เหตุใดเทคโนโลยีกล้อง TDI จึงได้รับความนิยมในวงการถ่ายภาพอุตสาหกรรม |

ในด้านการถ่ายภาพด้วยแสงชีวภาพปริมาณสูง (bioluminescence) และการตรวจจับแสงน้อยความเร็วสูงในอุตสาหกรรม การบรรลุสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างความเร็วในการถ่ายภาพและความไวแสงถือเป็นอุปสรรคสำคัญที่จำกัดความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีมาอย่างยาวนาน โซลูชันการถ่ายภาพแบบเชิงเส้นหรือแบบอาร์เรย์พื้นที่แบบดั้งเดิมมักต้องเผชิญกับความยากลำบากในการรักษาประสิทธิภาพในการตรวจจับและประสิทธิภาพของระบบ ส่งผลให้การอัปเกรดในอุตสาหกรรมมีข้อจำกัดอย่างมาก

การนำเทคโนโลยี TDI-sCMOS แบบเรืองแสงจากด้านหลังมาใช้กำลังเริ่มแก้ไขข้อจำกัดเหล่านี้ เทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมนี้ไม่เพียงแต่ช่วยแก้ไขข้อจำกัดทางกายภาพของการถ่ายภาพความเร็วสูงในสภาพแสงน้อยเท่านั้น แต่ยังขยายขอบเขตการใช้งานนอกเหนือจากวิทยาศาสตร์ชีวภาพไปสู่ภาคอุตสาหกรรมขั้นสูง เช่น การตรวจสอบเซมิคอนดักเตอร์และการผลิตแบบแม่นยำ ด้วยการพัฒนาเหล่านี้ TDI-sCMOS จึงมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในการใช้งานด้านการถ่ายภาพอุตสาหกรรมสมัยใหม่

บทความนี้จะสรุปหลักการสำคัญเบื้องหลังการถ่ายภาพ TDI ติดตามวิวัฒนาการ และอภิปรายถึงบทบาทที่เพิ่มมากขึ้นในระบบอุตสาหกรรม

ทำความเข้าใจหลักการของ TDI: ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการถ่ายภาพแบบไดนามิก

Time Delay Integration (TDI) เป็นเทคโนโลยีการรับภาพที่ใช้หลักการสแกนเส้น ซึ่งมีคุณลักษณะทางเทคนิคที่สำคัญสองประการ ได้แก่

การได้มาแบบไดนามิกแบบซิงโครนัส

ต่างจากกล้องถ่ายภาพแบบเดิมที่ทำงานด้วยวงจร "หยุด-ถ่าย-เคลื่อนที่" เซ็นเซอร์ TDI จะเปิดรับแสงภาพอย่างต่อเนื่องในขณะที่กำลังเคลื่อนที่ เมื่อตัวอย่างเคลื่อนที่ผ่านระยะการมองเห็น เซ็นเซอร์ TDI จะซิงโครไนซ์การเคลื่อนที่ของคอลัมน์พิกเซลกับความเร็วของวัตถุ การซิงโครไนซ์นี้ช่วยให้เปิดรับแสงอย่างต่อเนื่องและเกิดการสะสมประจุแบบไดนามิกของวัตถุเดียวกันเมื่อเวลาผ่านไป ทำให้สามารถถ่ายภาพได้อย่างมีประสิทธิภาพแม้ในความเร็วสูง

การสาธิตการสร้างภาพ TDI: การเคลื่อนตัวของตัวอย่างและการรวมประจุที่ประสานกัน

การสะสมโดเมนการชาร์จ

แต่ละคอลัมน์พิกเซลจะแปลงแสงที่เข้ามาเป็นประจุไฟฟ้า ซึ่งจะถูกประมวลผลผ่านขั้นตอนการสุ่มตัวอย่างหลายขั้นตอน กระบวนการสะสมอย่างต่อเนื่องนี้ช่วยเพิ่มสัญญาณอ่อนได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยปัจจัย N โดยที่ N แทนจำนวนระดับการผสานรวม ส่งผลให้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ดีขึ้นภายใต้สภาพแสงจำกัด

ภาพประกอบคุณภาพของภาพในแต่ละขั้นตอน TDI

วิวัฒนาการของเทคโนโลยี TDI: จาก CCD สู่ sCMOS ที่ได้รับแสงจากด้านหลัง

เซ็นเซอร์ TDI ถูกสร้างขึ้นบนแพลตฟอร์ม CCD หรือ CMOS ที่ได้รับแสงจากด้านหน้า แต่สถาปัตยกรรมทั้งสองมีข้อจำกัดเมื่อนำไปใช้กับการถ่ายภาพที่รวดเร็วและแสงน้อย

TDI-CCD

เซ็นเซอร์ TDI-CCD แบบรับแสงด้านหลังสามารถบรรลุประสิทธิภาพควอนตัม (QE) ได้เกือบ 90% อย่างไรก็ตาม สถาปัตยกรรมการอ่านข้อมูลแบบอนุกรมของเซ็นเซอร์เหล่านี้จำกัดความเร็วในการถ่ายภาพ โดยทั่วไปอัตราเส้นจะต่ำกว่า 100 kHz โดยเซ็นเซอร์ความละเอียด 2K จะทำงานที่ประมาณ 50 kHz

TDI-CMOS แบบมีไฟส่องสว่างด้านหน้า

เซ็นเซอร์ TDI-CMOS แบบรับแสงด้านหน้าให้ความเร็วในการอ่านข้อมูลที่สูงขึ้น โดยมีอัตราเส้นความละเอียด 8K สูงถึง 400 kHz อย่างไรก็ตาม ปัจจัยเชิงโครงสร้างจำกัด QE ของเซ็นเซอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงความยาวคลื่นที่สั้นกว่า ซึ่งมักจะต่ำกว่า 60%

ความก้าวหน้าที่โดดเด่นเกิดขึ้นในปี 2020 ด้วยการเปิดตัว Tucsenกล้อง Dhyana 9KTDI sCMOSกล้อง TDI-sCMOS แบบรับแสงด้านหลัง นับเป็นก้าวสำคัญในการผสานรวมความไวแสงสูงเข้ากับประสิทธิภาพ TDI ความเร็วสูง:

ประสิทธิภาพควอนตัม: QE สูงสุด 82% สูงกว่าเซนเซอร์ TDI-CMOS ที่ได้รับแสงจากด้านหน้าแบบทั่วไปประมาณ 40% ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการถ่ายภาพในที่แสงน้อย

อัตราเส้น: 510 kHz ที่ความละเอียด 9K แปลเป็นอัตราข้อมูลขาเข้าขากออก 4.59 กิกะพิกเซลต่อวินาที

เทคโนโลยีนี้ถูกนำไปใช้ครั้งแรกในการสแกนฟลูออเรสเซนซ์ปริมาณงานสูง โดยกล้องสามารถจับภาพตัวอย่างฟลูออเรสเซนซ์ขนาด 30 มม. × 17 มม. ขนาด 2 กิกะพิกเซลได้ในเวลา 10.1 วินาทีภายใต้เงื่อนไขระบบที่ปรับให้เหมาะสม ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นอย่างมากในด้านความเร็วในการถ่ายภาพและความเที่ยงตรงของรายละเอียดเมื่อเทียบกับระบบสแกนพื้นที่แบบเดิม

ภาพ:Dhyana 9KTDI พร้อมเวทีขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ Zaber MVR

วัตถุประสงค์: 10X เวลาในการรับภาพ: 10.1 วินาที เวลาเปิดรับแสง: 3.6 มิลลิวินาที

ขนาดรูปภาพ: 30มม. x 17มม. 58,000 x 34,160 พิกเซล

ข้อได้เปรียบหลักของเทคโนโลยี TDI

ความไวสูง

เซ็นเซอร์ TDI สะสมสัญญาณจากการเปิดรับแสงหลายครั้ง ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการถ่ายภาพในที่แสงน้อย เซ็นเซอร์ TDI-sCMOS ที่ได้รับแสงจากด้านหลัง ช่วยให้สามารถบรรลุประสิทธิภาพควอนตัมที่สูงกว่า 80% ซึ่งรองรับงานที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น การถ่ายภาพด้วยแสงฟลูออเรสเซนซ์ และการตรวจสอบภาพแบบสนามมืด

ประสิทธิภาพความเร็วสูง

เซ็นเซอร์ TDI ออกแบบมาเพื่อการถ่ายภาพปริมาณงานสูง สามารถจับภาพวัตถุที่เคลื่อนที่เร็วได้อย่างชัดเจน ด้วยการซิงโครไนซ์การอ่านค่าพิกเซลกับการเคลื่อนไหวของวัตถุ TDI จึงสามารถขจัดภาพเบลอจากการเคลื่อนไหวได้เกือบหมด และรองรับการตรวจสอบบนสายพานลำเลียง การสแกนแบบเรียลไทม์ และสถานการณ์อื่นๆ ที่ต้องการปริมาณงานสูง

อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ที่ได้รับการปรับปรุง

เซ็นเซอร์ TDI สามารถสร้างภาพคุณภาพสูงขึ้นด้วยแสงน้อยลงได้โดยการบูรณาการสัญญาณในหลายขั้นตอน ลดความเสี่ยงจากการฟอกสีในตัวอย่างทางชีวภาพ และลดความเครียดจากความร้อนในวัสดุที่มีความอ่อนไหวให้เหลือน้อยที่สุด

ลดความไวต่อการรบกวนจากสภาพแวดล้อม

ต่างจากระบบสแกนพื้นที่ เซนเซอร์ TDI จะได้รับผลกระทบจากแสงโดยรอบหรือการสะท้อนน้อยกว่า เนื่องจากการได้รับแสงแบบซิงโครไนซ์ทีละบรรทัด ทำให้มีความทนทานมากขึ้นในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่ซับซ้อน

ตัวอย่างการใช้งาน: การตรวจสอบเวเฟอร์

ในภาคเซมิคอนดักเตอร์ กล้อง sCMOS แบบสแกนพื้นที่มักถูกนำมาใช้เพื่อตรวจจับแสงน้อยเนื่องจากความเร็วและความไว อย่างไรก็ตาม ระบบเหล่านี้อาจมีข้อเสีย:

มุมมองที่จำกัด: จำเป็นต้องเย็บเฟรมหลายเฟรมเข้าด้วยกัน ส่งผลให้ใช้เวลานาน

การสแกนช้าลง: การสแกนแต่ละครั้งต้องรอให้ขั้นตอนเสร็จสิ้นก่อนจึงจะบันทึกภาพถัดไปได้

สิ่งแปลกปลอมในการเย็บ: ช่องว่างและความไม่สอดคล้องของภาพส่งผลต่อคุณภาพการสแกน

การถ่ายภาพ TDI ช่วยแก้ไขความท้าทายเหล่านี้:

การสแกนต่อเนื่อง: TDI รองรับการสแกนขนาดใหญ่อย่างต่อเนื่องโดยไม่จำเป็นต้องเย็บเฟรม

การเก็บข้อมูลที่รวดเร็วยิ่งขึ้น: อัตราสายสูง (สูงสุด 1 MHz) ช่วยลดความล่าช้าระหว่างการจับภาพ

ความสม่ำเสมอของภาพที่ได้รับการปรับปรุง: วิธีการสแกนแบบเส้นของ TDI ช่วยลดการบิดเบือนของมุมมองและรับรองความแม่นยำทางเรขาคณิตตลอดการสแกนทั้งหมด

ไดอะแกรมไดนามิกของ TDI เทียบกับการสแกนพื้นที่

การสแกนพื้นที่ TDI เทียบกับ

ภาพประกอบ:TDI ช่วยให้กระบวนการจัดซื้อมีความต่อเนื่องและราบรื่นยิ่งขึ้น

กล้อง Gemini 8KTDI sCMOS ของ Tucsen มีประสิทธิภาพในการตรวจสอบเวเฟอร์อัลตราไวโอเลตเชิงลึก จากการทดสอบภายในของ Tucsen กล้องนี้ให้ค่า QE 63.9% ที่ 266 นาโนเมตร และรักษาเสถียรภาพอุณหภูมิชิปที่ 0°C ตลอดการใช้งานเป็นเวลานาน ซึ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ไวต่อรังสี UV

การขยายการใช้งาน: จากการสร้างภาพเฉพาะทางไปจนถึงการรวมระบบ

TDI ไม่ได้จำกัดอยู่แค่การใช้งานเฉพาะกลุ่มหรือการทดสอบประสิทธิภาพอีกต่อไป แต่ได้เปลี่ยนจุดเน้นไปที่การบูรณาการเชิงปฏิบัติเข้ากับระบบอุตสาหกรรม

ซีรีส์ Gemini TDI ของ Tucsen นำเสนอโซลูชันสองประเภท:

1. รุ่นเรือธง:ออกแบบมาสำหรับกรณีการใช้งานขั้นสูง เช่น การตรวจสอบเวเฟอร์ส่วนหน้าและการตรวจจับข้อบกพร่องด้วยรังสี UV รุ่นเหล่านี้ให้ความสำคัญกับความไวสูง ความเสถียร และปริมาณงาน
2. รุ่นกะทัดรัด:ขนาดเล็กลง ระบายความร้อนด้วยอากาศ และใช้พลังงานต่ำลง เหมาะสำหรับระบบฝังตัวมากกว่า รุ่นเหล่านี้มีอินเทอร์เฟซความเร็วสูง CXP (CoaXPress) เพื่อการผสานรวมที่ราบรื่นยิ่งขึ้น

จากการถ่ายภาพปริมาณงานสูงในวิทยาศาสตร์ชีวภาพไปจนถึงการตรวจสอบเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความแม่นยำ TDI-sCMOS ที่ได้รับแสงจากด้านหลังมีบทบาทสำคัญเพิ่มมากขึ้นในการปรับปรุงเวิร์กโฟลว์การถ่ายภาพ

คำถามที่พบบ่อย

Q1: TDI ทำงานอย่างไร?

TDI ซิงโครไนซ์การถ่ายโอนประจุระหว่างแถวพิกเซลกับการเคลื่อนไหวของวัตถุ เมื่อวัตถุเคลื่อนที่ แต่ละแถวจะสะสมแสงเพิ่มขึ้น ทำให้มีความไวแสงเพิ่มขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแสงน้อยและการใช้งานความเร็วสูง

Q2: เทคโนโลยี TDI สามารถใช้งานได้ที่ไหน?

TDI เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตรวจสอบเซมิคอนดักเตอร์ การสแกนฟลูออเรสเซนซ์ การตรวจสอบ PCB และแอปพลิเคชันถ่ายภาพความละเอียดสูงความเร็วสูงอื่นๆ ที่มีปัญหาภาพเบลอจากการเคลื่อนไหวและแสงน้อย

ไตรมาสที่ 3: ฉันควรพิจารณาอะไรบ้างเมื่อเลือกกล้อง TDI สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม?

เมื่อเลือกกล้อง TDI ปัจจัยสำคัญได้แก่ อัตราเส้น ประสิทธิภาพควอนตัม ความละเอียด การตอบสนองสเปกตรัม (โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน UV หรือ NIR) และเสถียรภาพทางความร้อน

สำหรับคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับวิธีการคำนวณอัตราเส้นโปรดดูบทความของเรา:

ซีรีส์ TDI – วิธีการคำนวณความถี่สายของกล้อง