TDI 线扫描相机
应用、工作原理、优势
时间延迟积分(TDI)相机是一种特殊的线阵相机，可在多行像素上对光信号进行积分。它专为高行频而设计，通过逐行移动图像来提高光照强度，并减少运动模糊。常用于晶圆检测、半导体检测以及自动光学检测(AOI)。
关于TDI的关键信息
即使在快速运动和弱光条件下也能实现精确的图像处理
高灵敏度和低噪声
应用于半导体、显示器、电子元件生产以及工业检测
其工作原理是在运动过程中对多个芯片行进行积分
现代CMOS TDI芯片：快速、低噪声、高能效、需进行大量校准工作
TDI线阵相机的典型应用领域
TDI线阵相机专为需要快速运动和弱光水平的应用而设计。它基于时间延迟积分原理——即多芯片行沿着运动方向逐级累加信号，可实现高灵敏度和低噪声。在半导体、显示器和电子元件生产中，为高速生产工艺提供精确可靠的检测至关重要，因此TDI线阵相机是这些相关领域的理想之选。
TDI和标准线阵相机的区别
TDI适用于弱光条件或高速工艺流程，传统线阵相机在这些场景下往往无法满足要求。TDI线阵相机在曝光和信号处理方面也有所不同；在运动过程中，TDI线阵相机会对多行像素进行积分，从而提高光灵敏度并降低噪声。
对比项 | 传统线阵相机 | TDI线阵相机 |
芯片结构 | 1行（或多行） | 连续多行（例如最多256级） |
|---|---|---|
灵敏度 | 基准水平（单行像素） | 随TDI级数增加而提高（N倍） |
光照要求 | 需要高照度，信号仅积分一次 | 可接受较低照度，信号在多个行上积分 |
最大物体速度 | 速度范围有限 | 在相同信号量下可实现显著更高的速度 |
运动模糊 | 快速运动时影响严重 | 影响程度有所减轻，因为同一点被多次"曝光" |
成本 | 低 | 中高（由于系统设计复杂） |
TDI信号放大：光积分的原理及优势
通过对多条曝光行进行积分，现代TDI线阵相机的灵敏度最高可提高三倍，并扩展了动态范围。这可以改善弱光条件下的信号质量，并更精确地采集亮部和暗部图像区域的细节，从而提升工业检测过程的可靠性与效率。
步骤1：输入第一行
当物体在TDI线阵相机下方通过时，芯片的第一行像素检测反射光并将其转换为电荷。该电荷会被记录下来，并在随后的每个积分级中再次累加。根据相机型号不同，芯片可包含16至256个这样的TDI级，从而显著增强信号强度，进而提高灵敏度。
步骤2：电荷转移
当物体恰好移动了正好一个像素行的距离，第一行收集的电荷就会被传递到下一行像素，并与该行新采集的光信息相加。此过程逐行重复，直至读出累加后的信号。与传统线阵相机相比，TDI芯片生成的最终图像可显著提升信噪比。
步骤3：积分（累加）
当这些电荷到达第二行时，该行像素会再次采集物体上同一点的光线。在此过程中收集到的新电荷会被累加到来自第一行的已有电荷上。这种多重光探测和电荷积分机制可确保每个像素获得最大的信号强度。
步骤4：在所有行上重复
这一转移与累加的过程在TDI芯片的所有行（级）上重复进行。电荷沿着芯片“移动”，始终与运动中的物体保持同步，并针对物体的完全相同位置，在每一行上收集越来越多的光信息。
步骤5：读出最后一行
当累积的电荷到达芯片的最后一行时，累加信号将被读出，所得到的像素值包含了同一个点在所有积分行上的光信息总和，便于产生更强、噪声更低的信号，足以区分亮度方面的细微差异，并在弱光条件下进行更精确的评估。
TDI线阵相机的曝光控制与同步
TDI线阵相机对同步和曝光控制提出了很高的要求。其校准过程复杂且必须精确，以避免图像失真。相机运动与物体运动之间要精确协调，这是确保持续获得高质量图像的关键要素。
同步与校准
借助精确的控制系统和同步硬件，相机可实现与物体速度的精确匹配。我们的图像采集卡可提供集成的触发与同步功能，能够评估编码器信号，并为TDI线阵相机生成精确的行触发信号以及启动/停止信号。校准与定期维护可补偿漂移和磨耗，并确保同步性能，从而获得始终如一的成像质量。
物体运动控制与图像采集
自适应控制可检测速度变化并动态调整相机设置。即使运动轨迹发生变化，仍能保持图像稳定，也能保持测量值准确，从而减少延迟，并精确调整曝光和对焦参数。
在各种光照条件下获得清晰图像
要想在各种光照条件下都能获得清晰图像，需要均匀且足够强的光源。如有必要，可增加额外光源或红外光来提高对比度。使用CXP接口即可几乎实时地传输高质量图像，数据传输量可达Gbit/s级别，延迟低至微秒到几毫秒。因此，图像数据可立刻用于为快速过程做出相关决策。
结论：TDI可在严苛条件下提供高质量图像
TDI线阵相机能够在高速运动和弱光条件下获得高质量图像。
应用领域：半导体生产检测、印刷电路板测试、平板屏幕测试等。
与传统线阵相机的区别：在多个芯片行上进行多重信号积分，而非单次曝光，从而显著提高灵敏度和信噪比。
工作原理：逐行采集移动物体的图像；每行上的电荷随着物体的运动同步传递并累加。
挑战：需要稳定的光源以及物体运动、芯片扫描和校准之间的精确同步，且该过程对漂移较为敏感。
Basler TDI视觉系统
Basler TDI视觉系统为您的项目需求提供了强大且可靠的基础。我们可以针对您的要求，与您合作开发可面向未来需求的先进系统：例如racer 2 XL TDI线阵相机可通过256级TDI，高速提供光线出色的图像。依托我们的技术，我们将打造出具有前瞻性的视觉方案，并针对您的应用定制个性化组件。
关于Basler TDI视觉系统Frequently asked questions about TDI line scan cameras
TDI line scan cameras capture an object across many sensor lines and add together the signals from several exposures. This results in significantly higher sensitivity and image quality, especially in low light or with fast movements.
TDI technology is particularly efficient in high-speed inspection systems, for example, in semiconductor and printed circuit board testing or in scientific imaging.
With the TDI method, the light information reflected by the object is recorded line by line and transmitted synchronously with the object movement. Each line adds new light signals, which amplifies the overall signal.
TDI systems require uniform, stable lighting and precise synchronization between object movement and sensor scanning in order to produce sharp and distortion-free images.
Drift-free mechanics, precise speed control, and regular calibration are critical. In order to transfer data efficiently, it is also important to integrate with high-speed interfaces such as CoaXPress or Camera Link.