25/07/16在生物熒光高通量成像與工業(yè)高速弱光檢測(cè)領(lǐng)域，成像速度與靈敏度的平衡長(zhǎng)期以來是制約技術(shù)突破的核心瓶頸。傳統(tǒng)線陣或面陣成像方案往往面臨艱難權(quán)衡，難以兼顧檢測(cè)效率與系統(tǒng)性能，嚴(yán)重限制了產(chǎn)業(yè)升級(jí)步伐。隨著背照式TDI-sCMOS技術(shù)的出現(xiàn)，這一局面正在被徹底改變——它不僅突破了弱光高速成像的物理限制，更從生命科學(xué)領(lǐng)域快速滲透至半導(dǎo)體檢測(cè)、精密制造等高端工業(yè)場(chǎng)景，成為產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵引擎。本文將通過解析TDI技術(shù)的典型發(fā)展階段，揭示其在產(chǎn)業(yè)升級(jí)中持續(xù)走熱的底層邏輯。
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TDI技術(shù)原理：動(dòng)態(tài)成像的底層突破
TDI（Time Delay Integration）是一種基于線掃描原理的圖像采集技術(shù)，其核心優(yōu)勢(shì)源于兩大創(chuàng)新設(shè)計(jì)：
1） 同步動(dòng)態(tài)采集機(jī)制
在樣本持續(xù)勻速移動(dòng)過程中，TDI傳感器通過像素列與運(yùn)動(dòng)速度的精準(zhǔn)同步，實(shí)現(xiàn)對(duì)同一目標(biāo)的連續(xù)曝光與電荷動(dòng)態(tài)累積。這種"邊移動(dòng)邊曝光"的模式，徹底改變了傳統(tǒng)面陣相機(jī)"停-拍-移"的間斷式工作流程。
圖1： TDI圖像采集動(dòng)畫示例，樣本移動(dòng)與電荷累積的同步。
2） 多級(jí)電荷累加增益
每列像素將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電荷后，通過多級(jí)移位寄存器進(jìn)行累加，相當(dāng)于對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行N次疊加放大。在相同光通量條件下，TDI技術(shù)可將信噪比提升N倍，顯著改善弱光環(huán)境下的成像質(zhì)量。
圖2：不同TDI積分階數(shù)對(duì)應(yīng)的圖像效果示意。TDI等級(jí)越高，信號(hào)累積越充分，圖像信噪比越高。
TDI技術(shù)突破：從CCD到背照式sCMOS的跨越
傳統(tǒng)TDI技術(shù)多基于CCD或前照式CMOS傳感器，難以同時(shí)滿足高速與弱光成像需求：
1）TDI-CCD雖可通過背照式工藝實(shí)現(xiàn)高達(dá)90%的量子效率，但受限于串行讀出架構(gòu)，行頻難以突破100KHz，其中典型2K分辨率行頻僅50KHz；
2）前照式TDI-CMOS具備更高的讀出速度， 典型8K分辨率行頻可達(dá)400KHz，但由于結(jié)構(gòu)遮擋，量子效率通常低于60%，特別在短波段表現(xiàn)受限。
直到鑫圖（Tucsen）于 2020 年推出的背照式TDI-sCMOS相機(jī)——Dhyana 9KTDI，才真正實(shí)現(xiàn)了TDI技術(shù)在高靈敏度與高速性能上的同步突破：
1）82% 峰值量子效率（Quantum Efficiency，簡(jiǎn)稱：QE)，靈敏度較典型前照式TDI-CMOS靈敏度提升近 40%，可滿足絕大多數(shù)弱光場(chǎng)景應(yīng)用需求。
2）510KHz @ 9K的高行頻輸出，通量性能較典型TDI-CCD提升了近46倍。
該技術(shù)率先應(yīng)用于高通量熒光掃描領(lǐng)域。如圖 3 所示，Dhyana 9KTDI可在10.1秒內(nèi)完成對(duì) 30mm x 17mm 熒光樣本的20億像素高清成像，圖像采集效率相較傳統(tǒng)面陣方案大幅提升。
圖3：Dhyana 9KTDI搭配Zaber MVR電動(dòng)載物臺(tái)拍攝。物鏡：10X，采集時(shí)間：10.1s，曝光時(shí)間：3.6ms。圖像尺寸：30mm x 17mm，58,000 x 34,160 像素。
工業(yè)場(chǎng)景滲透：高速高精度晶圓檢測(cè)
在早期的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中，傳統(tǒng)面陣sCMOS相機(jī)因?yàn)榧婢吒哽`敏和高速成像優(yōu)勢(shì)，一度是弱光檢測(cè)任務(wù)的主流方案。但在半導(dǎo)體行業(yè)裝備升級(jí)背景下，面陣掃描方案在諸如晶圓檢測(cè)這類大視野、高精度的應(yīng)用中，逐漸暴露出瓶頸：
① 視野受限：需連續(xù)采集與拼接才能完成掃描任務(wù)；
② 耗時(shí)長(zhǎng)：每次采集需要等待平臺(tái)移動(dòng)和穩(wěn)定時(shí)間；
③ 拼接誤差：易產(chǎn)生圖像縫隙、亮度不均等問題。
圖4：晶片面陣掃描拼接示意圖。
TDI技術(shù)通過線性掃描+無縫拼接的特性，有效解決上述痛點(diǎn)：
①連續(xù)掃描：理論上可以實(shí)現(xiàn)“無限行”圖像采集，支持大幅面連續(xù)掃描；
②高速采集：無需等待平臺(tái)移動(dòng)時(shí)間，行頻最高可達(dá)1MHz，顯著減少掃描總時(shí)間；
③圖像一致性：線性掃描可避免透視畸變，保證整幅圖像的一致性和幾何精度。
圖5：TDI vs 面陣掃描動(dòng)態(tài)示意圖。TDI 實(shí)現(xiàn)了更連續(xù)、流暢的采集流程。
目前，鑫圖新一代Gemini 8KTDI相機(jī)已在深紫外晶圓缺陷檢測(cè)等場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)量化應(yīng)用。除了 TDI 技術(shù)本身的優(yōu)勢(shì)外，產(chǎn)品還針對(duì)半導(dǎo)體檢測(cè)的特殊需求，進(jìn)一步強(qiáng)化了紫外波段的靈敏度（266nm波段量子效率達(dá)到63.9%），8K分辨率行頻高達(dá)1MHz，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下仍能持續(xù)保持0 ℃的芯片制冷穩(wěn)定性，已成為高精度、大幅面和高一致性應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)引擎。
TDI技術(shù)普惠化：從“高精尖”到“場(chǎng)景化”落地
如今，TDI的發(fā)展不僅聚焦于更高行頻與更寬光譜響應(yīng)的單點(diǎn)技術(shù)突破，更在圍繞多元產(chǎn)業(yè)應(yīng)用需求，邁向定制化與系統(tǒng)化的解決方案。
作為背照式 TDI-sCMOS技術(shù)的先行者，鑫圖正積極推動(dòng)相關(guān)技術(shù)方案的落地。Gemini TDI系列產(chǎn)品線正同步推進(jìn)兩條技術(shù)發(fā)展路徑：
1）面向高端場(chǎng)景的旗艦產(chǎn)品：針對(duì)前道晶圓檢測(cè)、紫外缺陷識(shí)別等任務(wù)，提供更高靈敏度、更強(qiáng)穩(wěn)定性和更大通量，助力前沿產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)；
2）適配中型系統(tǒng)的輕量化版本：提供小尺寸、氣冷式、低功耗設(shè)計(jì)，和CXP主流高速接口，方便嵌入設(shè)備系統(tǒng)。
從生命科學(xué)的高通量成像到半導(dǎo)體工業(yè)的精密檢測(cè)，背照式TDI-sCMOS技術(shù)正逐步成為各類裝備升級(jí)路徑中的關(guān)鍵支撐力量。若您希望借助TDI技術(shù)優(yōu)化成像系統(tǒng)，歡迎聯(lián)系我們，定制專屬解決方案！
