25/07/29Inom områdena högkapacitetsavbildning med bioluminescens och industriell höghastighetsdetektering i svagt ljus har det länge varit en central flaskhals som begränsar den tekniska utvecklingen att uppnå optimal balans mellan avbildningshastighet och känslighet. Traditionella linjära eller area-array-avbildningslösningar står ofta inför svåra avvägningar, vilket gör det utmanande att upprätthålla både detektionseffektivitet och systemprestanda. Som ett resultat har industriella uppgraderingar begränsats avsevärt.
Införandet av bakbelyst TDI-sCMOS-teknik börjar åtgärda dessa begränsningar. Denna innovativa teknik tar inte bara itu med de fysiska begränsningarna för höghastighetsavbildning i svagt ljus, utan utvidgar även dess tillämpningar bortom biovetenskap till avancerade industrisektorer som halvledarinspektion och precisionstillverkning. Med denna utveckling blir TDI-sCMOS alltmer relevant i moderna industriella avbildningstillämpningar.
Den här artikeln beskriver kärnprinciperna bakom TDI-avbildning, följer dess utveckling och diskuterar dess växande roll i industriella system.
Att förstå principerna för TDI: Ett genombrott inom dynamisk avbildning
Time Delay Integration (TDI) är en bildförvärvsteknik baserad på linjeskanningsprincipen som erbjuder två viktiga tekniska funktioner:
Synkron dynamisk förvärvning
Till skillnad från traditionella områdeskameror som arbetar med en "stop-shot-move"-cykel, exponerar TDI-sensorer kontinuerligt bilder medan de är i rörelse. När provet rör sig över synfältet synkroniserar TDI-sensorn pixelkolumnernas rörelse med objektets hastighet. Denna synkronisering möjliggör kontinuerlig exponering och dynamisk laddningsackumulering av samma objekt över tid, vilket möjliggör effektiv avbildning även vid höga hastigheter.
TDI-avbildningsdemonstration: Koordinerad provrörelse och laddningsintegration
Ackumulering av laddningsdomän
Varje pixelkolumn omvandlar inkommande ljus till elektrisk laddning, som sedan bearbetas genom flera samplingsavläsningssteg. Denna kontinuerliga ackumuleringsprocess förstärker effektivt den svaga signalen med en faktor N, där N representerar antalet integrationsnivåer, vilket förbättrar signal-brusförhållandet (SNR) under begränsade ljusförhållanden.
Illustration av bildkvalitet vid olika TDI-steg
Utvecklingen av TDI-teknik: Från CCD till bakbelyst sCMOS
TDI-sensorer byggdes ursprungligen på CCD- eller frontbelysta CMOS-plattformar, men båda arkitekturerna hade begränsningar när de tillämpades på snabb avbildning i svagt ljus.
TDI-CCD
Bakbelysta TDI-CCD-sensorer kan uppnå kvantverkningsgrader (QE) nära 90 %. Emellertid begränsar deras seriella avläsningsarkitektur bildhastigheten – linjehastigheter ligger vanligtvis under 100 kHz, med sensorer med 2K-upplösning som arbetar vid cirka 50 kHz.
Frontbelyst TDI-CMOS
Frontbelysta TDI-CMOS-sensorer erbjuder snabbare avläsningshastigheter, med linjehastigheter med 8K-upplösning som når upp till 400 kHz. Strukturella faktorer begränsar dock deras QE, särskilt i det kortare våglängdsområdet, och håller den ofta under 60 %.
Ett anmärkningsvärt framsteg kom 2020 med lanseringen av TucsensDhyana 9KTDI sCMOS-kamera, en bakbelyst TDI-sCMOS-kamera. Den markerar ett betydande steg i att kombinera hög känslighet med snabb TDI-prestanda:
-
Kvanteffektivitet: 82 % maximal QE – cirka 40 % högre än konventionella frontbelysta TDI-CMOS-sensorer, vilket gör den idealisk för avbildning i svagt ljus.
-
Linjehastighet: 510 kHz vid 9K-upplösning, vilket motsvarar en dataflöde på 4,59 gigapixlar per sekund.
Denna teknik tillämpades först inom fluorescensskanning med hög genomströmning, där kameran fångade en 2-gigapixelbild av ett 30 mm × 17 mm fluorescerande prov på 10,1 sekunder under optimerade systemförhållanden, vilket visade betydande vinster i bildhastighet och detaljåtergivning jämfört med konventionella ytskanningssystem.
BildDhyana 9KTDI med Zaber MVR motoriserad scen
Mål10X Förvärvstid: 10,1 s Exponeringstid: 3,6 ms
Bildstorlek30 mm x 17 mm 58 000 x 34 160 pixlar
Viktiga fördelar med TDI-teknik
Hög känslighet
TDI-sensorer ackumulerar signaler över flera exponeringar, vilket förbättrar prestandan i svagt ljus. Med bakbelysta TDI-sCMOS-sensorer kan kvanteffektivitet över 80 % uppnås, vilket stöder krävande uppgifter som fluorescensavbildning och mörkfältsinspektion.
Höghastighetsprestanda
TDI-sensorer är utformade för högkapacitetsavbildning och fångar objekt i snabb rörelse med utmärkt skärpa. Genom att synkronisera pixelavläsningen med objektrörelser eliminerar TDI praktiskt taget rörelseoskärpa och stöder transportbandsbaserad inspektion, realtidsskanning och andra scenarier med hög kapacitet.
Förbättrat signal-brusförhållande (SNR)
Genom att integrera signaler över flera steg kan TDI-sensorer producera bilder av högre kvalitet med mindre belysning, vilket minskar riskerna för fotoblekning i biologiska prover och minimerar termisk stress i känsliga material.
Minskad känslighet för omgivningsstörningar
Till skillnad från områdesskanningssystem påverkas TDI-sensorer mindre av omgivande ljus eller reflektioner på grund av deras synkroniserade linje-för-linje-exponering, vilket gör dem mer robusta i komplexa industriella miljöer.
Applikationsexempel: Waferinspektion
Inom halvledarsektorn användes sCMOS-kameror med områdesavsökning ofta för detektering i svagt ljus på grund av deras hastighet och känslighet. Dessa system kan dock ha nackdelar:
-
Begränsat synfält: Flera ramar måste sys ihop, vilket resulterar i tidskrävande processer.
-
Långsammare skanning: Varje skanning kräver att man väntar på att scenen ska stabilisera sig innan nästa bild tas.
-
Sammanfogningsartefakter: Bildavbrott och inkonsekvenser påverkar skanningskvaliteten.
TDI-avbildning hjälper till att hantera dessa utmaningar:
-
Kontinuerlig skanning: TDI stöder stora, oavbrutna skanningar utan behov av ramsammanfogning.
-
Snabbare inspelning: Höga linjehastigheter (upp till 1 MHz) eliminerar fördröjningar mellan inspelningar.
-
Förbättrad bilduniformitet: TDI:s linjeskanningsmetod minimerar perspektivförvrängning och säkerställer geometrisk noggrannhet över hela skanningen.
TDI VS Area Scan
IllustrationTDI möjliggör en mer kontinuerlig och smidig förvärvsprocess
Tucsens Gemini 8KTDI sCMOS-kamera har varit effektiv vid djup ultraviolett waferinspektion. Enligt Tucsens interna tester uppnår kameran 63,9 % QE vid 266 nm och bibehåller chiptemperaturstabilitet vid 0 °C under längre tids användning – viktigt för UV-känsliga tillämpningar.
Utökad användning: Från specialiserad avbildning till systemintegration
TDI är inte längre begränsat till nischapplikationer eller benchmarktester. Fokus har skiftat mot praktisk integration i industriella system.
Tucsens Gemini TDI-serie erbjuder två typer av lösningar:
1. FlaggskeppsmodellerUtformad för avancerade användningsområden som front-end waferinspektion och UV-detektering av defekter. Dessa modeller prioriterar hög känslighet, stabilitet och dataflöde.
2. Kompakta varianterMindre, luftkylda och med lägre effekt – mer lämpliga för inbyggda system. Dessa modeller inkluderar CXP (CoaXPress) höghastighetsgränssnitt för effektiv integration.
Från högkapacitetsavbildning inom biovetenskap till precisionsinspektion av halvledare spelar bakbelyst TDI-sCMOS en allt viktigare roll för att förbättra avbildningsarbetsflöden.
Vanliga frågor
F1: Hur fungerar TDI?
TDI synkroniserar laddningsöverföringen mellan pixelrader med objektets rörelse. När objektet rör sig ackumuleras en ny exponering för varje rad, vilket ökar känsligheten, särskilt i applikationer med svagt ljus och hög hastighet.
F2: Var kan TDI-teknik användas?
TDI är idealisk för halvledarinspektion, fluorescensskanning, kretskortsinspektion och andra högupplösta, snabba bildapplikationer där rörelseoskärpa och svag belysning är problem.
F3: Vad bör jag tänka på när jag väljer en TDI-kamera för industriella tillämpningar?
När man väljer en TDI-kamera inkluderar viktiga faktorer linjehastighet, kvanteffektivitet, upplösning, spektralrespons (särskilt för UV- eller NIR-tillämpningar) och termisk stabilitet.
För en detaljerad förklaring av hur man beräknar linjeränta, se vår artikel:
TDI-serien – Hur man beräknar kamerans linjefrekvens
Tucsen Photonics Co., Ltd. Med ensamrätt. Vänligen ange källan vid citering:www.tucsen.com
