25.07.29W dziedzinie obrazowania bioluminescencyjnego o wysokiej przepustowości i przemysłowej detekcji przy słabym oświetleniu, osiągnięcie optymalnej równowagi między szybkością obrazowania a czułością od dawna stanowi główne wąskie gardło ograniczające postęp technologiczny. Tradycyjne rozwiązania obrazowania liniowego lub obszarowego często wiążą się z trudnymi kompromisami, co utrudnia utrzymanie zarówno wydajności detekcji, jak i wydajności systemu. W rezultacie modernizacje przemysłowe zostały znacznie ograniczone.
Wprowadzenie technologii TDI-sCMOS z tylnym podświetleniem zaczyna eliminować te ograniczenia. Ta innowacyjna technologia nie tylko eliminuje fizyczne ograniczenia szybkiego obrazowania w warunkach słabego oświetlenia, ale także rozszerza swoje zastosowania poza nauki przyrodnicze, obejmując zaawansowane sektory przemysłu, takie jak inspekcja półprzewodników i produkcja precyzyjna. Dzięki tym osiągnięciom technologia TDI-sCMOS zyskuje coraz większe znaczenie w nowoczesnych zastosowaniach obrazowania przemysłowego.
W tym artykule omówiono podstawowe zasady obrazowania TDI, jego ewolucję i rosnącą rolę w systemach przemysłowych.
Zrozumienie zasad TDI: przełom w obrazowaniu dynamicznym
Time Delay Integration (TDI) to technologia akwizycji obrazu oparta na zasadzie skanowania liniowego, która oferuje dwie istotne cechy techniczne:
Synchroniczne dynamiczne pozyskiwanie
W przeciwieństwie do tradycyjnych kamer terenowych, które działają w cyklu „stop-shot-move”, czujniki TDI naświetlają obrazy w ruchu w sposób ciągły. Gdy próbka przemieszcza się w polu widzenia, czujnik TDI synchronizuje ruch kolumn pikseli z prędkością obiektu. Ta synchronizacja umożliwia ciągłą ekspozycję i dynamiczną akumulację ładunku tego samego obiektu w czasie, umożliwiając wydajne obrazowanie nawet przy dużych prędkościach.
Demonstracja obrazowania TDI: skoordynowany ruch próbki i integracja ładunku
Akumulacja domeny opłat
Każda kolumna pikseli przetwarza padające światło na ładunek elektryczny, który następnie jest przetwarzany w wielu etapach odczytu próbkowania. Ten ciągły proces akumulacji skutecznie wzmacnia słaby sygnał o współczynnik N, gdzie N oznacza liczbę poziomów integracji, poprawiając stosunek sygnału do szumu (SNR) w warunkach ograniczonego oświetlenia.
Ilustracja jakości obrazu na różnych etapach TDI
Ewolucja technologii TDI: od CCD do podświetlanych od tyłu matryc sCMOS
Czujniki TDI były początkowo budowane na platformach CCD lub CMOS z przednim podświetleniem, ale obie architektury miały ograniczenia w stosowaniu do szybkiego obrazowania przy słabym oświetleniu.
TDI-CCD
Podświetlane od tyłu matryce TDI-CCD mogą osiągać sprawność kwantową (QE) bliską 90%. Jednak ich architektura odczytu szeregowego ogranicza prędkość obrazowania – częstotliwość liniowa zazwyczaj nie przekracza 100 kHz, a matryce o rozdzielczości 2K działają z częstotliwością około 50 kHz.
Podświetlany od przodu TDI-CMOS
Podświetlane od przodu matryce TDI-CMOS oferują wyższą prędkość odczytu, a częstotliwość odświeżania linii w rozdzielczości 8K sięga nawet 400 kHz. Jednak czynniki konstrukcyjne ograniczają ich QE, szczególnie w zakresie krótszych fal, często utrzymując ją poniżej 60%.
W 2020 roku nastąpił znaczący postęp wraz z wydaniem TucsenKamera Dhyana 9KTDI sCMOS, kamera TDI-sCMOS z tylnym podświetleniem. Stanowi ona znaczący krok naprzód w łączeniu wysokiej czułości z szybkością działania TDI:
-
Wydajność kwantowa: 82% szczytowej wydajności kwantowej — około 40% wyższa niż w przypadku konwencjonalnych podświetlanych od przodu czujników TDI-CMOS, co sprawia, że idealnie nadaje się do obrazowania przy słabym oświetleniu.
-
Szybkość transmisji: 510 kHz przy rozdzielczości 9K, co przekłada się na przepustowość danych na poziomie 4,59 gigapikseli na sekundę.
Technologię tę zastosowano po raz pierwszy w skanowaniu fluorescencji o wysokiej przepustowości, gdzie kamera uchwyciła obraz o rozdzielczości 2 gigapikseli próbki fluorescencyjnej o wymiarach 30 mm × 17 mm w ciągu 10,1 sekundy w zoptymalizowanych warunkach systemowych, co stanowiło znaczący wzrost szybkości obrazowania i wierności szczegółów w porównaniu z konwencjonalnymi systemami skanowania obszarowego.
Obraz:Dhyana 9KTDI ze zmotoryzowaną sceną Zaber MVR
Cel: 10X Czas akwizycji: 10,1 s Czas ekspozycji: 3,6 ms
Rozmiar obrazu: 30 mm x 17 mm 58 000 x 34 160 pikseli
Główne zalety technologii TDI
Wysoka czułość
Czujniki TDI akumulują sygnały w trakcie wielokrotnych ekspozycji, poprawiając wydajność w warunkach słabego oświetlenia. Dzięki podświetlanym od tyłu czujnikom TDI-sCMOS możliwe jest osiągnięcie wydajności kwantowej powyżej 80%, co ułatwia realizację wymagających zadań, takich jak obrazowanie fluorescencyjne i inspekcja w ciemnym polu.
Wysoka prędkość
Czujniki TDI zostały zaprojektowane do obrazowania o wysokiej przepustowości, rejestrując szybko poruszające się obiekty z doskonałą wyrazistością. Synchronizując odczyt pikseli z ruchem obiektu, TDI praktycznie eliminuje rozmycie obrazu i obsługuje inspekcję na taśmociągach, skanowanie w czasie rzeczywistym i inne scenariusze wymagające wysokiej przepustowości.
Poprawiony stosunek sygnału do szumu (SNR)
Dzięki integracji sygnałów na wielu etapach czujniki TDI mogą wytwarzać obrazy o wyższej jakości przy mniejszym oświetleniu, co zmniejsza ryzyko fotowybielania w próbkach biologicznych i minimalizuje naprężenia cieplne w materiałach wrażliwych.
Zmniejszona podatność na zakłócenia otoczenia
W przeciwieństwie do systemów skanowania obszarowego, czujniki TDI są mniej wrażliwe na światło otoczenia i odbicia dzięki zsynchronizowanej ekspozycji linia po linii, co sprawia, że są bardziej odporne na trudne warunki przemysłowe.
Przykład zastosowania: Inspekcja płytek półprzewodnikowych
W sektorze półprzewodników kamery sCMOS ze skanowaniem obszarowym były powszechnie stosowane do detekcji w warunkach słabego oświetlenia ze względu na swoją szybkość i czułość. Systemy te mogą jednak mieć pewne wady:
-
Ograniczone pole widzenia: Konieczne jest zszycie wielu klatek, co jest procesem czasochłonnym.
-
Wolniejsze skanowanie: Każde skanowanie wymaga odczekania, aż scena się uspokoi, przed przechwyceniem kolejnego obrazu.
-
Artefakty powstałe w wyniku zszywania: przerwy w obrazie i niespójności wpływają na jakość skanu.
Obrazowanie TDI pomaga sprostać następującym wyzwaniom:
-
Ciągłe skanowanie: TDI obsługuje duże, nieprzerwane skanowanie bez konieczności łączenia klatek.
-
Szybsze przechwytywanie: Wysoka przepustowość linii (do 1 MHz) eliminuje opóźnienia pomiędzy przechwytywaniami.
-
Lepsza jednorodność obrazu: metoda skanowania liniowego TDI minimalizuje zniekształcenia perspektywy i gwarantuje dokładność geometryczną na całej długości skanu.
TDI kontra skanowanie obszaru
Ilustracja:TDI umożliwia bardziej ciągły i płynny proces akwizycji
Kamera Tucsen Gemini 8KTDI sCMOS sprawdziła się w inspekcji płytek w głębokim ultrafiolecie. Według wewnętrznych testów Tucsen, kamera osiąga 63,9% QE przy 266 nm i utrzymuje stabilność temperatury układu na poziomie 0°C podczas długotrwałego użytkowania, co jest istotne w przypadku zastosowań wrażliwych na promieniowanie UV.
Rozszerzanie zastosowań: od specjalistycznego obrazowania do integracji systemów
TDI nie ogranicza się już do niszowych zastosowań ani testów porównawczych. Nacisk przesunął się na praktyczną integrację z systemami przemysłowymi.
Seria Gemini TDI firmy Tucsen oferuje dwa rodzaje rozwiązań:
1. Modele flagoweZaprojektowane do zaawansowanych zastosowań, takich jak inspekcja płytek półprzewodnikowych i wykrywanie defektów UV. Modele te stawiają na wysoką czułość, stabilność i przepustowość.
2. Warianty kompaktowe: Mniejsze, chłodzone powietrzem i o niższej mocy – bardziej odpowiednie do systemów wbudowanych. Modele te zawierają szybkie interfejsy CXP (CoaXPress) dla usprawnionej integracji.
Od obrazowania o wysokiej przepustowości w naukach przyrodniczych po precyzyjną kontrolę półprzewodników, podświetlane od tyłu matryce TDI-sCMOS odgrywają coraz ważniejszą rolę w usprawnianiu procesów obrazowania.
Często zadawane pytania
P1: Jak działa TDI?
Technologia TDI synchronizuje transfer ładunku między rzędami pikseli z ruchem obiektu. W miarę jak obiekt się porusza, każdy rząd gromadzi kolejną ekspozycję, zwiększając czułość, szczególnie w warunkach słabego oświetlenia i dużej prędkości.
P2: Gdzie można zastosować technologię TDI?
Technologia TDI doskonale sprawdza się w przypadku kontroli półprzewodników, skanowania fluorescencyjnego, kontroli płytek PCB i innych zastosowań wymagających obrazowania o wysokiej rozdzielczości i dużej prędkości, w których problemem może być rozmycie obrazu w ruchu i słabe oświetlenie.
P3: Na co powinienem zwrócić uwagę przy wyborze kamery TDI do zastosowań przemysłowych?
Przy wyborze kamery TDI należy brać pod uwagę takie czynniki, jak szybkość transmisji, wydajność kwantowa, rozdzielczość, odpowiedź widmowa (szczególnie w przypadku zastosowań UV lub NIR) i stabilność termiczna.
Szczegółowe wyjaśnienie sposobu obliczania prędkości łącza można znaleźć w naszym artykule:
Seria TDI – Jak obliczyć częstotliwość liniową kamery
Tucsen Photonics Co., Ltd. Wszelkie prawa zastrzeżone. Przy cytowaniu prosimy o podanie źródła:www.tucsen.com
