TDI 카메라 기술이 산업 이미징 분야에서 주목을 받고 있는 이유 |

생물발광 고처리량 이미징 및 산업용 고속 저조도 검출 분야에서 이미징 속도와 감도 간의 최적의 균형을 달성하는 것은 오랫동안 기술 발전을 저해하는 핵심적인 병목 현상이었습니다. 기존의 선형 또는 영역 배열 이미징 솔루션은 종종 어려운 상충 관계에 직면하여 검출 효율과 시스템 성능을 모두 유지하는 데 어려움을 겪었습니다. 결과적으로 산업용 업그레이드는 상당한 제약을 받아 왔습니다.

백라이트 TDI-sCMOS 기술의 도입으로 이러한 한계를 극복하기 시작했습니다. 이 혁신적인 기술은 저조도 환경에서 고속 이미징의 물리적 한계를 해결할 뿐만 아니라, 생명 과학 분야를 넘어 반도체 검사 및 정밀 제조와 같은 첨단 산업 분야로 그 적용 범위를 확장합니다. 이러한 발전으로 TDI-sCMOS는 현대 산업용 이미징 분야에서 점점 더 중요해지고 있습니다.

이 기사에서는 TDI 이미징의 핵심 원리를 간략히 설명하고, TDI 이미징의 발전 과정을 추적하며, 산업 시스템에서 TDI 이미징의 역할이 점차 커지고 있는 것에 대해 논의합니다.

TDI 원리 이해: 동적 이미징의 획기적인 발전

TDI(Time Delay Integration)는 라인 스캐닝 원리를 기반으로 하는 이미지 수집 기술로, 두 가지 중요한 기술적 특징을 제공합니다.

동기식 동적 수집

"정지-촬영-이동" 주기로 작동하는 기존 영역형 카메라와 달리, TDI 센서는 움직이는 동안에도 이미지를 지속적으로 노출합니다. 샘플이 시야를 가로질러 이동함에 따라 TDI 센서는 픽셀 열의 움직임을 물체의 속도에 동기화합니다. 이러한 동기화를 통해 동일한 물체에 대한 지속적인 노출과 동적 전하 축적이 시간 경과에 따라 가능해져 고속에서도 효율적인 이미징이 가능합니다.

TDI 이미징 데모: 조정된 샘플 이동 및 전하 통합

전하 도메인 축적

각 픽셀 열은 입력되는 빛을 전하로 변환하고, 이 전하는 여러 샘플링 판독 단계를 거쳐 처리됩니다. 이러한 연속적인 누적 과정은 약한 신호를 N배(여기서 N은 적분 레벨 수)만큼 효과적으로 증폭시켜 제한된 조명 조건에서 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시킵니다.

다양한 TDI 단계에서의 이미지 품질 그림

TDI 기술의 진화: CCD에서 백라이트 sCMOS까지

TDI 센서는 원래 CCD 또는 전면 조명 CMOS 플랫폼 기반으로 제작되었지만, 두 아키텍처 모두 빠르고 조도가 낮은 이미징에 적용할 때 한계가 있었습니다.

TDI-CCD

후면 조명 TDI-CCD 센서는 90%에 가까운 양자 효율(QE)을 달성할 수 있습니다. 그러나 직렬 판독 구조는 이미징 속도를 제한합니다. 라인 속도는 일반적으로 100kHz 미만으로 유지되며, 2K 해상도 센서는 약 50kHz에서 작동합니다.

전면 조명 TDI-CMOS

전면 조명 TDI-CMOS 센서는 더 빠른 판독 속도를 제공하며, 8K 해상도의 라인 레이트는 최대 400kHz에 이릅니다. 그러나 구조적 요인으로 인해 QE가 제한되며, 특히 단파장 영역에서는 60% 미만으로 유지되는 경우가 많습니다.

2020년 Tucsen의 출시로 주목할 만한 진전이 이루어졌습니다.Dhyana 9KTDI sCMOS 카메라, 백라이트 TDI-sCMOS 카메라. 고감도와 고속 TDI 성능의 결합에 있어 획기적인 도약을 보여줍니다.

양자 효율: 최대 QE가 82%로, 기존 전면 조명 TDI-CMOS 센서보다 약 40% 높아 저조도 이미징에 이상적입니다.

라인 속도: 9K 해상도에서 510kHz, 초당 4.59기가픽셀의 데이터 처리량으로 변환됩니다.

이 기술은 고처리량 형광 스캐닝에 처음 적용되었는데, 카메라가 최적화된 시스템 조건에서 10.1초 만에 30mm x 17mm 형광 샘플의 2기가픽셀 이미지를 캡처하여 기존의 영역 스캔 시스템에 비해 이미징 속도와 세부 묘사 충실도가 상당히 향상되었음을 보여주었습니다.

영상: Zaber MVR 모터화 스테이지가 장착된 Dhyana 9KTDI

목적: 10X 획득 시간: 10.1초 노출 시간: 3.6ms

이미지 크기: 30mm x 17mm 58,000 x 34,160 픽셀

TDI 기술의 주요 장점

높은 감도

TDI 센서는 여러 번의 노출에 걸쳐 신호를 축적하여 저조도 성능을 향상시킵니다. 백라이트 TDI-sCMOS 센서를 사용하면 80% 이상의 양자 효율을 달성할 수 있어 형광 이미징 및 암시야 검사와 같은 까다로운 작업을 지원합니다.

고속 성능

TDI 센서는 고처리량 이미징을 위해 설계되었으며, 빠르게 움직이는 물체를 뛰어난 선명도로 포착합니다. 픽셀 판독값을 물체 움직임과 동기화함으로써 TDI는 모션 블러를 사실상 제거하고 컨베이어 기반 검사, 실시간 스캐닝 및 기타 고처리량 시나리오를 지원합니다.

향상된 신호 대 잡음비(SNR)

TDI 센서는 여러 단계에 걸쳐 신호를 통합함으로써 더 적은 조도로 더 높은 품질의 이미지를 생성할 수 있으며, 생물학적 샘플의 광표백 위험을 줄이고 민감한 재료의 열 스트레스를 최소화합니다.

주변 간섭에 대한 민감도 감소

영역 스캔 시스템과 달리 TDI 센서는 동기화된 라인별 노출로 인해 주변광이나 반사의 영향을 덜 받아 복잡한 산업 환경에서 더욱 견고합니다.

응용 사례: 웨이퍼 검사

반도체 분야에서는 속도와 감도가 뛰어나 저조도 감지에 영역 스캔 sCMOS 카메라가 일반적으로 사용되었습니다. 그러나 이러한 시스템에는 다음과 같은 단점이 있을 수 있습니다.

시야가 제한적임: 여러 프레임을 이어 붙여야 하므로 시간이 많이 걸리는 작업입니다.

느린 스캐닝: 각 스캔은 다음 이미지를 캡처하기 전에 스테이지가 안정될 때까지 기다려야 합니다.

스티칭 아티팩트: 이미지 갭과 불일치는 스캔 품질에 영향을 미칩니다.

TDI 이미징은 다음과 같은 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다.

연속 스캔: TDI는 프레임 스티칭이 필요 없이 대규모의 중단 없는 스캔을 지원합니다.

더 빠른 수집: 높은 라인 속도(최대 1MHz)로 캡처 간 지연이 제거됩니다.

향상된 이미지 균일성: TDI의 라인 스캔 방식은 원근법 왜곡을 최소화하고 전체 스캔에서 기하학적 정확도를 보장합니다.

TDI 대 에어리어 스캔

삽화: TDI는 보다 지속적이고 원활한 인수 프로세스를 가능하게 합니다.

Tucsen의 Gemini 8KTDI sCMOS 카메라는 심자외선 웨이퍼 검사에 효과적이었습니다. Tucsen의 자체 테스트에 따르면, 이 카메라는 266nm에서 63.9%의 QE를 달성하고 장시간 사용 시에도 0°C에서 칩 온도 안정성을 유지합니다. 이는 자외선에 민감한 애플리케이션에 매우 중요합니다.

사용 확장: 특수 이미징에서 시스템 통합까지

TDI는 더 이상 틈새 시장 애플리케이션이나 벤치마크 테스트에만 국한되지 않습니다. 산업 시스템에 대한 실질적인 통합을 목표로 하고 있습니다.

Tucsen의 Gemini TDI 시리즈는 두 가지 유형의 솔루션을 제공합니다.

1. 플래그십 모델: 프런트엔드 웨이퍼 검사 및 UV 결함 감지와 같은 고급 사용 사례를 위해 설계되었습니다. 이 모델은 높은 감도, 안정성 및 처리량을 우선시합니다.
2. 컴팩트 변형: 더 작고, 공랭식이며, 전력 소모가 적어 임베디드 시스템에 더 적합합니다. 이 모델에는 효율적인 통합을 위해 CXP(CoaXPress) 고속 인터페이스가 포함되어 있습니다.

생명 과학 분야의 고처리량 이미징부터 정밀 반도체 검사까지, 백라이트 TDI-sCMOS는 이미징 워크플로우를 개선하는 데 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다.