25/07/29Innen bioluminescens-høykapasitetsavbildning og industriell høyhastighetsdeteksjon i svakt lys har det lenge vært en flaskehals som begrenser teknologisk fremgang å oppnå optimal balanse mellom avbildningshastighet og -følsomhet. Tradisjonelle lineære eller arealmatriseavbildningsløsninger står ofte overfor vanskelige avveininger, noe som gjør det utfordrende å opprettholde både deteksjonseffektivitet og systemytelse. Som et resultat har industrielle oppgraderinger blitt betydelig begrenset.
Innføringen av bakbelyst TDI-sCMOS-teknologi begynner å adressere disse begrensningene. Denne innovative teknologien adresserer ikke bare de fysiske begrensningene ved høyhastighetsavbildning under dårlige lysforhold, men utvider også bruksområdene utover biovitenskap til avanserte industrisektorer som halvlederinspeksjon og presisjonsproduksjon. Med denne utviklingen blir TDI-sCMOS stadig mer relevant i moderne industrielle avbildningsapplikasjoner.
Denne artikkelen skisserer kjerneprinsippene bak TDI-avbildning, sporer utviklingen og diskuterer dens voksende rolle i industrielle systemer.
Forstå prinsippene for TDI: Et gjennombrudd innen dynamisk avbildning
Time Delay Integration (TDI) er en bildeopptaksteknologi basert på linjeskanningsprinsippet som tilbyr to viktige tekniske funksjoner:
Synkron dynamisk akkvisisjon
I motsetning til tradisjonelle områdekameraer som opererer med en "stopp-bilde-bevegelse"-syklus, eksponerer TDI-sensorer kontinuerlig bilder mens de er i bevegelse. Når prøven beveger seg over synsfeltet, synkroniserer TDI-sensoren pikselkolonnenes bevegelse med objektets hastighet. Denne synkroniseringen muliggjør kontinuerlig eksponering og dynamisk ladningsakkumulering av det samme objektet over tid, noe som gir effektiv avbildning selv ved høye hastigheter.
TDI-avbildningsdemonstrasjon: Koordinert prøvebevegelse og ladningsintegrasjon
Akkumulering av ladningsdomene
Hver pikselsøyle konverterer innkommende lys til elektrisk ladning, som deretter behandles gjennom flere samplingsavlesningstrinn. Denne kontinuerlige akkumuleringsprosessen forsterker effektivt det svake signalet med en faktor på N, der N representerer antall integrasjonsnivåer, noe som forbedrer signal-til-støy-forholdet (SNR) under begrensede lysforhold.
Illustrasjon av bildekvalitet ved ulike TDI-stadier
Utviklingen av TDI-teknologi: Fra CCD til bakbelyst sCMOS
TDI-sensorer ble opprinnelig bygget på CCD- eller frontbelyste CMOS-plattformer, men begge arkitekturene hadde begrensninger når de ble brukt til rask avbildning i svakt lys.
TDI-CCD
Bakbelyste TDI-CCD-sensorer kan oppnå kvanteeffektivitet (QE) nærmere 90 %. Den serielle avlesningsarkitekturen begrenser imidlertid bildehastigheten – linjehastighetene holder seg vanligvis under 100 kHz, med sensorer med 2K-oppløsning som opererer på omtrent 50 kHz.
Frontbelyst TDI-CMOS
Frontbelyste TDI-CMOS-sensorer tilbyr raskere avlesningshastigheter, med linjehastigheter med 8K-oppløsning som når opptil 400 kHz. Strukturelle faktorer begrenser imidlertid QE-en deres, spesielt i det kortere bølgelengdeområdet, og holder den ofte under 60 %.
Et bemerkelsesverdig fremskritt kom i 2020 med lanseringen av TucsensDhyana 9KTDI sCMOS-kamera, et bakgrunnsbelyst TDI-sCMOS-kamera. Det markerer et betydelig sprang i å kombinere høy følsomhet med høyhastighets TDI-ytelse:
-
Kvanteeffektivitet: 82 % topp QE – omtrent 40 % høyere enn konvensjonelle frontbelyste TDI-CMOS-sensorer, noe som gjør den ideell for avbildning i svakt lys.
-
Linjehastighet: 510 kHz ved 9K-oppløsning, noe som tilsvarer en datagjennomstrømning på 4,59 gigapiksler per sekund.
Denne teknologien ble først brukt i høykapasitets fluorescensskanning, der kameraet tok et 2-gigapikselbilde av en 30 mm × 17 mm fluorescerende prøve på 10,1 sekunder under optimaliserte systemforhold, noe som demonstrerte betydelige gevinster i bildehastighet og detaljgjengivelse i forhold til konvensjonelle områdeskanningssystemer.
BildeDhyana 9KTDI med Zaber MVR motorisert scene
Objektiv10X Opptakstid: 10,1 s Eksponeringstid: 3,6 ms
Bildestørrelse30 mm x 17 mm 58 000 x 34 160 piksler
Viktige fordeler med TDI-teknologi
Høy følsomhet
TDI-sensorer akkumulerer signaler over flere eksponeringer, noe som forbedrer ytelsen i svakt lys. Med bakgrunnsbelyste TDI-sCMOS-sensorer er kvanteeffektivitet på over 80 % oppnåelig, noe som støtter krevende oppgaver som fluorescensavbildning og mørkfeltinspeksjon.
Høyhastighetsytelse
TDI-sensorer er utviklet for høykapasitetsbilder, og fanger opp objekter i rask bevegelse med utmerket klarhet. Ved å synkronisere pikselavlesning med objektbevegelse eliminerer TDI praktisk talt bevegelsesuskarphet og støtter transportbåndbasert inspeksjon, sanntidsskanning og andre scenarier med høy kapasitet.
Forbedret signal-til-støy-forhold (SNR)
Ved å integrere signaler på tvers av flere stadier, kan TDI-sensorer produsere bilder av høyere kvalitet med mindre belysning, noe som reduserer risikoen for fotobleking i biologiske prøver og minimerer termisk stress i sensitive materialer.
Redusert mottakelighet for omgivelsesforstyrrelser
I motsetning til områdeskanningssystemer påvirkes TDI-sensorer mindre av omgivelseslys eller refleksjoner på grunn av deres synkroniserte linje-for-linje-eksponering, noe som gjør dem mer robuste i komplekse industrielle miljøer.
Eksempel på bruk: Inspeksjon av skiver
I halvledersektoren ble sCMOS-kameraer med områdeskannende funksjon ofte brukt til deteksjon i svakt lys på grunn av hastigheten og følsomheten. Disse systemene kan imidlertid ha ulemper:
-
Begrenset synsfelt: Flere rammer må sys sammen, noe som resulterer i tidkrevende prosesser.
-
Tregere skanning: Hver skanning krever at man venter på at scenen skal stabilisere seg før man tar det neste bildet.
-
Sammenføyningsartefakter: Bildehull og inkonsekvenser påvirker skannekvaliteten.
TDI-avbildning bidrar til å løse disse utfordringene:
-
Kontinuerlig skanning: TDI støtter store, uavbrutte skanninger uten behov for rammesammenføyning.
-
Raskere opptak: Høye linjehastigheter (opptil 1 MHz) eliminerer forsinkelser mellom opptak.
-
Forbedret bildeuniformitet: TDIs linjeskanningsmetode minimerer perspektivforvrengning og sikrer geometrisk nøyaktighet over hele skanningen.
TDI VS områdeskanning
IllustrasjonTDI muliggjør en mer kontinuerlig og smidig anskaffelsesprosess
Tucsens Gemini 8KTDI sCMOS-kamera har vært effektivt i dyp ultrafiolett waferinspeksjon. I følge Tucsens interne testing oppnår kameraet 63,9 % QE ved 266 nm og opprettholder brikketemperaturstabilitet ved 0 °C over lengre tids bruk – viktig for UV-følsomme applikasjoner.
Utvidet bruk: Fra spesialisert bildebehandling til systemintegrasjon
TDI er ikke lenger begrenset til nisjeapplikasjoner eller benchmark-testing. Fokuset har flyttet seg mot praktisk integrering i industrielle systemer.
Tucsens Gemini TDI-serie tilbyr to typer løsninger:
1. FlaggskipmodellerUtviklet for avanserte bruksområder som inspeksjon av front-end wafere og UV-defektdeteksjon. Disse modellene prioriterer høy følsomhet, stabilitet og gjennomstrømning.
2. Kompakte varianterMindre, luftkjølte og med lavere strømforbruk – mer egnet for innebygde systemer. Disse modellene inkluderer CXP (CoaXPress) høyhastighetsgrensesnitt for strømlinjeformet integrering.
Fra høykapasitetsavbildning innen biovitenskap til presisjonsinspeksjon av halvledere spiller bakbelyst TDI-sCMOS en stadig viktigere rolle i å forbedre avbildningsarbeidsflyter.
Vanlige spørsmål
Spørsmål 1: Hvordan fungerer TDI?
TDI synkroniserer ladningsoverføring på tvers av pikselrader med objektets bevegelse. Etter hvert som objektet beveger seg, akkumuleres en ny eksponering for hver rad, noe som øker følsomheten, spesielt i applikasjoner med lite lys og høy hastighet.
Q2: Hvor kan TDI-teknologi brukes?
TDI er ideell for halvlederinspeksjon, fluorescensskanning, PCB-inspeksjon og andre høyoppløselige, høyhastighets bildebehandlingsapplikasjoner der bevegelsesuskarphet og lav belysning er bekymringsverdig.
Q3: Hva bør jeg vurdere når jeg velger et TDI-kamera for industrielle applikasjoner?
Når du velger et TDI-kamera, inkluderer viktige faktorer linjehastighet, kvanteeffektivitet, oppløsning, spektralrespons (spesielt for UV- eller NIR-applikasjoner) og termisk stabilitet.
For en detaljert forklaring på hvordan du beregner linjerente, se artikkelen vår:
TDI-serien – Slik beregner du kameraets linjefrekvens
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rettigheter forbeholdt. Vennligst oppgi kilden ved sitering:www.tucsen.com
