25/07/29Op het gebied van bioluminescentie high-throughput imaging en industriële high-speed detectie bij weinig licht is het bereiken van de optimale balans tussen beeldsnelheid en gevoeligheid lange tijd een belangrijk knelpunt geweest dat de technologische vooruitgang beperkte. Traditionele lineaire of area array imaging-oplossingen kampen vaak met lastige afwegingen, waardoor het lastig is om zowel de detectie-efficiëntie als de systeemprestaties te behouden. Hierdoor zijn industriële upgrades aanzienlijk beperkt.
De introductie van back-illuminated TDI-sCMOS-technologie begint deze beperkingen aan te pakken. Deze innovatieve technologie pakt niet alleen de fysieke beperkingen van snelle beeldvorming bij weinig licht aan, maar breidt haar toepassingen ook uit van de life sciences naar geavanceerde industriële sectoren zoals halfgeleiderinspectie en precisieproductie. Met deze ontwikkelingen wordt TDI-sCMOS steeds relevanter in moderne industriële beeldvormingstoepassingen.
In dit artikel worden de kernprincipes achter TDI-beeldvorming uiteengezet, wordt de ontwikkeling ervan beschreven en wordt de groeiende rol ervan in industriële systemen besproken.
Inzicht in de principes van TDI: een doorbraak in dynamische beeldvorming
Time Delay Integration (TDI) is een beeldacquisitietechnologie die gebaseerd is op het lijnscanprincipe en twee belangrijke technische kenmerken biedt:
Synchrone dynamische acquisitie
In tegenstelling tot traditionele camera's die werken volgens een "stop-shot-move"-cyclus, belichten TDI-sensoren continu beelden terwijl ze in beweging zijn. Terwijl het monster door het gezichtsveld beweegt, synchroniseert de TDI-sensor de beweging van de pixelkolommen met de snelheid van het object. Deze synchronisatie maakt continue belichting en dynamische ladingsaccumulatie van hetzelfde object in de loop van de tijd mogelijk, wat efficiënte beeldvorming mogelijk maakt, zelfs bij hoge snelheden.
TDI-beeldvormingsdemonstratie: gecoördineerde monsterbeweging en ladingsintegratie
Accumulatie van het ladingsdomein
Elke pixelkolom zet binnenkomend licht om in elektrische lading, die vervolgens wordt verwerkt via meerdere bemonsterings- en uitleesstappen. Dit continue accumulatieproces versterkt het zwakke signaal effectief met een factor N, waarbij N staat voor het aantal integratieniveaus, waardoor de signaal-ruisverhouding (SNR) onder beperkte lichtomstandigheden verbetert.
Illustratie van de beeldkwaliteit in verschillende TDI-fasen
Evolutie van TDI-technologie: van CCD naar back-illuminated sCMOS
TDI-sensoren werden aanvankelijk gebouwd op CCD- of front-illuminated CMOS-platforms, maar beide architecturen kenden beperkingen bij toepassing op snelle en weinig lichtopnamen.
TDI-CCD
TDI-CCD-sensoren met achtergrondverlichting kunnen een kwantumrendement (QE) van bijna 90% bereiken. Hun seriële uitleesarchitectuur beperkt echter de beeldsnelheid: lijnsnelheden blijven doorgaans onder de 100 kHz, terwijl sensoren met een resolutie van 2K op ongeveer 50 kHz werken.
Voorzijde verlichte TDI-CMOS
TDI-CMOS-sensoren met frontverlichting bieden hogere uitleessnelheden, met lijnsnelheden tot 400 kHz met een resolutie van 8K. Structurele factoren beperken echter hun QE, vooral in het kortere golflengtebereik, en blijven vaak onder de 60%.
Een opmerkelijke vooruitgang kwam in 2020 met de release van Tucsen'sDhyana 9KTDI sCMOS-camera, een TDI-sCMOS-camera met back-illuminatie. Het markeert een belangrijke stap voorwaarts in de combinatie van hoge gevoeligheid en snelle TDI-prestaties:
-
Quantum-efficiëntie: 82% piek-QE - ongeveer 40% hoger dan conventionele front-illuminated TDI-CMOS-sensoren, waardoor deze ideaal is voor opnamen bij weinig licht.
-
Lijnsnelheid: 510 kHz bij een resolutie van 9K, wat neerkomt op een gegevensdoorvoer van 4,59 gigapixels per seconde.
Deze technologie werd voor het eerst toegepast bij high-throughput fluorescentiescanning, waarbij de camera in 10,1 seconden een afbeelding van 2 gigapixels maakte van een 30 mm × 17 mm fluorescerend monster onder geoptimaliseerde systeemomstandigheden. Dit toonde aan dat de beeldsnelheid en detailgetrouwheid aanzienlijk verbeterden ten opzichte van conventionele area-scansystemen.
Afbeelding: Dhyana 9KTDI met Zaber MVR gemotoriseerd podium
Objectief: 10X Acquisitietijd: 10,1s Belichtingstijd: 3,6ms
Afbeeldingsgrootte: 30 mm x 17 mm 58.000 x 34.160 pixels
Belangrijkste voordelen van TDI-technologie
Hoge gevoeligheid
TDI-sensoren verzamelen signalen over meerdere belichtingen, wat de prestaties bij weinig licht verbetert. Met back-illuminated TDI-sCMOS-sensoren is een kwantumrendement van meer dan 80% haalbaar, wat veeleisende taken zoals fluorescentiebeeldvorming en donkerveldinspectie ondersteunt.
Hoge snelheidsprestaties
TDI-sensoren zijn ontworpen voor high-throughput beeldvorming en leggen snel bewegende objecten met uitstekende helderheid vast. Door pixeluitlezing te synchroniseren met objectbeweging, elimineert TDI vrijwel alle bewegingsonscherpte en ondersteunt het inspectie op transportbanden, realtime scannen en andere high-throughput scenario's.
Verbeterde signaal-ruisverhouding (SNR)
Door signalen over meerdere fasen te integreren, kunnen TDI-sensoren beelden van hogere kwaliteit produceren met minder belichting. Hierdoor wordt het risico op fotobleking in biologische monsters verminderd en wordt thermische stress in gevoelige materialen tot een minimum beperkt.
Verminderde gevoeligheid voor omgevingsinterferentie
In tegenstelling tot area-scansystemen worden TDI-sensoren minder beïnvloed door omgevingslicht of reflecties vanwege hun gesynchroniseerde regel-voor-regelbelichting, waardoor ze robuuster zijn in complexe industriële omgevingen.
Toepassingsvoorbeeld: Waferinspectie
In de halfgeleidersector werden area-scan sCMOS-camera's vaak gebruikt voor detectie bij weinig licht vanwege hun snelheid en gevoeligheid. Deze systemen kunnen echter nadelen hebben:
-
Beperkt gezichtsveld: Meerdere frames moeten aan elkaar worden gestikt, wat een tijdrovend proces is.
-
Langzamer scannen: Bij elke scan moet u wachten tot het stadium tot rust is gekomen voordat u de volgende afbeelding kunt vastleggen.
-
Samenvoegingsartefacten: gaten en inconsistenties in de afbeelding beïnvloeden de scankwaliteit.
TDI-beeldvorming helpt bij het aanpakken van deze uitdagingen:
-
Continu scannen: TDI ondersteunt grote, ononderbroken scans zonder dat frame stitching nodig is.
-
Snellere opname: dankzij de hoge lijnsnelheden (tot 1 MHz) zijn er geen vertragingen tussen opnames.
-
Verbeterde beelduniformiteit: de lijnscanmethode van TDI minimaliseert perspectiefvervorming en garandeert geometrische nauwkeurigheid over de gehele scan.
TDI versus gebiedsscan
Illustratie:TDI maakt een continu en soepeler acquisitieproces mogelijk
De Gemini 8KTDI sCMOS-camera van Tucsen is effectief gebleken bij de inspectie van wafers in diep ultraviolet licht. Volgens interne tests van Tucsen behaalt de camera een QE van 63,9% bij 266 nm en behoudt de chiptemperatuurstabiliteit bij 0 °C gedurende langdurig gebruik – belangrijk voor UV-gevoelige toepassingen.
Uitbreiding van het gebruik: van gespecialiseerde beeldvorming tot systeemintegratie
TDI beperkt zich niet langer tot nichetoepassingen of benchmarktests. De focus is verschoven naar praktische integratie in industriële systemen.
De Gemini TDI-serie van Tucsen biedt twee soorten oplossingen:
1. Vlaggenschipmodellen: Ontworpen voor geavanceerde toepassingen zoals front-end waferinspectie en UV-defectdetectie. Deze modellen geven prioriteit aan hoge gevoeligheid, stabiliteit en doorvoer.
2. Compacte varianten: Kleiner, luchtgekoeld en lager vermogen – geschikter voor embedded systemen. Deze modellen zijn voorzien van CXP (CoaXPress) high-speed interfaces voor gestroomlijnde integratie.
Van high-throughput imaging in de biowetenschappen tot nauwkeurige inspectie van halfgeleiders: back-illuminated TDI-sCMOS speelt een steeds belangrijkere rol bij het verbeteren van imaging-workflows.
Veelgestelde vragen
V1: Hoe werkt TDI?
TDI synchroniseert de ladingsoverdracht tussen pixelrijen met de beweging van het object. Terwijl het object beweegt, verzamelt elke rij een nieuwe belichting, waardoor de gevoeligheid toeneemt, vooral bij weinig licht en hoge snelheid.
Vraag 2: Waar kan TDI-technologie worden gebruikt?
TDI is ideaal voor de inspectie van halfgeleiders, fluorescentiescanning, PCB-inspectie en andere toepassingen waarbij hoge resolutie en hoge snelheid vereist zijn en waarbij bewegingsonscherpte en slechte verlichting een rol spelen.
Vraag 3: Waar moet ik op letten bij het kiezen van een TDI-camera voor industriële toepassingen?
Bij het selecteren van een TDI-camera zijn belangrijke factoren onder meer lijnsnelheid, kwantumrendement, resolutie, spectrale respons (met name voor UV- of NIR-toepassingen) en thermische stabiliteit.
Voor een gedetailleerde uitleg over het berekenen van de lijnsnelheid verwijzen wij u naar ons artikel:
TDI-serie – Hoe de lijnfrequentie van de camera te berekenen
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rechten voorbehouden. Vermeld bij het citeren de bron:www.tucsen.com
