Tại sao công nghệ camera TDI đang ngày càng phổ biến trong lĩnh vực hình ảnh công nghiệp |

Trong lĩnh vực hình ảnh phát quang sinh học thông lượng cao và phát hiện ánh sáng yếu tốc độ cao trong công nghiệp, việc đạt được sự cân bằng tối ưu giữa tốc độ hình ảnh và độ nhạy từ lâu đã là một nút thắt cốt lõi hạn chế tiến bộ công nghệ. Các giải pháp hình ảnh mảng tuyến tính hoặc mảng diện tích truyền thống thường gặp phải những đánh đổi khó khăn, khiến việc duy trì cả hiệu quả phát hiện và hiệu suất hệ thống trở nên khó khăn. Kết quả là, việc nâng cấp công nghiệp đã bị hạn chế đáng kể.

Sự ra đời của công nghệ TDI-sCMOS chiếu sáng ngược đang bắt đầu giải quyết những hạn chế này. Công nghệ tiên tiến này không chỉ giải quyết những hạn chế vật lý của hình ảnh tốc độ cao trong điều kiện ánh sáng yếu mà còn mở rộng ứng dụng của nó ra ngoài lĩnh vực khoa học sự sống sang các lĩnh vực công nghiệp tiên tiến như kiểm tra chất bán dẫn và sản xuất chính xác. Với những phát triển này, TDI-sCMOS đang ngày càng trở nên quan trọng trong các ứng dụng hình ảnh công nghiệp hiện đại.

Bài viết này trình bày các nguyên tắc cốt lõi đằng sau công nghệ hình ảnh TDI, theo dõi sự phát triển của công nghệ này và thảo luận về vai trò ngày càng tăng của nó trong các hệ thống công nghiệp.

Hiểu về các nguyên tắc của TDI: Một bước đột phá trong hình ảnh động

Tích hợp độ trễ thời gian (TDI) là công nghệ thu nhận hình ảnh dựa trên nguyên lý quét dòng cung cấp hai tính năng kỹ thuật quan trọng:

Thu thập động đồng bộ

Không giống như các camera vùng truyền thống hoạt động theo chu kỳ "dừng-chụp-di chuyển", cảm biến TDI liên tục chụp ảnh khi vật thể đang chuyển động. Khi mẫu vật di chuyển qua trường nhìn, cảm biến TDI đồng bộ hóa chuyển động của các cột điểm ảnh với tốc độ của vật thể. Sự đồng bộ này cho phép chụp liên tục và tích lũy điện tích động của cùng một vật thể theo thời gian, cho phép chụp ảnh hiệu quả ngay cả ở tốc độ cao.

Trình diễn hình ảnh TDI: Chuyển động mẫu phối hợp và tích hợp điện tích

Tích lũy miền điện tích

Mỗi cột điểm ảnh chuyển đổi ánh sáng đi vào thành điện tích, sau đó được xử lý qua nhiều giai đoạn đọc mẫu. Quá trình tích lũy liên tục này giúp tăng cường hiệu quả tín hiệu yếu lên hệ số N, trong đó N biểu thị số mức tích hợp, cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) trong điều kiện ánh sáng hạn chế.

Minh họa về chất lượng hình ảnh ở các giai đoạn TDI khác nhau

Sự phát triển của công nghệ TDI: Từ CCD đến sCMOS chiếu sáng ngược

Cảm biến TDI ban đầu được xây dựng trên nền tảng CCD hoặc CMOS chiếu sáng phía trước, nhưng cả hai kiến trúc này đều có hạn chế khi áp dụng cho hình ảnh nhanh và thiếu sáng.

TDI-CCD

Cảm biến TDI-CCD chiếu sáng ngược có thể đạt hiệu suất lượng tử (QE) gần 90%. Tuy nhiên, kiến trúc đọc tuần tự của chúng hạn chế tốc độ chụp ảnh—tốc độ dòng thường dưới 100 kHz, trong khi cảm biến độ phân giải 2K hoạt động ở khoảng 50 kHz.

TDI-CMOS chiếu sáng phía trước

Cảm biến TDI-CMOS chiếu sáng mặt trước cung cấp tốc độ đọc nhanh hơn, với tốc độ dòng tín hiệu độ phân giải 8K lên đến 400 kHz. Tuy nhiên, các yếu tố cấu trúc hạn chế QE của chúng, đặc biệt là trong dải bước sóng ngắn hơn, thường giữ ở mức dưới 60%.

Một bước tiến đáng chú ý đã đến vào năm 2020 với việc phát hành TucsenMáy ảnh Dhyana 9KTDI sCMOS, một camera TDI-sCMOS chiếu sáng sau. Sản phẩm đánh dấu một bước tiến đáng kể trong việc kết hợp độ nhạy sáng cao với hiệu suất TDI tốc độ cao:

Hiệu suất lượng tử: QE cực đại 82%—cao hơn khoảng 40% so với cảm biến TDI-CMOS chiếu sáng phía trước thông thường, lý tưởng cho việc chụp ảnh thiếu sáng.

Tốc độ đường truyền: 510 kHz ở độ phân giải 9K, tương đương với thông lượng dữ liệu là 4,59 gigapixel mỗi giây.

Công nghệ này lần đầu tiên được áp dụng trong quét huỳnh quang thông lượng cao, trong đó camera chụp được hình ảnh 2 gigapixel của mẫu huỳnh quang 30 mm × 17 mm trong 10,1 giây trong điều kiện hệ thống được tối ưu hóa, chứng minh sự cải thiện đáng kể về tốc độ hình ảnh và độ trung thực chi tiết so với các hệ thống quét vùng thông thường.

Hình ảnh: Dhyana 9KTDI với bàn điều khiển cơ giới Zaber MVR

Khách quan: 10X Thời gian thu nhận: 10,1 giây Thời gian phơi sáng: 3,6ms

Kích thước hình ảnh: 30mm x 17mm 58.000 x 34.160 pixel

Ưu điểm chính của công nghệ TDI

Độ nhạy cao

Cảm biến TDI tích lũy tín hiệu qua nhiều lần phơi sáng, nâng cao hiệu suất trong điều kiện thiếu sáng. Với cảm biến TDI-sCMOS chiếu sáng ngược, hiệu suất lượng tử có thể đạt trên 80%, hỗ trợ các tác vụ đòi hỏi khắt khe như chụp ảnh huỳnh quang và kiểm tra trường tối.

Hiệu suất tốc độ cao

Cảm biến TDI được thiết kế cho hình ảnh thông lượng cao, chụp các vật thể chuyển động nhanh với độ rõ nét tuyệt vời. Bằng cách đồng bộ hóa dữ liệu điểm ảnh với chuyển động của vật thể, TDI hầu như loại bỏ hiện tượng nhòe chuyển động và hỗ trợ kiểm tra trên băng chuyền, quét thời gian thực và các tình huống thông lượng cao khác.

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) được cải thiện

Bằng cách tích hợp các tín hiệu trên nhiều giai đoạn, cảm biến TDI có thể tạo ra hình ảnh chất lượng cao hơn với ít ánh sáng hơn, giảm nguy cơ tẩy trắng ảnh trong các mẫu sinh học và giảm thiểu ứng suất nhiệt trong các vật liệu nhạy cảm.

Giảm khả năng bị ảnh hưởng bởi nhiễu xung quanh

Không giống như hệ thống quét khu vực, cảm biến TDI ít bị ảnh hưởng bởi ánh sáng xung quanh hoặc phản xạ do khả năng tiếp xúc theo từng dòng được đồng bộ, khiến chúng mạnh mẽ hơn trong môi trường công nghiệp phức tạp.

Ví dụ ứng dụng: Kiểm tra wafer

Trong lĩnh vực bán dẫn, camera sCMOS quét vùng thường được sử dụng để phát hiện ánh sáng yếu nhờ tốc độ và độ nhạy của chúng. Tuy nhiên, các hệ thống này có thể có những nhược điểm:

Trường nhìn hạn chế: Nhiều khung hình cần được ghép lại với nhau, dẫn đến quá trình mất nhiều thời gian.

Quét chậm hơn: Mỗi lần quét cần phải đợi cho đến khi bề mặt ổn định trước khi chụp ảnh tiếp theo.

Hiện tượng nhiễu khi ghép ảnh: Khoảng cách và sự không nhất quán của hình ảnh ảnh hưởng đến chất lượng quét.

Hình ảnh TDI giúp giải quyết những thách thức sau:

Quét liên tục: TDI hỗ trợ quét diện tích lớn, không bị gián đoạn mà không cần ghép khung.

Thu thập nhanh hơn: Tốc độ đường truyền cao (lên đến 1 MHz) giúp loại bỏ độ trễ giữa các lần chụp.

Độ đồng nhất hình ảnh được cải thiện: Phương pháp quét theo đường của TDI giảm thiểu hiện tượng méo hình và đảm bảo độ chính xác hình học trên toàn bộ quá trình quét.

Quét TDI so với quét vùng

Hình minh họa: TDI cho phép quá trình thu thập diễn ra liên tục và trơn tru hơn

Camera sCMOS Gemini 8KTDI của Tucsen đã chứng minh hiệu quả trong việc kiểm tra wafer cực tím sâu. Theo thử nghiệm nội bộ của Tucsen, camera đạt 63,9% QE ở bước sóng 266 nm và duy trì độ ổn định nhiệt độ chip ở 0°C trong thời gian sử dụng kéo dài - điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng nhạy cảm với tia UV.

Mở rộng sử dụng: Từ hình ảnh chuyên biệt đến tích hợp hệ thống

TDI không còn giới hạn ở các ứng dụng chuyên biệt hay thử nghiệm chuẩn mực nữa. Trọng tâm đã chuyển sang tích hợp thực tế vào các hệ thống công nghiệp.

Dòng sản phẩm Gemini TDI của Tucsen cung cấp hai loại giải pháp:

1. Các mẫu flagship: Được thiết kế cho các ứng dụng nâng cao như kiểm tra wafer đầu vào và phát hiện lỗi UV. Các model này ưu tiên độ nhạy, độ ổn định và thông lượng cao.
2. Các biến thể nhỏ gọn: Nhỏ hơn, làm mát bằng không khí và tiêu thụ điện năng thấp hơn—phù hợp hơn với các hệ thống nhúng. Các model này bao gồm giao diện tốc độ cao CXP (CoaXPress) cho khả năng tích hợp hợp lý.

Từ hình ảnh thông lượng cao trong khoa học đời sống đến kiểm tra chất bán dẫn chính xác, TDI-sCMOS chiếu sáng ngược đang đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc nâng cao quy trình làm việc hình ảnh.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi 1: TDI hoạt động như thế nào?

TDI đồng bộ hóa việc truyền điện tích trên các hàng pixel với chuyển động của vật thể. Khi vật thể di chuyển, mỗi hàng sẽ tích lũy thêm một điểm phơi sáng, tăng độ nhạy, đặc biệt là trong các ứng dụng thiếu sáng và tốc độ cao.

Câu hỏi 2: Công nghệ TDI có thể được sử dụng ở đâu?

TDI lý tưởng cho việc kiểm tra chất bán dẫn, quét huỳnh quang, kiểm tra PCB và các ứng dụng hình ảnh có độ phân giải cao, tốc độ cao khác khi quan tâm đến hiện tượng nhòe chuyển động và độ sáng thấp.

Câu hỏi 3: Tôi nên cân nhắc điều gì khi chọn camera TDI cho các ứng dụng công nghiệp?

Khi lựa chọn camera TDI, các yếu tố quan trọng bao gồm tốc độ đường truyền, hiệu suất lượng tử, độ phân giải, phản ứng quang phổ (đặc biệt đối với các ứng dụng UV hoặc NIR) và độ ổn định nhiệt.

Để biết giải thích chi tiết về cách tính giá cước, hãy tham khảo bài viết của chúng tôi:

Dòng TDI – Cách tính tần số dòng của camera