25/07/29У галузях високопродуктивної біолюмінесцентної візуалізації та промислового високошвидкісного виявлення в умовах низької освітленості досягнення оптимального балансу між швидкістю візуалізації та чутливістю довгий час було основним вузьким місцем, що обмежувало технологічний прогрес. Традиційні лінійні або площинні рішення для візуалізації часто стикаються зі складними компромісами, що ускладнює підтримку як ефективності виявлення, так і продуктивності системи. Як наслідок, промислова модернізація була значно обмежена.
Впровадження технології TDI-sCMOS із заднім підсвічуванням починає усувати ці обмеження. Ця інноваційна технологія не лише усуває фізичні обмеження високошвидкісної візуалізації в умовах низької освітленості, але й розширює її застосування за межі наук про життя на передові промислові сектори, такі як контроль напівпровідників та точне виробництво. Завдяки цим розробкам TDI-sCMOS стає дедалі актуальнішою в сучасних промислових застосуваннях візуалізації.
У цій статті викладено основні принципи TDI-візуалізації, відстежено її еволюцію та обговорено її зростаючу роль у промислових системах.
Розуміння принципів TDI: прорив у динамічній візуалізації
Інтеграція часової затримки (TDI) – це технологія отримання зображень, що базується на принципі лінійного сканування, яка пропонує дві важливі технічні особливості:
Синхронне динамічне збір даних
На відміну від традиційних камер площинної експозиції, які працюють за циклом «зупинка-знімок-рух», датчики TDI безперервно експонують зображення під час руху. Коли зразок рухається по полю зору, датчик TDI синхронізує рух стовпців пікселів зі швидкістю об'єкта. Ця синхронізація забезпечує безперервну експозицію та динамічне накопичення заряду одного й того ж об'єкта з часом, що дозволяє ефективно отримувати зображення навіть на високих швидкостях.
Демонстрація TDI-візуалізації: скоординований рух зразка та інтеграція заряду
Накопичення домену плати
Кожен стовпець пікселя перетворює вхідне світло на електричний заряд, який потім обробляється через кілька етапів зчитування вибірки. Цей безперервний процес накопичення ефективно підсилює слабкий сигнал у N разів, де N позначає кількість рівнів інтегрування, покращуючи співвідношення сигнал/шум (SNR) за умов обмеженого освітлення.
Ілюстрація якості зображення на різних етапах TDI
Еволюція технології TDI: від CCD до sCMOS з підсвічуванням
Спочатку датчики TDI були побудовані на платформах CCD або CMOS з фронтальним підсвічуванням, але обидві архітектури мали обмеження при застосуванні до швидкої обробки зображень в умовах низької освітленості.
TDI-CCD
TDI-CCD-сенсори з підсвічуванням можуть досягати квантової ефективності (QE) близько 90%. Однак їхня архітектура послідовного зчитування обмежує швидкість обробки зображень — лінійні швидкості зазвичай залишаються нижче 100 кГц, а сенсори з роздільною здатністю 2K працюють на частоті близько 50 кГц.
TDI-CMOS з фронтальним підсвічуванням
Фронтальне підсвічування датчиків TDI-CMOS забезпечує вищу швидкість зчитування, а роздільна здатність 8K на частоті ліній сягає 400 кГц. Однак структурні фактори обмежують їх коефіцієнт квантової ефективності (QE), особливо в діапазоні коротших довжин хвиль, часто утримуючи його нижче 60%.
Помітний прогрес відбувся у 2020 році з виходом фільму Тусена.sCMOS-камера Dhyana 9KTDI, TDI-sCMOS камера із заднім підсвічуванням. Вона знаменує собою значний крок у поєднанні високої чутливості з високошвидкісною TDI-продуктивністю:
-
Квантова ефективність: пікова квантова ефективність 82% — приблизно на 40% вища, ніж у звичайних TDI-CMOS-сенсорів з фронтальним підсвічуванням, що робить їх ідеальними для отримання зображень в умовах слабкого освітлення.
-
Швидкість лінії: 510 кГц при роздільній здатності 9K, що відповідає пропускній здатності даних 4,59 гігапікселів за секунду.
Цю технологію вперше застосували у високопродуктивному флуоресцентному скануванні, де камера захопила 2-гігапіксельне зображення флуоресцентного зразка розміром 30 мм × 17 мм за 10,1 секунди за оптимізованих системних умов, продемонструвавши значне збільшення швидкості візуалізації та точності деталізації порівняно зі звичайними системами сканування площини.
ЗображенняDhyana 9KTDI з моторизованою сценою Zaber MVR
Мета10X Час отримання зображення: 10,1 с Час експозиції: 3,6 мс
Розмір зображення: 30 мм x 17 мм 58 000 x 34 160 пікселів
Ключові переваги технології TDI
Висока чутливість
Датчики TDI накопичують сигнали протягом кількох експозицій, покращуючи роботу в умовах низької освітленості. Завдяки задньопідсвіченим датчикам TDI-sCMOS можна досягти квантової ефективності понад 80%, що дозволяє виконувати складні завдання, такі як флуоресцентна візуалізація та контроль у темному полі.
Високошвидкісна продуктивність
Датчики TDI розроблені для високопродуктивної візуалізації, захоплюючи швидкорухомі об'єкти з відмінною чіткістю. Синхронізуючи зчитування пікселів з рухом об'єкта, TDI практично усуває розмиття руху та підтримує конвеєрний контроль, сканування в режимі реального часу та інші високопродуктивні сценарії.
Покращене співвідношення сигнал/шум (SNR)
Інтегруючи сигнали з кількох етапів, датчики TDI можуть створювати зображення вищої якості з меншим освітленням, зменшуючи ризики фотознебарвлення в біологічних зразках та мінімізуючи термічне напруження в чутливих матеріалах.
Знижена чутливість до навколишнього впливу перешкод
На відміну від систем сканування площини, датчики TDI менше зазнають впливу навколишнього світла або відбиттів завдяки синхронізованій експозиції рядок за рядком, що робить їх більш надійними в складних промислових середовищах.
Приклад застосування: перевірка пластин
У секторі напівпровідників для виявлення в умовах низької освітленості зазвичай використовувалися sCMOS-камери з площинним скануванням через їхню швидкість та чутливість. Однак ці системи можуть мати недоліки:
-
Обмежене поле зору: необхідно зшити кілька кадрів разом, що призводить до трудомістких процесів.
-
Повільніше сканування: кожне сканування вимагає очікування стабілізації робочого столу перед зйомкою наступного зображення.
-
Зшивання артефактів: Прогалини та невідповідності зображення впливають на якість сканування.
TDI-візуалізація допомагає вирішити ці проблеми:
-
Безперервне сканування: TDI підтримує великі, безперервні сканування без необхідності зшивання кадрів.
-
Швидше отримання даних: Висока швидкість лінії (до 1 МГц) усуває затримки між захопленнями даних.
-
Покращена однорідність зображення: метод лінійного сканування TDI мінімізує спотворення перспективи та забезпечує геометричну точність по всьому скануванню.
TDI проти сканування області
ІлюстраціяTDI забезпечує більш безперервний та плавний процес придбання
sCMOS-камера Gemini 8KTDI від Tucsen ефективно проводить глибокий ультрафіолетовий контроль пластин. Згідно з внутрішніми випробуваннями Tucsen, камера досягає коефіцієнта якості 63,9% при 266 нм та підтримує стабільність температури чіпа на рівні 0°C протягом тривалого використання, що важливо для застосувань, чутливих до ультрафіолету.
Розширення використання: від спеціалізованої візуалізації до системної інтеграції
TDI більше не обмежується нішевими застосуваннями або тестуванням на бенчмарках. Акцент змістився на практичну інтеграцію в промислові системи.
Серія Gemini TDI від Tucsen пропонує два типи рішень:
1. Флагманські моделіРозроблено для складних випадків використання, таких як перевірка пластин на передній панелі та виявлення дефектів за допомогою УФ-випромінювання. Ці моделі надають пріоритет високій чутливості, стабільності та пропускній здатності.
2. Компактні варіантиМенші за розміром, з повітряним охолодженням та меншим енергоспоживанням — більше підходять для вбудованих систем. Ці моделі включають високошвидкісні інтерфейси CXP (CoaXPress) для спрощеної інтеграції.
Від високопродуктивної візуалізації в науках про життя до прецизійного контролю напівпровідників, TDI-sCMOS з підсвічуванням відіграє дедалі важливішу роль у покращенні робочих процесів візуалізації.
Найчастіші запитання
Q1: Як працює TDI?
TDI синхронізує перенесення заряду між рядами пікселів з рухом об'єкта. Коли об'єкт рухається, кожен рядок накопичує ще одну експозицію, збільшуючи чутливість, особливо в умовах низької освітленості та високої швидкості.
Q2: Де можна використовувати технологію TDI?
TDI ідеально підходить для інспекції напівпровідників, флуоресцентного сканування, інспекції друкованих плат та інших застосувань високошвидкісної візуалізації з високою роздільною здатністю, де виникають проблеми з розмиттям рухів та низьким рівнем освітлення.
Q3: Що слід враховувати, вибираючи TDI-камеру для промислового застосування?
Під час вибору TDI-камери важливими факторами є швидкість передачі даних, квантова ефективність, роздільна здатність, спектральна характеристика (особливо для застосувань в УФ- або ближньому інфрачервоному діапазоні) та термостабільність.
Для детального пояснення того, як розрахувати тариф на лінійку, зверніться до нашої статті:
Серія TDI – Як розрахувати лінійну частоту камери
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усі права захищено. Під час цитування, будь ласка, вкажіть джерело:www.tucsen.com
