25.07.29.Bioluminiscences augstas caurlaidības attēlveidošanas un rūpnieciskās ātrdarbīgās vāja apgaismojuma detekcijas jomā optimāla līdzsvara sasniegšana starp attēlveidošanas ātrumu un jutību jau sen ir galvenā tehnoloģisko progresu ierobežojošā problēma. Tradicionālie lineārie vai laukuma masīvu attēlveidošanas risinājumi bieži vien saskaras ar sarežģītiem kompromisiem, apgrūtinot gan detekcijas efektivitātes, gan sistēmas veiktspējas saglabāšanu. Tā rezultātā rūpnieciskie uzlabojumi ir ievērojami ierobežoti.
Ieviešot aizmugurgaismojuma TDI-sCMOS tehnoloģiju, sāk risināt šos ierobežojumus. Šī inovatīvā tehnoloģija ne tikai novērš ātrdarbīgas attēlveidošanas fiziskos ierobežojumus vāja apgaismojuma apstākļos, bet arī paplašina savu pielietojumu ārpus dzīvības zinātnēm, iekļaujot progresīvas rūpniecības nozares, piemēram, pusvadītāju pārbaudi un precīzo ražošanu. Pateicoties šīm izmaiņām, TDI-sCMOS kļūst arvien nozīmīgāka mūsdienu rūpnieciskās attēlveidošanas lietojumprogrammās.
Šajā rakstā ir izklāstīti TDI attēlveidošanas pamatprincipi, izsekota tās attīstība un apspriesta tās pieaugošā loma rūpnieciskajās sistēmās.
TDI principu izpratne: izrāviens dinamiskajā attēlveidošanā
Laika aizkaves integrācija (TDI) ir attēlu iegūšanas tehnoloģija, kuras pamatā ir līniju skenēšanas princips, kas piedāvā divas būtiskas tehniskas funkcijas:
Sinhronā dinamiskā iegūšana
Atšķirībā no tradicionālajām apgabala kamerām, kas darbojas pēc cikla "apstāšanās–kadrs–kustība", TDI sensori kustības laikā nepārtraukti eksponē attēlus. Paraugam pārvietojoties redzes laukā, TDI sensors sinhronizē pikseļu kolonnu kustību ar objekta ātrumu. Šī sinhronizācija nodrošina nepārtrauktu ekspozīciju un dinamisko lādiņa uzkrāšanu vienam un tam pašam objektam laika gaitā, nodrošinot efektīvu attēlveidošanu pat lielā ātrumā.
TDI attēlveidošanas demonstrācija: koordinēta parauga kustība un lādiņu integrācija
Maksas domēna uzkrāšana
Katrs pikseļa kolonns pārveido ienākošo gaismu elektriskajā lādiņā, kas pēc tam tiek apstrādāts vairākos paraugu ņemšanas nolasīšanas posmos. Šis nepārtrauktais uzkrāšanas process efektīvi uzlabo vājo signālu ar koeficientu N, kur N apzīmē integrācijas līmeņu skaitu, tādējādi uzlabojot signāla un trokšņa attiecību (SNR) ierobežota apgaismojuma apstākļos.
Attēla kvalitātes ilustrācija dažādos TDI posmos
TDI tehnoloģijas evolūcija: no CCD līdz fona apgaismojuma sCMOS
TDI sensori sākotnēji tika būvēti uz CCD vai priekšējā apgaismojuma CMOS platformām, taču abām arhitektūrām bija ierobežojumi, ja tās tika izmantotas ātrai un vāja apgaismojuma attēlveidošanai.
TDI-CCD
Ar fona apgaismojumu aprīkoti TDI-CCD sensori var sasniegt kvantu efektivitāti (QE) tuvu 90 %. Tomēr to sērijveida nolasīšanas arhitektūra ierobežo attēlveidošanas ātrumu — līniju frekvence parasti paliek zem 100 kHz, bet 2K izšķirtspējas sensori darbojas aptuveni 50 kHz frekvencē.
Priekšējā apgaismojuma TDI-CMOS
Priekšējā apgaismojuma TDI-CMOS sensori piedāvā lielāku nolasīšanas ātrumu, un 8K izšķirtspējas līniju frekvence sasniedz pat 400 kHz. Tomēr strukturālie faktori ierobežo to QE, īpaši īsākā viļņu garuma diapazonā, bieži vien saglabājot to zem 60%.
Ievērojams progress tika panākts 2020. gadā, kad tika izdots Tucsen albums.Dhyana 9KTDI sCMOS kamera, TDI-sCMOS kamera ar aizmugures apgaismojumu. Tā ir ievērojams solis augstas jutības un ātrdarbīgas TDI veiktspējas apvienojumā:
-
Kvantu efektivitāte: 82 % maksimālā kvantu efektivitāte — aptuveni par 40 % augstāka nekā parastajiem priekšpuses apgaismotajiem TDI-CMOS sensoriem, padarot tos ideāli piemērotus attēlveidošanai vājā apgaismojumā.
-
Līnijas frekvence: 510 kHz pie 9K izšķirtspējas, kas atbilst datu caurlaidspējai 4,59 gigapikseļi sekundē.
Šī tehnoloģija pirmo reizi tika pielietota augstas caurlaidības fluorescences skenēšanā, kur kamera optimizētos sistēmas apstākļos 10,1 sekundē uztvēra 30 mm × 17 mm fluorescējoša parauga 2 gigapikseļu attēlu, demonstrējot ievērojamu attēlveidošanas ātruma un detaļu precizitātes pieaugumu salīdzinājumā ar tradicionālajām apgabala skenēšanas sistēmām.
AttēlsDhyana 9KTDI ar Zaber MVR motorizēto skatuvi
Mērķis10x palielinājums: 10,1 s Ekspozīcijas laiks: 3,6 ms
Attēla izmērs30 mm x 17 mm, 58 000 x 34 160 pikseļi
TDI tehnoloģijas galvenās priekšrocības
Augsta jutība
TDI sensori uzkrāj signālus vairāku ekspozīciju laikā, uzlabojot veiktspēju vājā apgaismojumā. Ar aizmugurgaismojuma TDI-sCMOS sensoriem ir sasniedzama kvantu efektivitāte virs 80%, kas atbalsta tādus sarežģītus uzdevumus kā fluorescences attēlveidošana un tumšā lauka pārbaude.
Liela ātruma veiktspēja
TDI sensori ir paredzēti augstas caurlaidības attēlveidošanai, uztverot ātri kustīgus objektus ar izcilu skaidrību. Sinhronizējot pikseļu nolasīšanu ar objekta kustību, TDI praktiski novērš kustības izplūšanu un atbalsta konveijera pārbaudi, reāllaika skenēšanu un citus augstas caurlaidības scenārijus.
Uzlabota signāla un trokšņa attiecība (SNR)
Integrējot signālus vairākos posmos, TDI sensori var radīt augstākas kvalitātes attēlus ar mazāku apgaismojumu, samazinot fotobalināšanas risku bioloģiskajos paraugos un samazinot termisko stresu jutīgos materiālos.
Samazināta jutība pret apkārtējās vides traucējumiem
Atšķirībā no laukuma skenēšanas sistēmām, TDI sensorus mazāk ietekmē apkārtējā gaisma vai atstarojumi, pateicoties to sinhronizētajai ekspozīcijai pa rindām, padarot tos izturīgākus sarežģītās rūpnieciskās vidēs.
Pielietojuma piemērs: Vafeles pārbaude
Pusvadītāju nozarē laukuma skenēšanas sCMOS kameras to ātruma un jutības dēļ bieži tika izmantotas vāja apgaismojuma noteikšanai. Tomēr šīm sistēmām var būt trūkumi:
-
Ierobežots redzes lauks: Ir jāsavieno vairāki kadri, kas rada laikietilpīgus procesus.
-
Lēnāka skenēšana: Katrai skenēšanai pirms nākamā attēla uzņemšanas jāgaida, līdz posms nomierinās.
-
Savienojuma artefakti: attēlu nepilnības un neatbilstības ietekmē skenēšanas kvalitāti.
TDI attēlveidošana palīdz risināt šīs problēmas:
-
Nepārtraukta skenēšana: TDI atbalsta lielus, nepārtrauktus skenējumus bez nepieciešamības apvienot kadrus.
-
Ātrāka datu iegūšana: Augsta līnijas frekvence (līdz 1 MHz) novērš kavēšanos starp datu ieguvēm.
-
Uzlabota attēla vienmērība: TDI līniju skenēšanas metode samazina perspektīvas kropļojumus un nodrošina ģeometrisko precizitāti visā skenēšanas laikā.
TDI VS apgabala skenēšana
IlustrācijaTDI nodrošina nepārtrauktāku un vienmērīgāku iegādes procesu.
Tucsen Gemini 8KTDI sCMOS kamera ir bijusi efektīva dziļās ultravioletās plātņu pārbaudē. Saskaņā ar Tucsen iekšējām pārbaudēm kamera sasniedz 63,9% QE pie 266 nm un ilgstošas lietošanas laikā saglabā mikroshēmas temperatūras stabilitāti 0°C līmenī, kas ir svarīgi UV starojuma jutīgām lietojumprogrammām.
Lietošanas paplašināšana: no specializētas attēlveidošanas līdz sistēmu integrācijai
TDI vairs neaprobežojas tikai ar nišas lietojumiem vai etalontestēšanu. Uzsvars ir pārvirzīts uz praktisku integrāciju rūpnieciskajās sistēmās.
Tucsen Gemini TDI sērija piedāvā divu veidu risinājumus:
1. Vadošie modeļiParedzēts sarežģītiem lietošanas gadījumiem, piemēram, priekšējās daļas vafeļu pārbaudei un UV defektu noteikšanai. Šie modeļi piešķir prioritāti augstai jutībai, stabilitātei un caurlaidspējai.
2. Kompaktie variantiMazāki, ar gaisa dzesēšanu un ar mazāku enerģijas patēriņu — piemērotāki iegultajām sistēmām. Šie modeļi ietver CXP (CoaXPress) ātrdarbīgas saskarnes racionalizētai integrācijai.
No augstas caurlaidības attēlveidošanas dzīvības zinātnēs līdz precīzai pusvadītāju pārbaudei, ar aizmugurgaismojumu aprīkotie TDI-sCMOS ieņem arvien nozīmīgāku lomu attēlveidošanas darbplūsmu uzlabošanā.
Bieži uzdotie jautājumi
1. jautājums: Kā darbojas TDI?
TDI sinhronizē lādiņa pārnesi pikseļu rindās ar objekta kustību. Objektam pārvietojoties, katra rinda uzkrāj vēl vienu ekspozīciju, palielinot jutību, īpaši vāja apgaismojuma un ātrgaitas lietojumprogrammās.
2. jautājums: Kur var izmantot TDI tehnoloģiju?
TDI ir ideāli piemērots pusvadītāju pārbaudei, fluorescences skenēšanai, PCB pārbaudei un citām augstas izšķirtspējas, ātrgaitas attēlveidošanas lietojumprogrammām, kurās ir problēmas ar kustības izplūšanu un vāju apgaismojumu.
3. jautājums: Kas jāņem vērā, izvēloties TDI kameru rūpnieciskiem lietojumiem?
Izvēloties TDI kameru, svarīgi faktori ir līnijas ātrums, kvantu efektivitāte, izšķirtspēja, spektrālā reakcija (īpaši UV vai NIR lietojumprogrammām) un termiskā stabilitāte.
Detalizētu skaidrojumu par līnijas likmes aprēķināšanu skatiet mūsu rakstā:
TDI sērija — kā aprēķināt kameras līnijas frekvenci
Tucsen Photonics Co., Ltd. Visas tiesības aizsargātas. Citējot, lūdzu, norādiet avotu:www.tucsen.com
