25/07/16在生物熒光高通量成像與工業(yè)高速弱光檢測領域，成像速度與靈敏度的平衡長期以來是制約技術突破的核心瓶頸。傳統(tǒng)線陣或面陣成像方案往往面臨艱難權衡，難以兼顧檢測效率與系統(tǒng)性能，嚴重限制了產業(yè)升級步伐。隨著背照式TDI-sCMOS技術的出現，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，更從生命科學領域快速滲透至半導體檢測、精密制造等高端工業(yè)場景，成為產業(yè)升級的關鍵引擎。本文將通過解析TDI技術的典型發(fā)展階段，揭示其在產業(yè)升級中持續(xù)走熱的底層邏輯。
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TDI技術原理：動態(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，其核心優(yōu)勢源于兩大創(chuàng)新設計：
1） 同步動態(tài)采集機制
在樣本持續(xù)勻速移動過程中，TDI傳感器通過像素列與運動速度的精準同步，實現對同一目標的連續(xù)曝光與電荷動態(tài)累積。這種"邊移動邊曝光"的模式，徹底改變了傳統(tǒng)面陣相機"停-拍-移"的間斷式工作流程。
圖1： TDI圖像采集動畫示例，樣本移動與電荷累積的同步。
2） 多級電荷累加增益
每列像素將接收到的光信號轉化為電荷后，通過多級移位寄存器進行累加，相當于對弱信號進行N次疊加放大。在相同光通量條件下，TDI技術可將信噪比提升N倍，顯著改善弱光環(huán)境下的成像質量。
圖2：不同TDI積分階數對應的圖像效果示意。TDI等級越高，信號累積越充分，圖像信噪比越高。
TDI技術突破：從CCD到背照式sCMOS的跨越
傳統(tǒng)TDI技術多基于CCD或前照式CMOS傳感器，難以同時滿足高速與弱光成像需求：
1）TDI-CCD雖可通過背照式工藝實現高達90%的量子效率，但受限于串行讀出架構，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400KHz，但由于結構遮擋，量子效率通常低于60%，特別在短波段表現受限。
直到鑫圖（Tucsen）于 2020 年推出的背照式TDI-sCMOS相機——Dhyana 9KTDI，才真正實現了TDI技術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%，可滿足絕大多數弱光場景應用需求。
2）510KHz @ 9K的高行頻輸出，通量性能較典型TDI-CCD提升了近46倍。
該技術率先應用于高通量熒光掃描領域。如圖 3 所示，Dhyana 9KTDI可在10.1秒內完成對 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電動載物臺拍攝。物鏡：10X，采集時間：10.1s，曝光時間：3.6ms。圖像尺寸：30mm x 17mm，58,000 x 34,160 像素。
工業(yè)場景滲透：高速高精度晶圓檢測
在早期的工業(yè)應用場景中，傳統(tǒng)面陣sCMOS相機因為兼具高靈敏和高速成像優(yōu)勢，一度是弱光檢測任務的主流方案。但在半導體行業(yè)裝備升級背景下，面陣掃描方案在諸如晶圓檢測這類大視野、高精度的應用中，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；
② 耗時長：每次采集需要等待平臺移動和穩(wěn)定時間；
③ 拼接誤差：易產生圖像縫隙、亮度不均等問題。
圖4：晶片面陣掃描拼接示意圖。
TDI技術通過線性掃描+無縫拼接的特性，有效解決上述痛點：
①連續(xù)掃描：理論上可以實現“無限行”圖像采集，支持大幅面連續(xù)掃描；
②高速采集：無需等待平臺移動時間，行頻最高可達1MHz，顯著減少掃描總時間；
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 面陣掃描動態(tài)示意圖。TDI 實現了更連續(xù)、流暢的采集流程。
目前，鑫圖新一代Gemini 8KTDI相機已在深紫外晶圓缺陷檢測等場景實現量化應用。除了 TDI 技術本身的優(yōu)勢外，產品還針對半導體檢測的特殊需求，進一步強化了紫外波段的靈敏度（266nm波段量子效率達到63.9%），8K分辨率行頻高達1MHz，長時間運行下仍能持續(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用中的關鍵技術引擎。
TDI技術普惠化：從“高精尖”到“場景化”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的單點技術突破，更在圍繞多元產業(yè)應用需求，邁向定制化與系統(tǒng)化的解決方案。
作為背照式 TDI-sCMOS技術的先行者，鑫圖正積極推動相關技術方案的落地。Gemini TDI系列產品線正同步推進兩條技術發(fā)展路徑：
1）面向高端場景的旗艦產品：針對前道晶圓檢測、紫外缺陷識別等任務，提供更高靈敏度、更強穩(wěn)定性和更大通量，助力前沿產業(yè)技術升級；
2）適配中型系統(tǒng)的輕量化版本：提供小尺寸、氣冷式、低功耗設計，和CXP主流高速接口，方便嵌入設備系統(tǒng)。
從生命科學的高通量成像到半導體工業(yè)的精密檢測，背照式TDI-sCMOS技術正逐步成為各類裝備升級路徑中的關鍵支撐力量。若您希望借助TDI技術優(yōu)化成像系統(tǒng)，歡迎聯系我們，定制專屬解決方案！
