25/07/29В области биолюминесцентной высокопроизводительной визуализации и промышленного высокоскоростного обнаружения в условиях низкой освещенности достижение оптимального баланса между скоростью визуализации и чувствительностью долгое время было основным узким местом, сдерживающим технологический прогресс. Традиционные решения для визуализации на основе линейных или площадных матриц часто сталкиваются с необходимостью компромиссов, что затрудняет поддержание как эффективности обнаружения, так и производительности системы. В результате модернизация промышленных систем существенно ограничена.
Внедрение технологии TDI-sCMOS с обратной засветкой позволяет устранить эти ограничения. Эта инновационная технология не только устраняет физические ограничения высокоскоростной визуализации в условиях низкой освещенности, но и расширяет сферу своего применения за пределы биологических наук, включая такие передовые промышленные отрасли, как контроль полупроводников и прецизионное производство. Благодаря этим разработкам, TDI-sCMOS становится все более востребованной в современных промышленных приложениях визуализации.
В этой статье излагаются основные принципы, лежащие в основе TDI-визуализации, прослеживается ее эволюция и обсуждается ее растущая роль в промышленных системах.
Понимание принципов TDI: прорыв в динамической визуализации
Интеграция с временной задержкой (TDI) — это технология получения изображений, основанная на принципе линейного сканирования, которая обеспечивает две важные технические особенности:
Синхронное динамическое получение
В отличие от традиционных камер, работающих по циклу «стоп-кадр-движение», датчики TDI непрерывно экспонируют изображения во время движения. При перемещении образца в поле зрения датчик TDI синхронизирует движение столбцов пикселей со скоростью объекта. Такая синхронизация обеспечивает непрерывную экспозицию и динамическое накопление заряда одного и того же объекта с течением времени, что позволяет эффективно получать изображения даже на высоких скоростях.
Демонстрация визуализации TDI: скоординированное движение образца и интеграция заряда
Накопление зарядовых доменов
Каждый столбец пикселей преобразует входящий свет в электрический заряд, который затем обрабатывается на нескольких этапах считывания выборок. Этот непрерывный процесс накопления эффективно усиливает слабый сигнал в N раз, где N — количество уровней интеграции, улучшая отношение сигнал/шум (SNR) в условиях ограниченной освещённости.
Иллюстрация качества изображения на разных этапах TDI
Эволюция технологии TDI: от ПЗС к sCMOS с задней подсветкой
Датчики TDI изначально создавались на платформах ПЗС или КМОП с фронтальной засветкой, но обе архитектуры имели ограничения при применении для быстрой съемки и съемки в условиях низкой освещенности.
TDI-CCD
Датчики TDI-CCD с задней подсветкой могут достигать квантовой эффективности (QE), близкой к 90%. Однако их последовательная архитектура считывания ограничивает скорость получения изображений: частота строк обычно ниже 100 кГц, а датчики с разрешением 2K работают на частоте около 50 кГц.
TDI-CMOS с фронтальной подсветкой
TDI-CMOS-сенсоры с фронтальной подсветкой обеспечивают более высокую скорость считывания, при этом частота строк в разрешении 8K достигает 400 кГц. Однако структурные факторы ограничивают их квантовую эффективность, особенно в коротковолновом диапазоне, часто не превышая 60%.
Заметный прогресс произошел в 2020 году с выпуском TucsenКамера Dhyana 9KTDI sCMOS, камера TDI-sCMOS с задней подсветкой. Она знаменует собой значительный шаг вперёд в сочетании высокой чувствительности с высокоскоростной производительностью TDI:
-
Квантовая эффективность: пиковая квантовая эффективность 82% — примерно на 40% выше, чем у обычных датчиков TDI-CMOS с фронтальной подсветкой, что делает их идеальными для получения изображений в условиях низкой освещенности.
-
Частота строк: 510 кГц при разрешении 9K, что соответствует пропускной способности данных 4,59 гигапикселей в секунду.
Впервые эта технология была применена при высокопроизводительном флуоресцентном сканировании, где камера захватила 2-гигапиксельное изображение флуоресцентного образца размером 30 мм × 17 мм за 10,1 секунды при оптимизированных системных условиях, продемонстрировав существенный прирост скорости получения изображений и точности детализации по сравнению с обычными системами зонального сканирования.
Изображение: Dhyana 9KTDI с моторизованной сценой Zaber MVR
Цель: 10X Время получения изображения: 10,1 с Время экспозиции: 3,6 мс
Размер изображения: 30 мм x 17 мм 58 000 x 34 160 пикселей
Ключевые преимущества технологии TDI
Высокая чувствительность
Датчики TDI накапливают сигналы при многократной экспозиции, улучшая качество изображения при слабом освещении. Благодаря датчикам TDI-sCMOS с задней подсветкой достигается квантовая эффективность более 80%, что позволяет решать сложные задачи, такие как флуоресцентная визуализация и темнопольная съемка.
Высокая скорость работы
Датчики TDI разработаны для высокопроизводительной визуализации, обеспечивая превосходную чёткость изображений быстро движущихся объектов. Синхронизируя считывание пикселей с движением объекта, TDI практически устраняет размытость изображения и поддерживает конвейерную инспекцию, сканирование в реальном времени и другие высокопроизводительные сценарии.
Улучшенное соотношение сигнал/шум (SNR)
Объединяя сигналы на нескольких этапах, датчики TDI могут создавать более качественные изображения при меньшем освещении, снижая риски фотообесцвечивания биологических образцов и минимизируя термическую нагрузку на чувствительные материалы.
Сниженная восприимчивость к внешним помехам
В отличие от систем зонального сканирования датчики TDI меньше подвержены влиянию окружающего света или отражений благодаря синхронизированной построчной экспозиции, что делает их более надежными в сложных промышленных условиях.
Пример применения: инспекция пластин
В полупроводниковой промышленности камеры с sCMOS-матрицей широко использовались для обнаружения объектов в условиях низкой освещённости благодаря своей скорости и чувствительности. Однако эти системы могут иметь недостатки:
-
Ограниченное поле зрения: необходимо сшивать несколько кадров, что приводит к длительным процессам.
-
Более медленное сканирование: при каждом сканировании приходится ждать, пока столик стабилизируется, прежде чем захватывать следующее изображение.
-
Артефакты сшивания: пробелы и несоответствия в изображениях влияют на качество сканирования.
Визуализация TDI помогает решить следующие проблемы:
-
Непрерывное сканирование: TDI поддерживает большие непрерывные сканирования без необходимости сшивания кадров.
-
Более быстрое получение данных: высокая скорость линии (до 1 МГц) устраняет задержки между захватами.
-
Улучшенная однородность изображения: метод линейного сканирования TDI сводит к минимуму искажение перспективы и обеспечивает геометрическую точность по всей площади сканирования.
TDI против сканирования области
Иллюстрация: TDI обеспечивает более непрерывный и плавный процесс получения данных
Камера Gemini 8KTDI sCMOS от Tucsen эффективна при инспекции пластин в глубоком ультрафиолетовом диапазоне. Согласно внутренним испытаниям Tucsen, камера достигает квантовой эффективности 63,9% на длине волны 266 нм и поддерживает стабильную температуру кристалла на уровне 0°C при длительном использовании, что важно для приложений, чувствительных к УФ-излучению.
Расширение использования: от специализированной визуализации до системной интеграции
TDI больше не ограничивается узкоспециализированными приложениями или бенчмаркингом. Акцент сместился на практическую интеграцию в промышленные системы.
Серия Gemini TDI от Tucsen предлагает два типа решений:
1. Флагманские модели: Разработаны для сложных задач, таких как предварительная инспекция пластин и обнаружение УФ-дефектов. В этих моделях приоритет отдается высокой чувствительности, стабильности и производительности.
2. Компактные варианты: Компактные, с воздушным охлаждением и низким энергопотреблением — лучше подходят для встраиваемых систем. Эти модели оснащены высокоскоростными интерфейсами CXP (CoaXPress) для упрощения интеграции.
От высокопроизводительной визуализации в биологических науках до прецизионного контроля полупроводников — TDI-sCMOS с задней подсветкой играет все более важную роль в улучшении рабочих процессов визуализации.
Часто задаваемые вопросы
В1: Как работает TDI?
TDI синхронизирует перенос заряда между рядами пикселей с движением объекта. По мере движения объекта каждый ряд накапливает новый экспозиционный импульс, повышая чувствительность, особенно в условиях низкой освещённости и при высокоскоростной съёмке.
В2: Где можно использовать технологию TDI?
TDI идеально подходит для проверки полупроводников, флуоресцентного сканирования, проверки печатных плат и других задач, требующих высокого разрешения и высокоскоростной визуализации, где важны размытость изображения при движении и низкая освещенность.
В3: Что следует учитывать при выборе камеры TDI для промышленного применения?
При выборе камеры TDI важными факторами являются скорость линии, квантовая эффективность, разрешение, спектральная чувствительность (особенно для УФ- или ближнего ИК-диапазона) и термостабильность.
Подробное объяснение того, как рассчитать скорость линии, можно найти в нашей статье:
Серия TDI – Как рассчитать частоту строк камеры
Tucsen Photonics Co., Ltd. Все права защищены. При цитировании, пожалуйста, указывайте источник:www.tucsen.com
