25. 7. 2029V oblastiach vysokokapacitného bioluminiscenčného zobrazovania a priemyselnej vysokorýchlostnej detekcie pri slabom osvetlení bolo dosiahnutie optimálnej rovnováhy medzi rýchlosťou zobrazovania a citlivosťou dlhodobo hlavným úzkym hrdlom obmedzujúcim technologický pokrok. Tradičné lineárne alebo plošné zobrazovacie riešenia často čelia náročným kompromisom, čo sťažuje udržanie účinnosti detekcie aj výkonu systému. V dôsledku toho boli priemyselné modernizácie výrazne obmedzené.
Zavedenie technológie TDI-sCMOS so zadným osvetlením začína tieto obmedzenia riešiť. Táto inovatívna technológia nielenže rieši fyzikálne obmedzenia vysokorýchlostného zobrazovania v podmienkach s nízkym osvetlením, ale rozširuje aj svoje aplikácie za hranice biologických vied do pokročilých priemyselných sektorov, ako je kontrola polovodičov a presná výroba. Vďaka tomuto vývoju sa TDI-sCMOS stáva čoraz relevantnejším v moderných priemyselných zobrazovacích aplikáciách.
Tento článok načrtáva základné princípy zobrazovania TDI, sleduje jeho vývoj a diskutuje o jeho rastúcej úlohe v priemyselných systémoch.
Pochopenie princípov TDI: Prielom v dynamickom zobrazovaní
Integrácia časového oneskorenia (TDI) je technológia snímania obrazu založená na princípe riadkového skenovania, ktorá ponúka dve významné technické vlastnosti:
Synchrónna dynamická akvizícia
Na rozdiel od tradičných plošných kamier, ktoré fungujú v cykle „zastavenie – záber – pohyb“, TDI senzory nepretržite exponujú obrazy počas pohybu. Keď sa vzorka pohybuje v zornom poli, TDI senzor synchronizuje pohyb stĺpcov pixelov s rýchlosťou objektu. Táto synchronizácia umožňuje nepretržitú expozíciu a dynamickú akumuláciu náboja toho istého objektu v priebehu času, čo umožňuje efektívne zobrazovanie aj pri vysokých rýchlostiach.
Demonštrácia zobrazovania TDI: Koordinovaný pohyb vzorky a integrácia náboja
Akumulácia poplatkov za doménu
Každý stĺpec pixelov premieňa prichádzajúce svetlo na elektrický náboj, ktorý sa potom spracováva prostredníctvom viacerých fáz odčítania vzorkovania. Tento proces kontinuálnej akumulácie efektívne zosilňuje slabý signál faktorom N, kde N predstavuje počet integračných úrovní, čím sa zlepšuje pomer signálu k šumu (SNR) za obmedzených svetelných podmienok.
Ilustrácia kvality obrazu v rôznych fázach TDI
Vývoj technológie TDI: Od CCD k podsvietenému sCMOS
Snímače TDI boli pôvodne postavené na platformách CCD alebo CMOS s predným osvetlením, ale obe architektúry mali obmedzenia pri použití na rýchle zobrazovanie a zobrazovanie pri slabom osvetlení.
TDI-CCD
Podsvietené TDI-CCD senzory dokážu dosiahnuť kvantovú účinnosť (QE) blízku 90 %. Ich architektúra sériového čítania však obmedzuje rýchlosť zobrazovania – linkové rýchlosti zvyčajne zostávajú pod 100 kHz, pričom senzory s rozlíšením 2K pracujú na frekvencii približne 50 kHz.
Predne osvetlený TDI-CMOS snímač
Predne osvetlené senzory TDI-CMOS ponúkajú rýchlejšie rýchlosti čítania s rozlíšením 8K dosahujúcim riadkovú frekvenciu až 400 kHz. Štrukturálne faktory však obmedzujú ich kvantovú efektivitu (QE), najmä v kratšom rozsahu vlnových dĺžok, a často ju udržiavajú pod 60 %.
Významný pokrok nastal v roku 2020 s vydaním Tucsenovho...sCMOS kamera Dhyana 9KTDI, TDI-sCMOS kamera so zadným osvetlením. Predstavuje významný krok v kombinácii vysokej citlivosti s vysokorýchlostným TDI výkonom:
-
Kvantová účinnosť: 82 % špičková kvantová účinnosť – približne o 40 % vyššia ako u konvenčných predne osvetlených snímačov TDI-CMOS, vďaka čomu je ideálna na zobrazovanie pri slabom osvetlení.
-
Linková rýchlosť: 510 kHz pri rozlíšení 9K, čo zodpovedá priepustnosti dát 4,59 gigapixelov za sekundu.
Táto technológia bola prvýkrát použitá pri vysokovýkonnom fluorescenčnom skenovaní, kde kamera zachytila 2-gigapixelový obraz fluorescenčnej vzorky s rozmermi 30 mm × 17 mm za 10,1 sekundy za optimalizovaných systémových podmienok, čo preukázalo značné zvýšenie rýchlosti zobrazovania a vernosti detailov oproti konvenčným systémom plošného skenovania.
ObrázokDhyana 9KTDI s motorizovaným pódiom Zaber MVR
Cieľ10X Čas snímania: 10,1 s Čas expozície: 3,6 ms
Veľkosť obrázka: 30 mm x 17 mm 58 000 x 34 160 pixelov
Kľúčové výhody technológie TDI
Vysoká citlivosť
Senzory TDI akumulujú signály počas viacerých expozícií, čím zlepšujú výkon pri slabom osvetlení. So senzormi TDI-sCMOS so zadným osvetlením je dosiahnuteľná kvantová účinnosť nad 80 %, čo podporuje náročné úlohy, ako je fluorescenčné zobrazovanie a kontrola v tmavom poli.
Vysokorýchlostný výkon
Snímače TDI sú navrhnuté pre vysokovýkonné zobrazovanie a zachytávajú rýchlo sa pohybujúce objekty s vynikajúcou jasnosťou. Synchronizáciou čítania pixelov s pohybom objektu TDI prakticky eliminuje rozmazanie pohybom a podporuje kontrolu na dopravníku, skenovanie v reálnom čase a ďalšie vysokovýkonné scenáre.
Vylepšený pomer signálu k šumu (SNR)
Integráciou signálov z viacerých stupňov môžu senzory TDI vytvárať obrazy vyššej kvality s menším osvetlením, čím sa znižuje riziko fotobielenia v biologických vzorkách a minimalizuje tepelné namáhanie v citlivých materiáloch.
Znížená citlivosť na rušenie z okolia
Na rozdiel od systémov s plošným skenovaním sú senzory TDI menej ovplyvnené okolitým svetlom alebo odrazmi vďaka ich synchronizovanej expozícii riadok po riadku, vďaka čomu sú robustnejšie v zložitých priemyselných prostrediach.
Príklad aplikácie: Kontrola doštičiek
V sektore polovodičov sa na detekciu pri slabom osvetlení bežne používali plošné sCMOS kamery kvôli ich rýchlosti a citlivosti. Tieto systémy však môžu mať nevýhody:
-
Obmedzené zorné pole: Je potrebné spojiť viacero snímok, čo vedie k časovo náročným procesom.
-
Pomalšie skenovanie: Pri každom skenovaní je potrebné počkať, kým sa stolík ustáli, a až potom nasnímať ďalší obrázok.
-
Spájanie artefaktov: Medzery a nekonzistentnosti v obraze ovplyvňujú kvalitu skenovania.
Zobrazovanie TDI pomáha riešiť tieto výzvy:
-
Nepretržité skenovanie: TDI podporuje rozsiahle, neprerušované skenovanie bez nutnosti spájania rámcov.
-
Rýchlejšie snímanie: Vysoké rýchlosti linky (až do 1 MHz) eliminujú oneskorenia medzi snímaniami.
-
Vylepšená jednotnosť obrazu: Metóda riadkového skenovania TDI minimalizuje perspektívne skreslenie a zaisťuje geometrickú presnosť v celom skenovaní.
TDI VS Skenovanie oblasti
IlustráciaTDI umožňuje plynulejší a plynulejší proces akvizície
Kamera Tucsen Gemini 8KTDI sCMOS sa ukázala ako účinná pri kontrole doštičiek v hlbokom ultrafialovom žiarení. Podľa interných testov spoločnosti Tucsen dosahuje kamera kvantifikáciu 63,9 % pri 266 nm a udržiava si teplotnú stabilitu čipu na 0 °C pri dlhodobom používaní – čo je dôležité pre aplikácie citlivé na UV žiarenie.
Rozširujúce sa využitie: Od špecializovaného zobrazovania k systémovej integrácii
TDI sa už neobmedzuje len na špecializované aplikácie alebo benchmarkové testovanie. Dôraz sa presunul na praktickú integráciu do priemyselných systémov.
Séria Gemini TDI od spoločnosti Tucsen ponúka dva typy riešení:
1. Vlajkové modelyNavrhnuté pre pokročilé prípady použitia, ako je kontrola predných doštičiek a detekcia UV defektov. Tieto modely uprednostňujú vysokú citlivosť, stabilitu a priepustnosť.
2. Kompaktné variantyMenšie, vzduchom chladené a s nižšou spotrebou energie – vhodnejšie pre vstavané systémy. Tieto modely obsahujú vysokorýchlostné rozhrania CXP (CoaXPress) pre zjednodušenú integráciu.
Od vysokovýkonného zobrazovania v biologických vedách až po presnú kontrolu polovodičov, podsvietené TDI-sCMOS zohrávajú čoraz dôležitejšiu úlohu pri zlepšovaní zobrazovacích pracovných postupov.
Často kladené otázky
Otázka 1: Ako funguje TDI?
TDI synchronizuje prenos náboja medzi riadkami pixelov s pohybom objektu. Ako sa objekt pohybuje, každý riadok akumuluje ďalšiu expozíciu, čím sa zvyšuje citlivosť, najmä pri slabom osvetlení a pri vysokej rýchlosti.
Otázka 2: Kde sa dá použiť technológia TDI?
TDI je ideálny na kontrolu polovodičov, fluorescenčné skenovanie, kontrolu dosiek plošných spojov a ďalšie aplikácie s vysokým rozlíšením a vysokou rýchlosťou zobrazovania, kde je problémom rozmazanie pohybom a nízke osvetlenie.
Otázka 3: Čo by som mal zvážiť pri výbere TDI kamery pre priemyselné aplikácie?
Pri výbere TDI kamery sú dôležité faktory čiarová rýchlosť, kvantová účinnosť, rozlíšenie, spektrálna odozva (najmä pre UV alebo NIR aplikácie) a tepelná stabilita.
Podrobný návod, ako vypočítať sadzbu za linku, nájdete v našom článku:
Séria TDI – Ako vypočítať frekvenciu linky kamery
Tucsen Photonics Co., Ltd. Všetky práva vyhradené. Pri citovaní uveďte zdroj:www.tucsen.com
