה וייצור מדויק. עם התפתחויות אלו, TDI-sCMOS הופך רלוונטי יותר ויותר ביישומי הדמיה תעשייתיים מודרניים.

מאמר זה מתאר את העקרונות המרכזיים העומדים מאחורי הדמיית TDI, עוקב אחר התפתחותה ודן בתפקידה הגובר במערכות תעשייתיות.

הבנת עקרונות ה-TDI: פריצת דרך בהדמיה דינמית

שילוב השהיית זמן (TDI) היא טכנולוגיית רכישת תמונה המבוססת על עקרון סריקת הקווים, המציעה שתי תכונות טכניות משמעותיות:

רכישה דינמית סינכרונית

בניגוד למצלמות שטח מסורתיות הפועלות במחזור "עצור-שוט-תנועה", חיישני TDI חושפים תמונות באופן רציף תוך כדי תנועה. כאשר הדגימה נעה על פני שדה הראייה, חיישן ה-TDI מסנכרן את תנועת עמודות הפיקסלים עם מהירות האובייקט. סנכרון זה מאפשר חשיפה רציפה וצבירת מטען דינמית של אותו אובייקט לאורך זמן, מה שמאפשר הדמיה יעילה גם במהירויות גבוהות.

הדגמת הדמיה TDI: תנועת דגימה מתואמת ואינטגרציית מטען

צבירת תחום תשלום

כל עמודת פיקסל ממירה אור נכנס למטען חשמלי, אשר לאחר מכן מעובד באמצעות שלבי קריאת דגימה מרובים. תהליך הצטברות רציף זה משפר ביעילות את האות החלש בגורם של N, כאשר N מייצג את מספר רמות האינטגרציה, ובכך משפר את יחס אות לרעש (SNR) בתנאי תאורה מוגבלים.

המחשה של איכות תמונה בשלבי TDI שונים

התפתחות טכנולוגיית TDI: מ-CCD ל-sCMOS עם תאורה אחורית

חיישני TDI נבנו בתחילה על פלטפורמות CCD או CMOS עם תאורה קדמית, אך לשתי הארכיטקטורות היו מגבלות כאשר יושמו להדמיה מהירה ובתאורה חלשה.

TDI-CCD

חיישני TDI-CCD עם תאורה אחורית יכולים להשיג יעילות קוונטית (QE) הקרובה ל-90%. עם זאת, ארכיטקטורת הקריאה הטורית שלהם מגבילה את מהירות ההדמיה - קצבי קו בדרך כלל נשארים מתחת ל-100 קילוהרץ, כאשר חיישנים ברזולוציית 2K פועלים בכ-50 קילוהרץ.

TDI-CMOS עם תאורה קדמית

חיישני TDI-CMOS בעלי תאורה קדמית מציעים מהירויות קריאה גבוהות יותר, עם קצבי קו ברזולוציית 8K המגיעים עד 400 קילוהרץ. עם זאת, גורמים מבניים מגבילים את ה-QE שלהם, במיוחד בטווח אורכי גל קצרים יותר, ולעתים קרובות שומרים עליו מתחת ל-60%.

התקדמות ניכרת התרחשה בשנת 2020 עם יציאתו של טוסן...מצלמת Dhyana 9KTDI sCMOS, מצלמת TDI-sCMOS עם תאורה אחורית. היא מסמנת קפיצת מדרגה משמעותית בשילוב רגישות גבוהה עם ביצועי TDI במהירות גבוהה:

יעילות קוונטית: יעילות קוונטית שיא של 82% - גבוה בכ-40% מחיישני TDI-CMOS קונבנציונליים עם תאורה קדמית, מה שהופך אותם לאידיאליים להדמיה בתאורה חלשה.

קצב קו: 510 קילוהרץ ברזולוציית 9K, המתורגם לתפוקת נתונים של 4.59 ג'יגה-פיקסלים לשנייה.

טכנולוגיה זו יושמה לראשונה בסריקת פלואורסצנציה בתפוקה גבוהה, שבה המצלמה לכדה תמונה של 2 ג'יגה-פיקסל של דגימה פלואורסצנטית בגודל 30 מ"מ × 17 מ"מ תוך 10.1 שניות בתנאי מערכת אופטימליים, מה שמדגים שיפורים משמעותיים במהירות ההדמיה ובדיוק הפרטים בהשוואה למערכות סריקת שטח קונבנציונליות.

תְמוּנָהDhyana 9KTDI עם במה ממונעת Zaber MVR

מַטָרָהזמן רכישה: 10X, זמן חשיפה: 3.6ms

גודל התמונה30 מ"מ x 17 מ"מ 58,000 x 34,160 פיקסלים

יתרונות עיקריים של טכנולוגיית TDI

רגישות גבוהה

חיישני TDI צוברים אותות במהלך חשיפות מרובות, ומשפרים את הביצועים בתאורה חלשה. בעזרת חיישני TDI-sCMOS בעלי תאורה אחורית, ניתן להשיג יעילות קוונטית מעל 80%, מה שתומך במשימות תובעניות כגון דימות פלואורסצנטי ובדיקת שדה אפל.

ביצועים במהירות גבוהה

חיישני TDI מתוכננים להדמיה בתפוקה גבוהה, תוך לכידת עצמים הנעים במהירות ובבהירות מעולה. על ידי סנכרון קריאת הפיקסלים עם תנועת האובייקט, TDI מבטל למעשה טשטוש תנועה ותומך בבדיקה מבוססת מסוע, סריקה בזמן אמת ותרחישים אחרים של תפוקה גבוהה.

יחס אות לרעש (SNR) משופר

על ידי שילוב אותות על פני מספר שלבים, חיישני TDI יכולים לייצר תמונות באיכות גבוהה יותר עם פחות תאורה, להפחית את הסיכונים של הלבנת פוטולייט בדגימות ביולוגיות ולמזער את הלחץ התרמי בחומרים רגישים.

רגישות מופחתת להפרעות סביבתיות

בניגוד למערכות סריקת שטח, חיישני TDI מושפעים פחות מאור סביבתי או מהשתקפויות עקב חשיפתם המסונכרנת שורה אחר שורה, מה שהופך אותם לחזקים יותר בסביבות תעשייתיות מורכבות.

דוגמה ליישום: בדיקת פרוסות

במגזר המוליכים למחצה, מצלמות sCMOS מסוג סריקת שטח היו בשימוש נפוץ לגילוי תאורה חלשה בשל מהירותן ורגישותן. עם זאת, למערכות אלו יכולים להיות חסרונות:

שדה ראייה מוגבל: יש לחבר מספר מסגרות יחד, מה שמביא לתהליכים גוזלים זמן.

סריקה איטית יותר: כל סריקה דורשת המתנה להתייצבות הבמה לפני צילום התמונה הבאה.

סתימות: פערים וחוסר עקביות בתמונה משפיעים על איכות הסריקה.

הדמיית TDI מסייעת להתמודד עם אתגרים אלה:

סריקה רציפה: TDI תומך בסריקות גדולות וללא הפרעות, ללא צורך בתפירת מסגרות.

רכישה מהירה יותר: קצבי קו גבוהים (עד 1 מגה-הרץ) מבטלים עיכובים בין לכידות.

אחידות תמונה משופרת: שיטת סריקת הקווים של TDI ממזערת עיוות פרספקטיבה ומבטיחה דיוק גיאומטרי לאורך כל הסריקה.

סריקת TDI לעומת סריקת שטח

אִיוּרTDI מאפשר תהליך רכישה רציף וחלק יותר

מצלמת Gemini 8KTDI sCMOS של Tucsen הייתה יעילה בבדיקת פרוסות אולטרה סגולות עמוקות. על פי הבדיקות הפנימיות של Tucsen, המצלמה משיגה QE של 63.9% ב-266 ננומטר ושומרת על יציבות טמפרטורת השבב ב-0°C לאורך שימוש ממושך - דבר חשוב עבור יישומים רגישים ל-UV.

הרחבת השימוש: מהדמיה ייעודית ועד לשילוב מערכות

TDI כבר אינו מוגבל ליישומים נישה או לבדיקות ביצועים. המיקוד עבר לכיוון שילוב מעשי במערכות תעשייתיות.

סדרת ג'מיני TDI של טוסן מציעה שני סוגי פתרונות:

1. דגמי הדגלמיועד למקרי שימוש מתקדמים כמו בדיקת פרוסות קדמיות וגילוי פגמי UV. מודלים אלה נותנים עדיפות לרגישות, יציבות ותפוקה גבוהות.
2. גרסאות קומפקטיותקטן יותר, מקורר אוויר ובעל צריכת חשמל נמוכה יותר - מתאים יותר למערכות משובצות. דגמים אלה כוללים ממשקי CXP (CoaXPress) במהירות גבוהה לאינטגרציה יעילה.

מהדמיה בתפוקה גבוהה במדעי החיים ועד לבדיקת מוליכים למחצה מדויקת, TDI-sCMOS עם תאורה אחורית ממלא תפקיד חשוב יותר ויותר בשיפור זרימות עבודה של הדמיה.

שאלות נפוצות

שאלה 1: איך TDI עובד?

TDI מסנכרן את העברת המטען בין שורות הפיקסלים עם תנועת האובייקט. כאשר האובייקט נע, כל שורה צוברת חשיפה נוספת, מה שמגביר את הרגישות, במיוחד ביישומים בתאורה חלשה ובמהירות גבוהה.

שאלה 2: היכן ניתן להשתמש בטכנולוגיית TDI?

TDI אידיאלי לבדיקת מוליכים למחצה, סריקת פלואורסצנציה, בדיקת PCB ויישומי הדמיה אחרים ברזולוציה גבוהה ומהירות גבוהה שבהם טשטוש תנועה ותאורה חלשה מהווים דאגה.