25/07/29Nas áreas de geração de imagens de alto rendimento por bioluminescência e detecção industrial de alta velocidade em baixa luminosidade, alcançar o equilíbrio ideal entre velocidade e sensibilidade da imagem tem sido, há muito tempo, um gargalo fundamental que limita o progresso tecnológico. As soluções tradicionais de geração de imagens lineares ou de matriz de área frequentemente enfrentam compensações difíceis, dificultando a manutenção da eficiência da detecção e do desempenho do sistema. Como resultado, as atualizações industriais têm sido significativamente limitadas.
A introdução da tecnologia TDI-sCMOS retroiluminada está começando a abordar essas limitações. Essa tecnologia inovadora não apenas aborda as limitações físicas da geração de imagens de alta velocidade em condições de baixa luminosidade, mas também expande suas aplicações para além das ciências biológicas, abrangendo setores industriais avançados, como inspeção de semicondutores e manufatura de precisão. Com esses desenvolvimentos, o TDI-sCMOS está se tornando cada vez mais relevante em aplicações modernas de geração de imagens industriais.
Este artigo descreve os princípios básicos por trás da geração de imagens TDI, acompanha sua evolução e discute seu crescente papel em sistemas industriais.
Compreendendo os princípios do TDI: um avanço na geração de imagens dinâmicas
A Integração de Atraso de Tempo (TDI) é uma tecnologia de aquisição de imagens baseada no princípio de varredura de linha que oferece dois recursos técnicos significativos:
Aquisição Dinâmica Síncrona
Ao contrário das câmeras de área tradicionais, que operam em um ciclo de "parar-disparar-mover", os sensores TDI expõem imagens continuamente em movimento. À medida que a amostra se move pelo campo de visão, o sensor TDI sincroniza o movimento das colunas de pixels com a velocidade do objeto. Essa sincronização permite a exposição contínua e o acúmulo dinâmico de carga do mesmo objeto ao longo do tempo, permitindo imagens eficientes mesmo em altas velocidades.
Demonstração de imagens TDI: movimento coordenado de amostra e integração de carga
Acumulação de Domínio de Carga
Cada coluna de pixels converte a luz incidente em carga elétrica, que é então processada por meio de múltiplos estágios de leitura de amostragem. Esse processo de acumulação contínua amplifica efetivamente o sinal fraco por um fator N, onde N representa o número de níveis de integração, melhorando a relação sinal-ruído (SNR) em condições de iluminação limitadas.
Ilustração da qualidade da imagem em diferentes estágios do TDI
Evolução da tecnologia TDI: do CCD ao sCMOS retroiluminado
Os sensores TDI foram inicialmente construídos em plataformas CCD ou CMOS com iluminação frontal, mas ambas as arquiteturas tinham limitações quando aplicadas a imagens rápidas e com pouca luz.
TDI-CCD
Sensores TDI-CCD retroiluminados podem atingir eficiências quânticas (QE) próximas a 90%. No entanto, sua arquitetura de leitura serial restringe a velocidade da imagem — as taxas de linha normalmente permanecem abaixo de 100 kHz, com sensores de resolução 2K operando a cerca de 50 kHz.
TDI-CMOS com iluminação frontal
Sensores TDI-CMOS com iluminação frontal oferecem velocidades de leitura mais rápidas, com taxas de linha de resolução 8K atingindo até 400 kHz. No entanto, fatores estruturais limitam seu QE, especialmente na faixa de comprimento de onda mais curta, frequentemente mantendo-o abaixo de 60%.
Um avanço notável ocorreu em 2020 com o lançamento de TucsenCâmera Dhyana 9KTDI sCMOS, uma câmera TDI-sCMOS com retroiluminação. Ela representa um avanço significativo na combinação de alta sensibilidade com desempenho TDI de alta velocidade:
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Eficiência quântica: QE de pico de 82% — aproximadamente 40% maior que os sensores TDI-CMOS convencionais com iluminação frontal, tornando-o ideal para imagens com pouca luz.
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Taxa de linha: 510 kHz em resolução 9K, o que significa uma taxa de transferência de dados de 4,59 gigapixels por segundo.
Essa tecnologia foi aplicada pela primeira vez em varredura de fluorescência de alto rendimento, onde a câmera capturou uma imagem de 2 gigapixels de uma amostra fluorescente de 30 mm × 17 mm em 10,1 segundos sob condições otimizadas do sistema, demonstrando ganhos substanciais na velocidade da imagem e fidelidade de detalhes em relação aos sistemas convencionais de varredura de área.
Imagem: Dhyana 9KTDI com estágio motorizado Zaber MVR
Objetivo: 10X Tempo de aquisição: 10,1s Tempo de exposição: 3,6ms
Tamanho da imagem: 30 mm x 17 mm 58.000 x 34.160 pixels
Principais vantagens da tecnologia TDI
Alta Sensibilidade
Os sensores TDI acumulam sinais em múltiplas exposições, aprimorando o desempenho em condições de baixa luminosidade. Com sensores TDI-sCMOS retroiluminados, é possível atingir eficiência quântica acima de 80%, o que suporta tarefas exigentes como imagens de fluorescência e inspeção em campo escuro.
Desempenho de alta velocidade
Os sensores TDI são projetados para imagens de alto rendimento, capturando objetos em movimento rápido com excelente nitidez. Ao sincronizar a leitura de pixels com o movimento do objeto, o TDI praticamente elimina o desfoque de movimento e suporta inspeção baseada em esteira, varredura em tempo real e outros cenários de alto rendimento.
Relação sinal-ruído (SNR) melhorada
Ao integrar sinais em vários estágios, os sensores TDI podem produzir imagens de maior qualidade com menos iluminação, reduzindo os riscos de fotobranqueamento em amostras biológicas e minimizando o estresse térmico em materiais sensíveis.
Suscetibilidade reduzida à interferência ambiental
Ao contrário dos sistemas de varredura de área, os sensores TDI são menos afetados pela luz ambiente ou reflexos devido à sua exposição sincronizada linha por linha, tornando-os mais robustos em ambientes industriais complexos.
Exemplo de aplicação: inspeção de wafers
No setor de semicondutores, câmeras sCMOS de varredura de área eram comumente usadas para detecção em condições de baixa luminosidade devido à sua velocidade e sensibilidade. No entanto, esses sistemas podem apresentar desvantagens:
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Campo de visão limitado: vários quadros precisam ser costurados, resultando em processos demorados.
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Digitalização mais lenta: cada digitalização requer espera até que o palco se estabilize antes de capturar a próxima imagem.
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Artefatos de costura: lacunas e inconsistências na imagem afetam a qualidade da digitalização.
A imagem TDI ajuda a enfrentar estes desafios:
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Digitalização contínua: o TDI suporta digitalizações grandes e ininterruptas sem a necessidade de costura de quadros.
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Aquisição mais rápida: altas taxas de linha (até 1 MHz) eliminam atrasos entre capturas.
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Uniformidade de imagem aprimorada: o método de varredura de linha do TDI minimiza a distorção de perspectiva e garante precisão geométrica em toda a varredura.
TDI VS Varredura de Área
Ilustração: O TDI permite um processo de aquisição mais contínuo e tranquilo
A câmera sCMOS Gemini 8KTDI da Tucsen demonstrou eficácia na inspeção de wafers em ultravioleta profundo. De acordo com testes internos da Tucsen, a câmera atinge 63,9% de QE a 266 nm e mantém a temperatura do chip estável a 0 °C durante uso prolongado — importante para aplicações sensíveis a UV.
Expansão do uso: da geração de imagens especializadas à integração de sistemas
O TDI não se limita mais a aplicações de nicho ou testes de benchmark. O foco mudou para a integração prática em sistemas industriais.
A série Gemini TDI da Tucsen oferece dois tipos de soluções:
1. Modelos emblemáticos: Projetados para casos de uso avançados, como inspeção de wafers front-end e detecção de defeitos por UV. Esses modelos priorizam alta sensibilidade, estabilidade e produtividade.
2. Variantes compactas: Menores, refrigerados a ar e com menor consumo de energia — mais adequados para sistemas embarcados. Esses modelos incluem interfaces CXP (CoaXPress) de alta velocidade para integração simplificada.
Da geração de imagens de alto rendimento em ciências biológicas à inspeção de semicondutores de precisão, o TDI-sCMOS retroiluminado está desempenhando um papel cada vez mais importante no aprimoramento dos fluxos de trabalho de geração de imagens.
Perguntas frequentes
T1: Como funciona o TDI?
O TDI sincroniza a transferência de carga entre fileiras de pixels com o movimento do objeto. À medida que o objeto se move, cada fileira acumula uma nova exposição, aumentando a sensibilidade, especialmente em aplicações com pouca luz e alta velocidade.
Q2: Onde a tecnologia TDI pode ser usada?
O TDI é ideal para inspeção de semicondutores, varredura de fluorescência, inspeção de PCB e outras aplicações de geração de imagens de alta resolução e alta velocidade, onde o desfoque de movimento e a baixa iluminação são preocupações.
P3: O que devo considerar ao escolher uma câmera TDI para aplicações industriais?
Ao selecionar uma câmera TDI, fatores importantes incluem taxa de linha, eficiência quântica, resolução, resposta espectral (especialmente para aplicações UV ou NIR) e estabilidade térmica.
Para uma explicação detalhada sobre como calcular a taxa de linha, consulte nosso artigo:
Série TDI – Como calcular a frequência de linha da câmera
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