TDIテクノロジーが産業用イメージング分野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低照度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害する主要なボトルネックとなってきた。従来の直線型または面型アレイ型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方を維持することが困難であった。その結果、産業分野における技術革新は著しく制約されてきた。

裏面照射型TDI-sCMOS技術の導入により、これらの制約が解消されつつあります。この革新的な技術は、低照度環境下での高速イメージングにおける物理的な制約を克服するだけでなく、ライフサイエンス分野にとどまらず、半導体検査や精密製造といった高度な産業分野にも応用範囲を広げています。こうした発展に伴い、TDI-sCMOSは現代の産業用イメージング用途においてますます重要な役割を担うようになっています。

本稿では、TDIイメージングの基本原理を概説し、その進化をたどり、産業システムにおけるその役割の拡大について論じる。

TDIの原理を理解する：動的イメージングにおける画期的な進歩

時間遅延積分（TDI）は、ラインスキャン原理に基づいた画像取得技術であり、2つの重要な技術的特徴を備えている。

同期動的取得

従来のエリアカメラが「停止→撮影→移動」のサイクルで動作するのに対し、TDIセンサーは移動しながら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対象物の速度に同期させます。この同期により、同一対象物を長時間にわたって連続的に露光し、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を実現します。

TDIイメージングの実演：協調的なサンプル移動と電荷統合

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、それが複数のサンプリング読み出しステージで処理されます。この連続的な蓄積プロセスにより、微弱な信号がN倍に効果的に増幅されます。ここでNは積分レベルの数を表し、限られた照明条件下での信号対雑音比（SNR）が向上します。

異なるTDI段階における画像品質の図解

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プラットフォームをベースに構築されたが、どちらのアーキテクチャも高速かつ低照度イメージングに適用する際には限界があった。

TDI-CCD

裏面照射型TDI-CCDセンサーは、90%近い量子効率（QE）を達成できる。しかし、そのシリアル読み出し方式は撮像速度を制限し、ラインレートは通常100kHz未満にとどまり、2K解像度のセンサーは約50kHzで動作する。

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するなど、高速な読み出し速度を提供します。しかし、構造的な要因により量子効率（QE）が制限され、特に短波長域では60%を下回る場合が多くなります。

2020年にTucsenのリリースにより、注目すべき進歩が見られました。Dhyana 9KTDI sCMOSカメラこれは、裏面照射型TDI-sCMOSカメラです。高感度と高速TDI性能を両立させる上で、大きな飛躍を遂げた製品です。

量子効率：ピーク量子効率82％。これは従来の前面照射型TDI-CMOSセンサーよりも約40％高く、低照度イメージングに最適です。

ラインレート：9K解像度で510kHz、データスループットは毎秒4.59ギガピクセル。

この技術は、最初にハイスループット蛍光スキャンに適用され、最適化されたシステム条件下で、カメラは30mm×17mmの蛍光サンプルの2ギガピクセル画像を10.1秒で撮影し、従来のエリアスキャンシステムに比べて画像速度とディテール忠実度が大幅に向上したことを実証した。

画像：Dhyana 9KTDIとZaber MVR電動ステージ

対物レンズ：10倍　取得時間：10.1秒　露光時間：3.6ミリ秒

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することで、低照度下での性能を向上させます。裏面照射型TDI-sCMOSセンサーでは、80%を超える量子効率を実現でき、蛍光イメージングや暗視野検査といった高度なタスクにも対応可能です。

高速性能

TDIセンサーは、高速で移動する物体を鮮明に捉える、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ほぼ完全に排除し、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）の改善

TDIセンサーは、複数の段階にわたる信号を統合することで、より少ない照明でより高品質な画像を生成でき、生体試料における光退色リスクを低減し、敏感な材料における熱ストレスを最小限に抑えることができる。

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光により、周囲の光や反射の影響を受けにくく、複雑な産業環境においてもより堅牢な性能を発揮します。

応用例：ウェハー検査

半導体分野では、エリアスキャン型sCMOSカメラは、その速度と感度の高さから、低照度検出に広く用いられてきた。しかし、これらのシステムには以下のような欠点がある。

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、処理に時間がかかる。

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つ必要があります。

ステッチングアーティファクト：画像の隙間や不整合がスキャン品質に影響します。

TDIイメージングは、これらの課題への対処に役立ちます。

連続スキャン：TDIは、フレームステッチングを必要とせずに、大きな画像を途切れることなくスキャンできます。

より高速なデータ取得：高速な回線速度（最大1MHz）により、キャプチャ間の遅延が解消されます。

画像均一性の向上：TDIのラインスキャン方式は、遠近歪みを最小限に抑え、スキャン全体にわたって幾何学的精度を保証します。

TDI対エリアスキャン

図TDIは、より連続的でスムーズなデータ取得プロセスを可能にします。

Tucsen社のGemini 8KTDI sCMOSカメラは、深紫外ウェハ検査において優れた性能を発揮しています。Tucsen社の内部テストによると、このカメラは266nmにおいて63.9%の量子効率（QE）を達成し、長時間の使用においてもチップ温度を0℃に安定して維持します。これは、紫外線に敏感な用途にとって重要な特長です。

用途の拡大：特殊画像処理からシステム統合へ

TDIはもはやニッチな用途やベンチマークテストに限定されるものではなく、産業システムへの実用的な統合へと重点が移っている。

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

1. フラッグシップモデルフロントエンドウェハ検査や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、およびスループットを最優先に設計されています。
2. コンパクト型小型で空冷式、低消費電力のため、組み込みシステムに最適です。これらのモデルには、統合を効率化するCXP（CoaXPress）高速インターフェースが搭載されています。

生命科学におけるハイ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る。