TDI カメラテクノロジーが産業用画像処理で普及しつつある理由 |

生物発光ハイスループットイメージングや産業用高速微光検出の分野において、イメージング速度と感度の最適なバランスを実現することは、長年にわたり技術進歩を阻むボトルネックとなってきました。従来のリニアアレイやエリアアレイイメージングソリューションは、しばしば難しいトレードオフに直面し、検出効率とシステム性能の両立が困難でした。その結果、産業用機器のアップグレードは大幅に制限されてきました。

裏面照射型TDI-sCMOS技術の導入により、これらの限界は解消されつつあります。この革新的な技術は、低照度環境における高速撮像の物理的限界を克服するだけでなく、ライフサイエンス分野のみならず、半導体検査や精密製造といった先進産業分野にも応用範囲を広げています。これらの開発により、TDI-sCMOSは現代の産業用画像処理アプリケーションにおいてますます重要になっています。

この記事では、TDI イメージングの中核となる原理を概説し、その進化を追跡し、産業システムにおけるその役割の拡大について説明します。

TDIの原理を理解する：ダイナミックイメージングにおけるブレークスルー

時間遅延積分 (TDI) は、ラインスキャン原理に基づく画像取得テクノロジであり、次の 2 つの重要な技術的特徴を備えています。

同期ダイナミックアクイジション

「停止・撮影・移動」のサイクルで動作する従来のエリアカメラとは異なり、TDIセンサーは移動中でも連続的に画像を露光します。サンプルが視野内を移動すると、TDIセンサーはピクセル列の動きを物体の速度と同期させます。この同期により、同じ物体を時間の経過とともに連続的に露光し、動的に電荷を蓄積することが可能になり、高速移動時でも効率的な画像撮影が可能になります。

TDIイメージングデモンストレーション：協調サンプル移動と電荷積分

電荷ドメイン蓄積

各ピクセル列は入射光を電荷に変換し、複数のサンプリング読み出し段を経て処理されます。この連続的な蓄積プロセスにより、微弱な信号がN倍（Nは積分レベル数）に増幅され、限られた照明条件下でも信号対雑音比（SNR）が向上します。

異なるTDIステージにおける画質の図解

TDI技術の進化：CCDから裏面照射型sCMOSへ

TDI センサーは当初 CCD または前面照射型 CMOS プラットフォーム上に構築されていましたが、どちらのアーキテクチャも高速および低照度イメージングに適用すると制限がありました。

TDI-CCD

裏面照射型TDI-CCDセンサーは、90%近くの量子効率（QE）を達成できます。しかし、シリアル読み出しアーキテクチャにより撮像速度が制限され、ラインレートは通常100kHz未満にとどまり、2K解像度のセンサーでは約50kHzで動作します。

前面照射型TDI-CMOS

前面照射型TDI-CMOSセンサーは、8K解像度で最大400kHzのラインレートを実現し、高速読み出しを実現します。しかし、構造上の要因により、特に短波長域では量子効率（QE）が制限され、60%を下回る場合が多く見られます。

2020年に注目すべき進歩があったのは、トゥセンのDhyana 9KTDI sCMOSカメラ裏面照射型TDI-sCMOSカメラ。高感度と高速TDI性能の融合において、飛躍的な進歩を遂げています。

量子効率: ピーク QE 82%。従来の前面照射型 TDI-CMOS センサーよりも約 40% 高く、低照度撮影に最適です。

ラインレート: 9K 解像度で 510 kHz、1 秒あたり 4.59 ギガピクセルのデータスループットに相当します。

この技術は、高スループット蛍光スキャンに初めて適用され、カメラは最適化されたシステム条件下で 30 mm × 17 mm の蛍光サンプルの 2 ギガピクセル画像を 10.1 秒でキャプチャし、従来のエリアスキャンシステムに比べて画像化速度と詳細忠実度が大幅に向上していることが実証されました。

画像: Dhyana 9KTDIとZaber MVR電動ステージ

客観的: 10倍取得時間: 10.1秒露出時間: 3.6ms

画像サイズ: 30mm x 17mm 58,000 x 34,160ピクセル

TDIテクノロジーの主な利点

高感度

TDIセンサーは複数回の露光で信号を蓄積し、低照度性能を向上させます。裏面照射型TDI-sCMOSセンサーは80%を超える量子効率を実現し、蛍光イメージングや暗視野検査といった要求の厳しいタスクをサポートします。

高速パフォーマンス

TDIセンサーは、高速で移動する物体を優れた鮮明度で捉える高スループットイメージング向けに設計されています。ピクセル読み出しを物体の動きと同期させることで、TDIはモーションブラーを実質的に排除し、コンベアベースの検査、リアルタイムスキャン、その他の高スループットシナリオをサポートします。

信号対雑音比（SNR）の向上

TDI センサーは、複数のステージにわたって信号を統合することにより、少ない照明でより高品質の画像を生成し、生物学的サンプルの光退色リスクを軽減し、敏感な材料の熱ストレスを最小限に抑えることができます。

周囲の干渉に対する感受性の低減

エリアスキャンシステムとは異なり、TDI センサーは同期されたラインごとの露出により周囲光や反射の影響を受けにくく、複雑な産業環境でもより堅牢です。

アプリケーション例：ウェーハ検査

半導体分野では、エリアスキャンsCMOSカメラは、その高速性と感度の高さから、低照度検出に広く利用されてきました。しかし、これらのシステムには次のような欠点があります。

視野が限られている: 複数のフレームをつなぎ合わせる必要があるため、時間のかかるプロセスになります。

スキャン速度が遅い: 各スキャンでは、次の画像をキャプチャする前にステージが安定するまで待機する必要があります。

ステッチングアーティファクト: 画像のギャップや不一致はスキャン品質に影響します。

TDI イメージングは、次のような課題の解決に役立ちます。

連続スキャン: TDI は、フレームのステッチを必要とせずに、大規模で中断のないスキャンをサポートします。

より高速な取得: 高いラインレート (最大 1 MHz) により、キャプチャ間の遅延が排除されます。

画像の均一性の向上: TDI のラインスキャン方式により、遠近法の歪みが最小限に抑えられ、スキャン全体にわたって幾何学的精度が保証されます。

TDI VS エリアスキャン

図TDIはより継続的かつスムーズな取得プロセスを可能にします

Tucsen社のGemini 8KTDI sCMOSカメラは、深紫外線ウェーハ検査において高い効果を発揮しています。Tucsen社の社内テストによると、このカメラは266nmで63.9%の量子効率（QE）を達成し、長時間使用においてもチップ温度を0℃に維持します。これは紫外線に敏感なアプリケーションにとって重要です。

用途の拡大：特殊画像からシステム統合まで

TDIはもはやニッチなアプリケーションやベンチマークテストに限定されません。産業システムへの実用的な統合へと焦点が移っています。

Tucsen の Gemini TDI シリーズは、次の 2 種類のソリューションを提供します。

1. フラッグシップモデル: 前工程のウェーハ検査やUV欠陥検出といった高度な用途向けに設計されています。これらのモデルは、高感度、安定性、スループットを重視しています。
2. コンパクトバリアント: 小型、空冷式、低消費電力で、組み込みシステムに最適です。これらのモデルには、CXP（CoaXPress）高速インターフェースが搭載されており、スムーズな統合が可能です。

ライフサイエンスにおける高スループットイメージングから精密半導体検査まで、裏面照射型 TDI-sCMOS はイメージングワークフローの強化においてますます重要な役割を果たしています。