2025/07/29在生物發光高通量成像和工業高速低光檢測領域，成像速度和靈敏度之間的最佳平衡一直是限制技術進步的核心瓶頸。傳統的線陣或面陣成像方案往往面臨艱難的權衡，難以兼顧檢測效率和系統性能。因此，工業升級受到了極大的限制。
背照式TDI-sCMOS技術的引進正逐步解決這些限制。這項創新技術不僅克服了低光照條件下高速成像的物理限制，而且將其應用範圍從生命科學領域擴展到半導體檢測和精密製造等先進工業領域。隨著這些發展，TDI-sCMOS在現代工業影像應用中的重要性日益凸顯。
本文概述了TDI成像背後的核心原理，追蹤了其發展歷程，並探討了其在工業系統中日益重要的角色。
理解TDI原理：動態成像領域的突破
時間延遲積分（TDI）是一種基於線掃描原理的影像擷取技術，它具有兩個重要的技術特點：
同步動態擷取
與採用「停止-拍攝-移動」循環的傳統面陣相機不同，TDI感應器可在運動過程中持續曝光影像。當樣品在視野中移動時，TDI感測器會將像素列的運動與物體的速度同步。這種同步機制能夠實現對同一物體的連續曝光和動態電荷積累，即使在高速運動下也能高效成像。
TDI成像演示：協調的樣品移動和電荷積分
電荷域積累
每個像素列將入射光轉換為電荷，然後經過多個採樣讀出階段進行處理。這種連續累積過程有效地將微弱訊號增強 N 倍，其中 N 代表積分級數，從而在光照條件有限的情況下提高訊號雜訊比 (SNR)。
不同TDI階段影像品質示意圖
TDI技術的演進：從CCD到背照式sCMOS
TDI 感測器最初是在 CCD 或前照式 CMOS 平台上建構的，但這兩種架構在應用於快速和低光成像時都有其限制。
TDI-CCD
背照式 TDI-CCD 感測器可實現接近 90% 的量子效率 (QE)。然而，其串行讀出架構限制了成像速度——線速率通常低於 100 kHz，2K 解析度感測器的運行速率約為 50 kHz。
前照式 TDI-CMOS
前照式TDI-CMOS感測器具有更快的讀取速度，8K解析度下的讀取速率可達400 kHz。然而，結構因素限制了它們的量子效率，尤其是在較短波長範圍內，通常低於60%。
2020年，途勝的發布帶來了顯著的進步。Dhyana 9KTDI sCMOS相機這是一台背照式TDI-sCMOS相機。它標誌著在結合高靈敏度和高速TDI性能方面取得了重大突破：
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量子效率：峰值量子效率達 82%，比傳統的正面照明 TDI-CMOS 感測器高出約 40%，使其成為低光成像的理想選擇。
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線路速率：9K 解析度下為 510 kHz，相當於每秒 4.59 吉像素的資料吞吐量。
此技術首先應用於高通量螢光掃描，在優化的系統條件下，相機在 10.1 秒內拍攝到 30 毫米 × 17 毫米螢光樣品的 2 億像素影像，與傳統的面掃描系統相比，成像速度和細節保真度均有顯著提高。
圖：配備 Zaber MVR 電動舞台的 Dhyana 9KTDI
目標：10倍 採集時間：10.1秒 曝光時間：3.6毫秒
圖片尺寸：30毫米 x 17毫米，58,000 x 34,160像素
TDI技術的關鍵優勢
高靈敏度
TDI感測器透過多次曝光累積訊號，從而提升低光性能。採用背照式TDI-sCMOS感測器，量子效率可超過80%，足以應付螢光成像和暗場偵測等高需求應用。
高速效能
TDI感測器專為高通量成像而設計，能夠以極高的清晰度捕捉快速移動的物體。透過將像素讀取與物體運動同步，TDI幾乎完全消除了運動模糊，並支援基於傳送帶的偵測、即時掃描和其他高通量應用場景。
提高訊號雜訊比 (SNR)
透過整合多個階段的訊號，TDI 感測器可以在較少照明的情況下產生更高品質的影像，從而降低生物樣本中的光漂白風險，並最大限度地減少敏感材料中的熱應力。
降低對環境幹擾的敏感性
與面掃描系統不同，TDI 感測器由於其逐行同步曝光，受環境光或反射的影響較小，因此在複雜的工業環境中更加穩健。
應用範例：晶圓檢測
在半導體領域，由於其速度快、靈敏度高，面掃描sCMOS相機常用於低光檢測。然而，這些系統也存在一些缺點：
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視野有限：需要將多個影格拼接在一起，導致處理過程耗時。
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掃描速度較慢：每次掃描都需要等待載物台穩定下來才能拍攝下一張照片。
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拼接瑕疵：影像間隙和不一致會影響掃描品質。
TDI成像有助於應對這些挑戰：
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連續掃描：TDI 支援大尺寸、不間斷掃描，無需幀拼接。
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更快的擷取速度：高線路速率（高達 1 MHz）消除了擷取之間的延遲。
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影像均勻性提升：TDI 的線掃描方法最大限度地減少了透視變形，並確保了整個掃描過程中的幾何精度。
TDI 與區域掃描
插畫TDI能夠實現更連續、更流暢的採集流程。
Tucsen 的 Gemini 8KTDI sCMOS 相機在深紫外晶圓偵測方面表現出色。根據 Tucsen 的內部測試，該相機在 266 nm 波長下量子效率達到 63.9%，並且在 0°C 下長時間使用仍能保持晶片溫度穩定——這對於紫外線敏感應用至關重要。
應用範圍擴大：從專業成像到系統集成
TDI不再局限於小眾應用或基準測試，其重點已轉向實際整合到工業系統中。
Tucsen 的 Gemini TDI 系列提供兩種類型的解決方案：
1. 旗艦機型專為前端晶圓檢測和紫外線缺陷檢測等高階應用場景而設計。這些型號優先考慮高靈敏度、穩定性和吞吐量。
2. 緊湊型變體體積更小、風冷、功耗更低——更適合嵌入式系統。這些型號配備 CXP（CoaXPress）高速接口，可簡化整合。
從生命科學領域的高通量成像到精密半導體檢測，背照式 TDI-sCMOS 在增強成像工作流程方面發揮越來越重要的作用。
常見問題解答
問題1：TDI是如何運作的？
TDI技術將像素行間的電荷轉移與物體的移動同步。當物體移動時，每一行都會累積一次曝光，從而提高感光度，尤其是在低光源和高速拍攝應用中。
Q2：TDI技術可以在哪些領域應用？
TDI 非常適合半導體檢測、螢光掃描、PCB 檢測以及其他高解析度、高速成像應用，在這些應用中，運動模糊和低照度都是需要考慮的問題。
Q3：在為工業應用選擇TDI相機時，我應該考慮哪些因素？
在選擇 TDI 相機時，重要因素包括線速率、量子效率、解析度、光譜響應（特別是對於紫外線或近紅外線應用）和熱穩定性。
有關如何計算線路費率的詳細說明，請參閱我們的文章：
