2025/07/29Op het gebied van bioluminescentie-beeldvorming met hoge doorvoer en industriële snelle detectie bij weinig licht, is het vinden van de optimale balans tussen beeldvormingssnelheid en gevoeligheid al lange tijd een belangrijk knelpunt dat de technologische vooruitgang beperkt. Traditionele lineaire of vlakarray-beeldvormingsoplossingen staan vaak voor lastige compromissen, waardoor het een uitdaging is om zowel de detectie-efficiëntie als de systeemprestaties te handhaven. Als gevolg hiervan zijn industriële upgrades aanzienlijk beperkt gebleven.
De introductie van back-illuminated TDI-sCMOS-technologie biedt een oplossing voor deze beperkingen. Deze innovatieve technologie pakt niet alleen de fysieke beperkingen van snelle beeldvorming bij weinig licht aan, maar breidt de toepassingen ervan ook uit van de biowetenschappen naar geavanceerde industriële sectoren zoals halfgeleiderinspectie en precisieproductie. Dankzij deze ontwikkelingen wordt TDI-sCMOS steeds relevanter voor moderne industriële beeldvormingstoepassingen.
Dit artikel beschrijft de kernprincipes achter TDI-beeldvorming, volgt de evolutie ervan en bespreekt de groeiende rol ervan in industriële systemen.
De principes van TDI begrijpen: een doorbraak in dynamische beeldvorming
Time Delay Integration (TDI) is een beeldacquisitietechnologie gebaseerd op het lijnscanprincipe die twee belangrijke technische kenmerken biedt:
Synchrone dynamische acquisitie
In tegenstelling tot traditionele vlakcamera's die werken volgens een "stop-shot-move"-cyclus, leggen TDI-sensoren continu beelden vast terwijl het object in beweging is. Terwijl het object door het beeldveld 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, waardoor zelfs bij hoge snelheden efficiënte beeldvorming mogelijk is.
TDI-beeldvormingsdemonstratie: gecoördineerde monsterbeweging en ladingsintegratie
Accumulatie van ladingsdomeinen
Elke pixelkolom zet binnenkomend licht om in elektrische lading, die vervolgens wordt verwerkt via meerdere bemonsterings- en uitleesfasen. Dit continue accumulatieproces versterkt het zwakke signaal effectief met een factor N, waarbij N het aantal integratieniveaus vertegenwoordigt, waardoor de signaal-ruisverhouding (SNR) onder beperkte lichtomstandigheden wordt verbeterd.
Illustratie van de beeldkwaliteit in verschillende TDI-fasen
De 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 hadden beperkingen bij toepassing op snelle beeldvorming en beeldvorming bij weinig licht.
TDI-CCD
Sensoren met achtergrondverlichting in de vorm van TDI-CCD's kunnen een kwantumrendement (QE) van bijna 90% bereiken. Hun seriële uitleesarchitectuur beperkt echter de beeldvormingssnelheid: de lijnsnelheid blijft doorgaans onder de 100 kHz, waarbij sensoren met een resolutie van 2K werken op ongeveer 50 kHz.
Front-Illuminated TDI-CMOS
Front-illuminated TDI-CMOS-sensoren bieden snellere uitleessnelheden, met lijnsnelheden tot 400 kHz bij een resolutie van 8K. Structurele factoren beperken echter hun kwantumrendement (QE), met name in het kortere golflengtebereik, waardoor dit vaak onder de 60% blijft.
Een opmerkelijke vooruitgang werd geboekt in 2020 met de release van Tucsen'sDhyana 9KTDI sCMOS-camera, een TDI-sCMOS-camera met achtergrondverlichting. Het is een belangrijke stap voorwaarts in de combinatie van hoge gevoeligheid met snelle TDI-prestaties:
-
Kwantumrendement: 82% piek-QE – circa 40% hoger dan conventionele front-illuminated TDI-CMOS-sensoren, waardoor deze ideaal is voor beeldvorming bij weinig licht.
-
Lijnfrequentie: 510 kHz bij een resolutie van 9K, wat neerkomt op een gegevensdoorvoer van 4,59 gigapixel per seconde.
Deze technologie werd voor het eerst toegepast in snelle fluorescentiescans, waarbij de camera onder geoptimaliseerde systeemomstandigheden in 10,1 seconden een afbeelding van 2 gigapixel vastlegde van een fluorescerend monster van 30 mm × 17 mm. Dit toonde aanzienlijke verbeteringen in beeldsnelheid en detailgetrouwheid ten opzichte van conventionele vlakscansystemen.
Afbeelding: Dhyana 9KTDI met Zaber MVR gemotoriseerd podium
Doelstelling: 10x Vergroting Opnametijd: 10,1 s Belichtingstijd: 3,6 ms
Afbeeldingsgrootte: 30 mm x 17 mm, 58.000 x 34.160 pixels
Belangrijkste voordelen van TDI-technologie
Hoge gevoeligheid
TDI-sensoren accumuleren signalen over meerdere belichtingen, waardoor de prestaties bij weinig licht verbeteren. Met achtergrondverlichte 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 beeldvorming met hoge doorvoer en leggen snel bewegende objecten vast met uitstekende helderheid. Door de pixeluitlezing te synchroniseren met de beweging van het object, elimineert TDI vrijwel volledig bewegingsonscherpte en ondersteunt het inspectie op transportbanden, realtime scannen en andere scenario's met hoge doorvoer.
Verbeterde signaal-ruisverhouding (SNR)
Door signalen uit meerdere fasen te integreren, kunnen TDI-sensoren beelden van hogere kwaliteit produceren met minder verlichting, waardoor het risico op fotobleaching in biologische monsters wordt verminderd en thermische belasting in gevoelige materialen wordt geminimaliseerd.
Verminderde gevoeligheid voor omgevingsinterferentie
In tegenstelling tot gebiedsscansystemen worden TDI-sensoren minder beïnvloed door omgevingslicht of reflecties vanwege hun gesynchroniseerde lijn-voor-lijn belichting, waardoor ze robuuster zijn in complexe industriële omgevingen.
Toepassingsvoorbeeld: Waferinspectie
In de halfgeleidersector werden area-scan sCMOS-camera's veelvuldig 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 geplakt, wat tot tijdrovende processen leidt.
-
Langzamer scannen: Bij elke scan moet er gewacht worden tot het platform gestabiliseerd is voordat de volgende afbeelding kan worden vastgelegd.
-
Artefacten bij het samenvoegen van afbeeldingen: Gaten en inconsistenties in de afbeelding beïnvloeden de scankwaliteit.
TDI-beeldvorming helpt deze uitdagingen aan te pakken:
-
Continu scannen: TDI ondersteunt grote, ononderbroken scans zonder dat frames aan elkaar geplakt hoeven te worden.
-
Snellere gegevensverwerving: Hoge lijnsnelheden (tot 1 MHz) elimineren vertragingen tussen opnames.
-
Verbeterde beelduniformiteit: TDI's lijnscanmethode minimaliseert perspectiefvervorming en garandeert geometrische nauwkeurigheid over de gehele scan.
TDI versus gebiedsscan
IllustratieTDI maakt een continu en soepel acquisitieproces mogelijk.
De Tucsen Gemini 8KTDI sCMOS-camera is effectief gebleken bij de inspectie van wafers met diep ultraviolet licht. Volgens interne tests van Tucsen behaalt de camera een kwantumrendement van 63,9% bij 266 nm en blijft de chiptemperatuur stabiel op 0 °C gedurende langdurig gebruik – wat belangrijk is voor UV-gevoelige toepassingen.
Uitbreiding van het gebruik: van gespecialiseerde beeldvorming tot systeemintegratie
TDI is niet langer beperkt 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. TopmodellenOntworpen voor geavanceerde toepassingen zoals front-end waferinspectie en UV-defectdetectie. Deze modellen geven prioriteit aan hoge gevoeligheid, stabiliteit en doorvoer.
2. Compacte variantenKleiner, luchtgekoeld en energiezuiniger – meer geschikt voor embedded systemen. Deze modellen zijn voorzien van CXP (CoaXPress) hogesnelheidsinterfaces voor een gestroomlijnde integratie.
Van high-throughput beeldvorming in de biowetenschappen tot precisie-inspectie van halfgeleiders: back-illuminated TDI-sCMOS speelt een steeds belangrijkere rol bij het verbeteren van beeldvormingsworkflows.
Veelgestelde vragen
Vraag 1: Hoe werkt TDI?
TDI synchroniseert de ladingsoverdracht tussen pixelrijen met de beweging van het object. Naarmate het object beweegt, accumuleert elke rij een extra belichting, waardoor de gevoeligheid toeneemt, met name bij weinig licht en hoge snelheden.
Vraag 2: Waar kan TDI-technologie worden gebruikt?
TDI is ideaal voor inspectie van halfgeleiders, fluorescentiescanning, inspectie van printplaten en andere toepassingen met hoge resolutie en hoge snelheid waarbij bewegingsonscherpte en weinig licht een probleem vormen.
Vraag 3: Waar moet ik op letten bij het kiezen van een TDI-camera voor industriële toepassingen?
Bij de keuze voor een TDI-camera zijn belangrijke factoren onder meer de lijnsnelheid, het kwantumrendement, de resolutie, de spectrale respons (vooral voor UV- of NIR-toepassingen) en de thermische stabiliteit.
Voor een gedetailleerde uitleg over het berekenen van het lijntarief, raadpleeg ons artikel:
