TDI 기술이 산업용 이미징 분야에서 주목받는 이유

생물발광 고처리량 이미징 및 산업용 고속 저조도 검출 분야에서 이미징 속도와 감도 사이의 최적 균형을 달성하는 것은 오랫동안 기술 발전을 저해하는 핵심 병목 현상이었습니다. 기존의 선형 또는 영역 배열 이미징 솔루션은 검출 효율과 시스템 성능을 동시에 유지하기 어려운 절충점을 제시하여 산업적 업그레이드를 크게 제한해 왔습니다.

후면 발광 TDI-sCMOS 기술의 도입으로 이러한 한계들이 해결되기 시작했습니다. 이 혁신적인 기술은 저조도 환경에서의 고속 이미징의 물리적 한계를 극복할 뿐만 아니라, 생명과학 분야를 넘어 반도체 검사 및 정밀 제조와 같은 첨단 산업 분야로 응용 범위를 확장하고 있습니다. 이러한 발전과 함께 TDI-sCMOS는 현대 산업 이미징 애플리케이션에서 점점 더 중요한 위치를 차지하고 있습니다.

이 글에서는 TDI 이미징의 핵심 원리를 설명하고, 그 발전 과정을 추적하며, 산업 시스템에서 TDI 이미징의 역할이 점점 커지고 있는 점에 대해 논의합니다.

TDI 원리 이해: 동적 영상 분야의 혁신

시간 지연 적분(TDI)은 라인 스캐닝 원리를 기반으로 하는 영상 획득 기술로, 두 가지 중요한 기술적 특징을 제공합니다.

동기식 동적 획득

기존의 영역 카메라가 "정지-촬영-이동" 주기로 작동하는 것과 달리, TDI 센서는 움직이는 동안에도 이미지를 연속적으로 노출합니다. 샘플이 시야를 가로질러 이동함에 따라 TDI 센서는 픽셀 열의 움직임을 물체의 속도와 동기화합니다. 이러한 동기화를 통해 동일한 물체에 대한 연속적인 노출과 시간에 따른 동적 전하 축적이 가능해지므로 고속에서도 효율적인 이미징이 가능합니다.

TDI 이미징 시연: 시료 이동 및 전하 통합의 조화

전하 영역 축적

각 픽셀 열은 들어오는 빛을 전기 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.

TDI 단계별 이미지 품질 비교

TDI 기술의 진화: CCD에서 후면 발광 sCMOS까지

TDI 센서는 초기에는 CCD 또는 전면 조사형 CMOS 플랫폼을 기반으로 제작되었지만, 두 아키텍처 모두 고속 및 저조도 이미징에 적용할 때 한계가 있었습니다.

티디-CCD

후면 발광 방식의 TDI-CCD 센서는 90%에 가까운 양자 효율(QE)을 달성할 수 있습니다. 그러나 직렬 판독 구조로 인해 이미징 속도가 제한되어 일반적으로 라인 속도는 100kHz 미만이며, 2K 해상도 센서는 약 50kHz에서 작동합니다.

전면 조명 TDI-CMOS

전면 발광형 TDI-CMOS 센서는 최대 400kHz의 8K 해상도 라인 속도를 제공하여 더 빠른 판독 속도를 제공합니다. 그러나 구조적 요인으로 인해 양자 효율(QE)이 제한되며, 특히 단파장 영역에서 60% 미만인 경우가 많습니다.

2020년 투센의 출시와 함께 주목할 만한 발전이 이루어졌습니다.디야나 9KTDI sCMOS 카메라이는 후면 발광 TDI-sCMOS 카메라로, 높은 감도와 고속 TDI 성능을 결합하는 데 있어 상당한 도약을 의미합니다.

양자 효율: 최대 82%의 양자 효율(QE)을 달성하여 기존 전면 조사형 TDI-CMOS 센서보다 약 40% 높은 효율을 보이므로 저조도 이미징에 이상적입니다.

라인 전송률: 9K 해상도에서 510kHz로, 초당 4.59기가픽셀의 데이터 처리량에 해당합니다.

이 기술은 고처리량 형광 스캐닝에 처음 적용되었으며, 최적화된 시스템 조건에서 카메라가 30mm × 17mm 크기의 형광 샘플에 대한 2기가픽셀 이미지를 10.1초 만에 캡처하여 기존 영역 스캔 시스템에 비해 이미징 속도와 세부 정보 충실도에서 상당한 향상을 보여주었습니다.

이미지: Zaber MVR 전동 스테이지가 장착된 Dhyana 9KTDI

대물렌즈: 10배율, 촬영 시간: 10.1초, 노출 시간: 3.6밀리초

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

TDI 기술의 주요 장점

높은 감도

TDI 센서는 여러 번의 노출을 통해 신호를 축적하여 저조도 성능을 향상시킵니다. 후면 발광형 TDI-sCMOS 센서를 사용하면 80% 이상의 양자 효율을 달성할 수 있어 형광 이미징 및 암시야 검사와 같은 까다로운 작업에도 적합합니다.

고속 성능

TDI 센서는 고속으로 움직이는 물체를 뛰어난 선명도로 포착하는 고처리량 이미징에 최적화되어 있습니다. 픽셀 판독과 물체 움직임을 동기화함으로써 모션 블러 현상을 거의 완벽하게 제거하고 컨베이어 기반 검사, 실시간 스캐닝 및 기타 고처리량 시나리오를 지원합니다.

신호 대 잡음비(SNR) 향상

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

주변 간섭에 대한 민감도 감소

영역 스캔 시스템과 달리 TDI 센서는 라인별 동기화 노출 방식으로 주변광이나 반사의 영향을 덜 받기 때문에 복잡한 산업 환경에서 더욱 견고하게 작동합니다.

적용 사례: 웨이퍼 검사

반도체 분야에서는 속도와 감도가 뛰어나 저조도 환경에서 검출하기 위해 영역 스캔 방식의 sCMOS 카메라가 널리 사용되었습니다. 하지만 이러한 시스템에는 다음과 같은 단점이 있을 수 있습니다.

제한된 시야각: 여러 프레임을 이어 붙여야 하므로 시간이 많이 소요됩니다.

스캔 속도가 느립니다. 각 스캔마다 다음 이미지를 캡처하기 전에 스테이지가 안정될 때까지 기다려야 합니다.

이미지 이어붙이기 오류: 이미지 간격 및 불일치는 스캔 품질에 영향을 미칩니다.

TDI 영상은 이러한 문제들을 해결하는 데 도움이 됩니다.

연속 스캔: TDI는 프레임 스티칭 없이 대용량의 끊김 없는 스캔을 지원합니다.

더욱 빠른 데이터 획득: 높은 회선 속도(최대 1MHz)로 캡처 간 지연 시간을 없애줍니다.

향상된 이미지 균일성: TDI의 라인 스캔 방식은 원근 왜곡을 최소화하고 스캔 전체에 걸쳐 기하학적 정확도를 보장합니다.

TDI VS 영역 스캔

삽화TDI는 보다 지속적이고 원활한 데이터 수집 프로세스를 가능하게 합니다.

투센의 제미니 8KTDI sCMOS 카메라는 심자외선 웨이퍼 검사에서 효과적인 성능을 보여주었습니다. 투센의 자체 테스트에 따르면, 이 카메라는 266nm에서 63.9%의 양자 효율(QE)을 달성하며, 장시간 사용에도 0°C의 칩 온도 안정성을 유지합니다. 이는 자외선에 민감한 응용 분야에 매우 중요한 요소입니다.

활용 범위 확장: 특수 영상 촬영부터 시스템 통합까지

TDI는 더 이상 틈새 시장 애플리케이션이나 벤치마크 테스트에만 국한되지 않습니다. 이제 산업 시스템에 실질적으로 통합하는 데 초점이 맞춰지고 있습니다.

투센의 제미니 TDI 시리즈는 두 가지 유형의 솔루션을 제공합니다.

1. 플래그십 모델이 모델은 웨이퍼 전처리 검사 및 UV 결함 감지와 같은 고급 사용 사례를 위해 설계되었습니다. 높은 감도, 안정성 및 처리량을 최우선으로 고려합니다.
2. 소형 변형 모델크기가 더 작고, 공랭식이며, 전력 소모가 적어 임베디드 시스템에 더욱 적합합니다. 이 모델에는 간편한 통합을 위한 CXP(CoaXPress) 고속 인터페이스가 포함되어 있습니다.

생명과학 분야의 고처리량 이미징부터 정밀 반도체 검사에 이르기까지, 후면 발광 TDI-sCMOS는 이미징 워크플로우를 향상시키는 데 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다.