29.07.2025В области высокопроизводительной визуализации биолюминесценции и высокоскоростного промышленного обнаружения при низкой освещенности достижение оптимального баланса между скоростью визуализации и чувствительностью долгое время оставалось основным узким местом, ограничивающим технологический прогресс. Традиционные линейные или матричные решения для визуализации часто сталкиваются с трудными компромиссами, что затрудняет поддержание как эффективности обнаружения, так и производительности системы. В результате модернизация промышленных систем была значительно ограничена.
Внедрение технологии TDI-sCMOS с задней подсветкой начинает решать эти проблемы. Эта инновационная технология не только устраняет физические ограничения высокоскоростной съемки в условиях низкой освещенности, но и расширяет сферу своего применения за пределы биологических наук в передовые промышленные сектора, такие как контроль качества полупроводников и прецизионное производство. Благодаря этим разработкам технология TDI-sCMOS становится все более актуальной в современных промышленных приложениях для обработки изображений.
В этой статье изложены основные принципы TDI-визуализации, прослеживается ее эволюция и обсуждается ее растущая роль в промышленных системах.
Понимание принципов TDI: прорыв в динамической визуализации.
Технология Time Delay Integration (TDI) — это технология получения изображений, основанная на принципе линейного сканирования, которая обладает двумя важными техническими особенностями:
Синхронное динамическое получение данных
В отличие от традиционных камер, работающих по циклу «остановка-съемка-движение», датчики TDI непрерывно экспонируют изображения во время движения. По мере перемещения образца по полю зрения датчик TDI синхронизирует движение столбцов пикселей со скоростью объекта. Эта синхронизация обеспечивает непрерывную экспозицию и динамическое накопление заряда одного и того же объекта во времени, что позволяет эффективно получать изображения даже на высоких скоростях.
Демонстрация технологии TDI-визуализации: скоординированное перемещение образца и интеграция заряда.
Накопление заряда в домене
Каждый столбец пикселей преобразует поступающий свет в электрический заряд, который затем обрабатывается на нескольких этапах считывания выборки. Этот непрерывный процесс накопления эффективно усиливает слабый сигнал в N раз, где N представляет собой количество уровней интегрирования, улучшая отношение сигнал/шум (SNR) в условиях ограниченного освещения.
Иллюстрация качества изображения на разных этапах TDI
Эволюция технологии TDI: от ПЗС-матриц до sCMOS-матриц с обратной подсветкой.
Первоначально датчики TDI создавались на основе платформ CCD или CMOS с фронтальной подсветкой, но обе архитектуры имели ограничения при применении для быстрой съемки в условиях низкой освещенности.
TDI-CCD
Датчики TDI-CCD с обратной подсветкой могут достигать квантовой эффективности (QE) около 90%. Однако их последовательная архитектура считывания ограничивает скорость получения изображений — частота строк обычно остается ниже 100 кГц, а датчики с разрешением 2K работают примерно на частоте 50 кГц.
TDI-CMOS с фронтальной подсветкой
Датчики TDI-CMOS с фронтальной подсветкой обеспечивают более высокую скорость считывания, достигая разрешения 8K и частоты обновления до 400 кГц. Однако структурные факторы ограничивают их квантовую эффективность, особенно в коротковолновом диапазоне, часто удерживая её ниже 60%.
Заметный прогресс был достигнут в 2020 году с выпуском продукции компании Tucsen.sCMOS-камера Dhyana 9KTDIЭто камера TDI-sCMOS с задней подсветкой. Она знаменует собой значительный шаг вперед в сочетании высокой чувствительности с высокоскоростными характеристиками TDI:
-
Квантовая эффективность: пиковая квантовая эффективность составляет 82% — примерно на 40% выше, чем у обычных TDI-CMOS-сенсоров с фронтальной подсветкой, что делает его идеальным для съемки в условиях низкой освещенности.
-
Частота обновления экрана: 510 кГц при разрешении 9K, что соответствует пропускной способности 4,59 гигапикселей в секунду.
Эта технология впервые была применена в высокопроизводительном флуоресцентном сканировании, где камера получила 2-гигапиксельное изображение флуоресцентного образца размером 30 мм × 17 мм за 10,1 секунды в оптимизированных условиях системы, продемонстрировав существенное увеличение скорости получения изображений и точности детализации по сравнению с традиционными системами сканирования по площади.
Изображение: Dhyana 9KTDI с моторизованной сценой Zaber MVR.
Объектив: 10X Время съемки: 10,1 с Время экспозиции: 3,6 мс
Размер изображения: 30 мм x 17 мм, 58 000 x 34 160 пикселей.
Основные преимущества технологии TDI
Высокая чувствительность
Датчики TDI накапливают сигналы в течение нескольких экспозиций, что повышает эффективность при слабом освещении. Благодаря датчикам TDI-sCMOS с задней подсветкой достигается квантовая эффективность выше 80%, что позволяет решать сложные задачи, такие как флуоресцентная визуализация и анализ в темном поле.
Высокоскоростная производительность
Датчики TDI разработаны для высокопроизводительной визуализации, позволяя получать изображения быстро движущихся объектов с превосходной четкостью. Благодаря синхронизации считывания пикселей с движением объекта, TDI практически исключает размытие изображения из-за движения и поддерживает конвейерную инспекцию, сканирование в реальном времени и другие сценарии высокопроизводительной работы.
Улучшенное отношение сигнал/шум (SNR)
Благодаря интеграции сигналов на нескольких этапах, датчики TDI позволяют получать изображения более высокого качества при меньшем освещении, снижая риск фотообесцвечивания биологических образцов и минимизируя термическое воздействие на чувствительные материалы.
Сниженная восприимчивость к внешним помехам
В отличие от систем с плоским сканированием, датчики TDI менее подвержены влиянию окружающего света или отражений благодаря синхронизированной построчной экспозиции, что делает их более надежными в сложных промышленных условиях.
Пример применения: Контроль качества кремниевых пластин
В полупроводниковой отрасли для обнаружения объектов в условиях низкой освещенности широко использовались sCMOS-камеры с площадным сканированием благодаря их скорости и чувствительности. Однако у этих систем могут быть недостатки:
-
Ограниченное поле зрения: необходимо сшивать несколько кадров, что приводит к трудоемким процессам.
-
Более медленное сканирование: при каждом сканировании необходимо дождаться стабилизации предметного столика, прежде чем делать следующий снимок.
-
Артефакты сшивания: пробелы и несоответствия в изображении влияют на качество сканирования.
Метод TDI-визуализации помогает решить эти проблемы:
-
Непрерывное сканирование: технология TDI поддерживает сканирование больших объемов данных без прерывания, без необходимости сшивания кадров.
-
Ускоренное получение данных: высокая скорость передачи данных (до 1 МГц) исключает задержки между захватами.
-
Улучшенная равномерность изображения: метод линейного сканирования TDI минимизирует перспективные искажения и обеспечивает геометрическую точность по всей области сканирования.
TDI против сканирования площади
ИллюстрацияТехнология TDI обеспечивает более непрерывный и плавный процесс сбора данных.
Камера Gemini 8KTDI sCMOS от компании Tucsen показала себя эффективно при глубоком ультрафиолетовом контроле кремниевых пластин. Согласно внутренним тестам Tucsen, камера достигает квантовой эффективности 63,9% при длине волны 266 нм и поддерживает стабильность температуры чипа на уровне 0°C в течение длительного времени использования, что важно для приложений, чувствительных к УФ-излучению.
Расширение области применения: от специализированной визуализации до системной интеграции.
Технология TDI больше не ограничивается узкоспециализированными приложениями или эталонным тестированием. Акцент сместился на практическую интеграцию в промышленные системы.
Серия Gemini TDI от Tucsen предлагает два типа решений:
1. Флагманские моделиРазработаны для сложных сценариев использования, таких как предварительная проверка пластин и обнаружение дефектов УФ-излучения. Эти модели отличаются высокой чувствительностью, стабильностью и производительностью.
2. Компактные вариантыКомпактные размеры, воздушное охлаждение и низкое энергопотребление — лучше подходят для встраиваемых систем. Эти модели оснащены высокоскоростными интерфейсами CXP (CoaXPress) для упрощения интеграции.
От высокопроизводительной визуализации в биологических науках до прецизионной инспекции полупроводников, технология TDI-sCMOS с обратной подсветкой играет все более важную роль в совершенствовании рабочих процессов визуализации.
Часто задаваемые вопросы
В1: Как работает TDI?
Технология TDI синхронизирует передачу заряда между рядами пикселей с движением объекта. По мере движения объекта каждый ряд накапливает новую экспозицию, повышая чувствительность, особенно в условиях низкой освещенности и высокой скорости съемки.
В2: Где можно использовать технологию TDI?
TDI идеально подходит для контроля полупроводников, флуоресцентного сканирования, контроля печатных плат и других приложений с высоким разрешением и высокой скоростью получения изображений, где важны размытие изображения из-за движения и низкая освещенность.
В3: Что следует учитывать при выборе TDI-камеры для промышленного применения?
При выборе TDI-камеры важными факторами являются скорость передачи данных, квантовая эффективность, разрешение, спектральная характеристика (особенно для УФ или ИК-диапазона) и термическая стабильность.
Подробное объяснение того, как рассчитать стоимость линии связи, см. в нашей статье:
