25. 7. 2029Na področju visokozmogljivega slikanja z bioluminiscenco in industrijskega visokohitrostnega zaznavanja pri šibki svetlobi je doseganje optimalnega ravnovesja med hitrostjo slikanja in občutljivostjo že dolgo ozko grlo, ki omejuje tehnološki napredek. Tradicionalne rešitve za linearno ali površinsko slikanje se pogosto soočajo s težkimi kompromisi, zaradi česar je težko ohranjati tako učinkovitost zaznavanja kot delovanje sistema. Posledično so bile industrijske nadgradnje znatno omejene.
Uvedba tehnologije TDI-sCMOS z osvetlitvijo od zadaj začenja odpravljati te omejitve. Ta inovativna tehnologija ne odpravlja le fizičnih omejitev visokohitrostnega slikanja v slabih svetlobnih pogojih, temveč tudi razširja svojo uporabo onkraj življenjskih ved v napredne industrijske sektorje, kot sta pregledovanje polprevodnikov in precizna proizvodnja. S tem razvojem postaja TDI-sCMOS vse bolj pomemben v sodobnih industrijskih aplikacijah za slikanje.
Ta članek opisuje temeljna načela slikanja TDI, spremlja njegov razvoj in obravnava njegovo naraščajočo vlogo v industrijskih sistemih.
Razumevanje načel TDI: Preboj v dinamičnem slikanju
Integracija časovne zakasnitve (TDI) je tehnologija zajemanja slik, ki temelji na načelu linijskega skeniranja in ponuja dve pomembni tehnični lastnosti:
Sinhrono dinamično zajemanje
Za razliko od tradicionalnih površinskih kamer, ki delujejo po ciklu "ustavi-posnemi-premakni", senzorji TDI neprekinjeno osvetljujejo slike med gibanjem. Ko se vzorec premika po vidnem polju, senzor TDI sinhronizira gibanje stolpcev slikovnih pik s hitrostjo objekta. Ta sinhronizacija omogoča neprekinjeno osvetljevanje in dinamično kopičenje naboja istega objekta skozi čas, kar omogoča učinkovito slikanje tudi pri visokih hitrostih.
Demonstracija slikanja TDI: Koordinirano gibanje vzorca in integracija naboja
Kopičenje domenskih stroškov
Vsak stolpec slikovnih pik pretvori vhodno svetlobo v električni naboj, ki se nato obdela skozi več stopenj vzorčenja in odčitavanja. Ta postopek neprekinjenega kopičenja učinkovito izboljša šibek signal za faktor N, kjer N predstavlja število integracijskih nivojev, s čimer se izboljša razmerje signal/šum (SNR) v omejenih svetlobnih pogojih.
Ilustracija kakovosti slike na različnih stopnjah TDI
Razvoj tehnologije TDI: od CCD do sCMOS z osvetlitvijo od zadaj
Senzorji TDI so bili sprva zgrajeni na platformah CCD ali CMOS s sprednjo osvetlitvijo, vendar sta imeli obe arhitekturi omejitve pri uporabi za hitro slikanje in slikanje pri šibki svetlobi.
TDI-CCD
Senzorji TDI-CCD z osvetlitvijo od zadaj lahko dosežejo kvantno učinkovitost (QE) blizu 90 %. Vendar pa njihova arhitektura serijskega odčitavanja omejuje hitrost slikanja – hitrosti linij običajno ostajajo pod 100 kHz, senzorji z ločljivostjo 2K pa delujejo pri približno 50 kHz.
Spredaj osvetljen TDI-CMOS
Spredaj osvetljeni senzorji TDI-CMOS ponujajo hitrejše hitrosti odčitavanja, pri čemer hitrosti linij z ločljivostjo 8K dosežejo do 400 kHz. Vendar pa strukturni dejavniki omejujejo njihovo kvantno učinkovitost (QE), zlasti v krajšem območju valovnih dolžin, in jo pogosto ohranjajo pod 60 %.
Opazen napredek se je zgodil leta 2020 z izidom TucsenoveDhyana 9KTDI sCMOS kamera, TDI-sCMOS kamera z osvetlitvijo od zadaj. Predstavlja pomemben preskok v združevanju visoke občutljivosti z visokohitrostno TDI zmogljivostjo:
-
Kvantna učinkovitost: 82 % najvišja kvantna učinkovitost – približno 40 % več kot pri običajnih senzorjih TDI-CMOS z osvetlitvijo spredaj, zaradi česar je idealen za slikanje pri šibki svetlobi.
-
Hitrost linije: 510 kHz pri ločljivosti 9K, kar pomeni prepustnost podatkov 4,59 gigapiksla na sekundo.
Ta tehnologija je bila prvič uporabljena pri visokozmogljivem fluorescentnem skeniranju, kjer je kamera v 10,1 sekunde pod optimiziranimi sistemskimi pogoji posnela 2-gigapikselno sliko fluorescentnega vzorca velikosti 30 mm × 17 mm, kar je pokazalo znatno povečanje hitrosti slikanja in natančnosti podrobnosti v primerjavi s konvencionalnimi sistemi površinskega skeniranja.
SlikaDhyana 9KTDI z motoriziranim odrom Zaber MVR
Cilj10X Čas zajemanja: 10,1 s Čas osvetlitve: 3,6 ms
Velikost slike: 30 mm x 17 mm 58.000 x 34.160 slikovnih pik
Ključne prednosti TDI tehnologije
Visoka občutljivost
Senzorji TDI zbirajo signale med večkratno osvetlitvijo, kar izboljša delovanje pri šibki svetlobi. Z osvetlitvijo od zadaj sCMOS senzorji TDI-sCMOS je mogoče doseči kvantno učinkovitost nad 80 %, kar podpira zahtevne naloge, kot sta fluorescenčno slikanje in pregled v temnem polju.
Visoka hitrost delovanja
Senzorji TDI so zasnovani za visokozmogljivo slikanje, ki zajema hitro premikajoče se objekte z odlično jasnostjo. S sinhronizacijo odčitavanja slikovnih pik z gibanjem objekta TDI praktično odpravlja zamegljenost zaradi gibanja in podpira preglede na tekočem traku, skeniranje v realnem času in druge visokozmogljive scenarije.
Izboljšano razmerje signal/šum (SNR)
Z integracijo signalov v več fazah lahko senzorji TDI ustvarijo slike višje kakovosti z manjšo osvetlitvijo, kar zmanjša tveganje fotobeljenja v bioloških vzorcih in minimizira toplotno obremenitev v občutljivih materialih.
Zmanjšana dovzetnost za motnje iz okolja
Za razliko od sistemov površinskega skeniranja so senzorji TDI zaradi sinhronizirane osvetlitve po posameznih linijah manj pod vplivom svetlobe iz okolice ali odbojev, zaradi česar so bolj robustni v kompleksnih industrijskih okoljih.
Primer uporabe: Pregled rezin
V polprevodniškem sektorju so se za zaznavanje pri šibki svetlobi pogosto uporabljale sCMOS kamere s površinskim skeniranjem zaradi svoje hitrosti in občutljivosti. Vendar pa imajo ti sistemi lahko pomanjkljivosti:
-
Omejeno vidno polje: Več okvirjev je treba sešiti skupaj, kar povzroča dolgotrajne postopke.
-
Počasnejše skeniranje: Pri vsakem skeniranju je treba počakati, da se miza umiri, preden se zajame naslednja slika.
-
Šivanje artefaktov: Vrzeli in nedoslednosti na sliki vplivajo na kakovost skeniranja.
Slikanje TDI pomaga pri reševanju teh izzivov:
-
Neprekinjeno skeniranje: TDI podpira velike, neprekinjene skeniranja brez potrebe po spajanju okvirjev.
-
Hitrejše zajemanje: Visoke hitrosti linij (do 1 MHz) odpravljajo zamude med zajemanjem.
-
Izboljšana enakomernost slike: TDI-jeva metoda linijskega skeniranja zmanjšuje popačenje perspektive in zagotavlja geometrijsko natančnost po celotnem skeniranju.
TDI v primerjavi s skeniranjem območja
IlustracijaTDI omogoča bolj neprekinjen in nemoten postopek pridobivanja
Tucsenova sCMOS kamera Gemini 8KTDI se je izkazala za učinkovito pri pregledu rezin v globokem ultravijoličnem območju. Glede na Tucsenove interne teste kamera dosega 63,9 % kvantno učinkovitost (QE) pri 266 nm in ohranja stabilnost temperature čipa pri 0 °C pri daljši uporabi – kar je pomembno za aplikacije, občutljive na UV-žarke.
Širjenje uporabe: od specializiranega slikanja do sistemske integracije
TDI ni več omejen na nišne aplikacije ali primerjalne teste. Poudarek se je preusmeril na praktično integracijo v industrijske sisteme.
Tucsenova serija Gemini TDI ponuja dve vrsti rešitev:
1. Vodilni modeliZasnovani za napredne primere uporabe, kot sta pregled rezin na sprednjem delu in zaznavanje UV-defektov. Ti modeli dajejo prednost visoki občutljivosti, stabilnosti in prepustnosti.
2. Kompaktne različiceManjši, zračno hlajeni in z manjšo porabo energije – bolj primerni za vgrajene sisteme. Ti modeli vključujejo visokohitrostne vmesnike CXP (CoaXPress) za poenostavljeno integracijo.
Od visokozmogljivega slikanja v znanostih o življenju do natančnega pregleda polprevodnikov, TDI-sCMOS z osvetlitvijo od zadaj igra vse pomembnejšo vlogo pri izboljšanju delovnih procesov slikanja.
Pogosta vprašanja
V1: Kako deluje TDI?
TDI sinhronizira prenos naboja med vrsticami slikovnih pik z gibanjem objekta. Ko se objekt premika, vsaka vrstica nabira novo osvetlitev, kar povečuje občutljivost, zlasti pri slabi svetlobi in pri visoki hitrosti.
V2: Kje se lahko uporablja tehnologija TDI?
TDI je idealen za pregled polprevodnikov, fluorescenčno skeniranje, pregled tiskanih vezij in druge aplikacije slikanja z visoko ločljivostjo in hitrostjo, kjer sta zaskrbljujoči zamegljenost zaradi gibanja in slaba osvetlitev.
V3: Kaj moram upoštevati pri izbiri TDI kamere za industrijsko uporabo?
Pri izbiri TDI kamere so pomembni dejavniki hitrost linije, kvantna učinkovitost, ločljivost, spektralni odziv (zlasti za UV ali NIR aplikacije) in toplotna stabilnost.
Za podrobno razlago, kako izračunati ceno linije, glejte naš članek:
Serija TDI – Kako izračunati linijsko frekvenco kamere
Tucsen Photonics Co., Ltd. Vse pravice pridržane. Pri citiranju navedite vir:www.tucsen.com
