TDI in Zeilenkameras: Analog vs. Digital – Welche Wahl sollten Sie treffen?
Kleine Defekte auf sich schnell bewegenden Oberflächen zu erkennen erfordert eine hohe Empfindlichkeit ohne Verlangsamung der Produktion. TDI (Time Delay Integration) erhöht das Signal von sich bewegenden Objekten bei gleichbleibendem Durchsatz. In diesem Leitfaden werden die beiden wichtigsten TDI-Ansätze und die Auswahl des richtigen Ansatzes für die Halbleiter-, Display-, PCB- und Bahninspektion erläutert.
Letzte Aktualisierung: 25.03.2026
Einführung und Grundlagen
Zeilenkameras erfassen sich schnell bewegende Objekte in einer schmalen Linie und sind daher ideal für Wafer, Glaspanels, Leiterplatten und Bahnmaterialien. Im Gegensatz zu Flächenkameras liefern sie verzerrungsfreie Bilder von unbegrenzter Länge. Bei hohen Geschwindigkeiten sinkt die Belichtungszeit pro Zeile auf Mikrosekunden, was zu verrauschten Bildern auf Oberflächen mit geringem Reflexionsvermögen wie blankem Silizium führt, das nur etwa vier Prozent des Lichts reflektiert.
Time Delay Integration (TDI) löst dieses Problem, indem sie jeden Punkt wiederholt belichtet, während er sich am Sensor vorbeibewegt, und die Belichtungen addiert. Es gibt zwei wesentliche TDI-Ansätze:
Analoger TDI-Sensor: Verwendet CCD- oder Hybrid-CMOS-Technologie mit analoger Summierung über zweiunddreißig bis mehr als zweihundert Stufen.
Digitales TDI (mehrzeiliges CMOS + FPGA) : Verwendet einen CMOS-Sensor mit vier Zeilen und digitaler Akkumulation im FPGA der Kamera.
Beide Ansätze zielen darauf ab, die Lichtempfindlichkeit und die Bildhelligkeit bei der Hochgeschwindigkeits-Zeilenabtastung zu verbessern. Aber sie unterscheiden sich erheblich in ihrer Architektur, der erreichbaren Empfindlichkeit und den Systemkosten. Das Verständnis dieser Unterschiede hilft Ingenieuren bei der Entscheidung, welche TDI-Implementierung am besten zu ihren Prüfanforderungen passt.
TDI-Grundlagen: Zwei Wege zur Empfindlichkeit
Analoger TDI-Sensor
Ein analoger TDI-Sensor sammelt das Signal direkt in der Ladungsdomäne des Sensors. Der Sensor besteht aus einer Spalte, die in mehrere Stufen unterteilt ist (normalerweise 32-256). Wenn sich das Objekt bewegt, wird die durch Licht erzeugte Ladung synchron mit der Bewegung von Stufe zu Stufe verschoben und vor der Digitalisierung akkumuliert.
Da die Signalintegration in der analogen Domäne stattfindet, entsteht das Ausleserauschen nur einmal bei der abschließenden A/D-Umwandlung. Dies ermöglicht eine erhebliche Verbesserung der Empfindlichkeit und eine sehr hohe Signal-Rausch-Leistung, die eine zuverlässige Bildgebung bei extrem geringer Beleuchtung (oft ≤0,1 Lux) bei gleichzeitig niedrigem Stromverbrauch (typischerweise 2-4 W) ermöglicht.
Mit zunehmender Anzahl von Stufen wird die Synchronisation zwischen Objektbewegung und Ladungsübertragung immer anspruchsvoller. TDI-Sensoren mit hoher Stufenzahl erfordern daher eine äußerst präzise Bewegungssteuerung und Encoder-Rückmeldung. Jede Abweichung zwischen Objektgeschwindigkeit und Zeilenrate führt zu Bildunschärfe.
Digitaler TDI
Digitaler TDI verwendet einen CMOS-Sensor mit vier parallelen Zeilen. Wenn sich das Objekt am Sensor vorbeibewegt, nimmt jede Zeile die gleiche Szene zu leicht unterschiedlichen Zeitpunkten auf. Der FPGA der Kamera richtet die Zeilen durch räumliche Korrektur aus und kombiniert die Pixeldaten digital.
Durch die Aufsummierung der Mehrfachbelichtungen desselben sich bewegenden Objekts verbessert digitales TDI die Lichtempfindlichkeit und die Bildhelligkeit bei der Hochgeschwindigkeits-Zeilenabtastung. Da jede Zeile vor der Aufsummierung digitalisiert wird, entsteht in jedem Schritt Leserauschen, das den erreichbaren Empfindlichkeitsgain im Vergleich zum analogen TDI begrenzt.
Jede Zeile durchläuft vor der Akkumulation eine eigenständige A/D-Umwandlung.
Wie analoges TDI erfordert auch digitales TDI eine genaue Abstimmung zwischen Objektgeschwindigkeit und Zeilenfrequenz. Kleine Geschwindigkeitsabweichungen (ca. ± 5-10 %) können durch FPGA-basierte räumliche Korrektur toleriert werden, größere Abweichungen führen jedoch zu Bildunschärfe.
Technischer Vergleich und wichtige Leistungsfaktoren
Wie im vorangegangenen Abschnitt beschrieben, unterscheiden sich analoge und digitale TDI vor allem darin, wo die Signalakkumulation stattfindet. In der nachstehenden Tabelle werden diese Unterschiede durch einen detaillierten Vergleich leistungsbezogener Parameter vertieft.
Parameter | Digitales TDI (Post-ADC) | Analoges TDI (Ladungsdomäne) | Bedeutung für Ingenieure |
Integrationsdomäne | Digital (FPGA-Summierung, Post-ADC) | Analog (Ladungsübertragung, Pre-ADC) | Bestimmt das Grundrauschen und den Verstärkungsmechanismus. |
|---|---|---|---|
Typische Stufen / Zeilen (N) | Niedrig (normalerweise 4 Zeilen) | Hoch (32 bis 256 Stufen) | Legt die maximal erreichbare Lichtempfindlichkeit fest. |
Akkumulation Ausleserauschen | N-mal eingespeist (bei jeder Zeilenauslesung) | Einmalig eingespeist bei der finalen Ausgabe | Ultimatives Unterscheidungsmerkmal der Empfindlichkeit: Analog ergibt≈ √N SNR-Verstärkung bei schwachem Licht. |
Nutzbares Lichtniveau | Mäßig schwaches Licht ( ≥ 0,5 Lux) | Sehr schwaches Licht (≤ 0,1 Lux) | Entscheidend für Dunkelfeld- / Elektrolumineszenz-Anwendungen. |
Bewegungstoleranz | Größere Toleranz gegenüber kleinen Geschwindigkeitsschwankungen | Enge Synchronisation | Beeinflusst die Komplexität und Kosten der mechanischen Integration und die Encoder-Anforderungen. |
Spektrale Leistungsfähigkeit | Integrierte Farb- / Multispektralunterstützung | Typischerweise monochrom für maximales SNR. | Ein entscheidender Vorteil für Anwendungen, die Farbinformationen erfordern (z. B. Leiterplatteninspektion). |
Relative Systemkosten | Niedriger (Standard-CMOS-Sensor, verzeihende Mechanik) | Höher (dedizierter Hybrid-Sensor, hochpräzise Mechanik) | Die Budgetbeschränkung ist oft der erste Auswahlfilter. |
Fußnote:
Bei der TDI-Bildgebung steigt das Signal im Idealfall proportional zur Anzahl der Stufen (N).
Bei TDI-Sensoren nimmt das Rauschen langsamer zu (nur um √N), da das Ausleserauschen nur einmal am Ende entsteht.
Bei digitalem TDI wird bei jedem Auslesen einer Zeile Rauschen hinzugefügt, so dass das Rauschen schneller zunimmt und den effektiven SNR-Gewinn bei schlechten Lichtverhältnissen begrenzt.
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Sprechen Sie mit einem Vision ExpertenTDI, unabhängig von der Implementierung, ist grundsätzlich dazu gedacht, die Lichtempfindlichkeit und die Bildhelligkeit bei der Hochgeschwindigkeits-Zeilenabtastung zu erhöhen. Digitales TDI bietet eine zusätzliche Option für Anwendungen, bei denen eine geringe Anzahl von Stufen, z. B. vier Zeilen, ausreicht. In diesen Fällen können die Kunden eine deutliche Verbesserung der Helligkeit und Empfindlichkeit mit einer wesentlich kostengünstigeren Lösung im Vergleich zu speziellen TDI-Sensoren erzielen.
Anwendungen in der realen Welt
Strategische Entscheidungsmatrix und Checkliste
Bei der Auswahl der optimalen TDI-Architektur, sei es der flexible Mehrzeilen-CMOS-Sensor mit digitaler TDI-Funktion oder der hochempfindliche TDI-Sensor, müssen die Ingenieure die Kameraleistung direkt mit den Anforderungen der Anwendung abgleichen. Diese Entscheidung wird in der Regel von drei Hauptfaktoren bestimmt: das verfügbare Lichtbudget, die Toleranz des Systems'für die mechanische Synchronisationsstabilität und die Gesamtkostenobergrenze. Die folgende Matrix dient als praktische Checkliste, die die wichtigsten Anwendungsanforderungen der am besten geeigneten TDI-Technologie zuordnet.
Anforderung | Digitales TDI | Analoges TDI |
Geringere Budgetkapazität ist entscheidend | Bevorzugt | Begrenzt |
|---|---|---|
Beleuchtung ≥ 0,5 Lux | Bevorzugt | Annehmbar |
Gewisse Schwankungen der Fördergeschwindigkeit (z.B. ± 5 %) | Bevorzugt | Begrenzt |
Beleuchtung ≤ 0,5 Lux (oft ≤ 0,1 Lux) | Begrenzt | Bevorzugt |
Submikron-Risse, schwache Rückstände oder Elektrolumineszenz | Begrenzt | Bevorzugt |
Dunkelfeld der xxxxxx Silicon-Inspektion | Begrenzt | Bevorzugt |
Minimale Wärmeentwicklung in einem Reinraum | Annehmbar | Bevorzugt |
Monochrom ist akzeptabel | Annehmbar | Bevorzugt |
Zusammenfassung
Für Anwendungen, die nicht die extreme Empfindlichkeit eines speziellen TDI-Sensors erfordern, bietet digitales TDI eine praktische Möglichkeit zur Verbesserung der Lichtempfindlichkeit und Bildhelligkeit bei der Hochgeschwindigkeits-Zeilenabtastung.
Analoge TDI-Sensoren (insbesondere die neue rückseitig beleuchtete Hybrid-CMOS-Generation) sind nach wie vor die einzige Wahl, wenn höchste Empfindlichkeit bei minimaler Beleuchtung erforderlich ist, wie z. B. bei der Front-End-Wafer-Inspektion oder der Erkennung von Defekten unter 100 nm.
Die wichtigsten Erkenntnisse für Systemingenieure:
Digitales TDI ist oft ein praktischer Ausgangspunkt wenn eine moderate Verbesserung der Empfindlichkeit ausreicht und die Systemkosten unter Kontrolle bleiben müssen.
Wechsel zu analogem TDI, wenn das System wirklich lichtbegrenzt ist: Übergang nur, wenn der Proof-of-Concept-Test zeigt, dass Sie wirklich unter ~0,3 Lux lichtbegrenzt sind.
Zukunftssicher: Die neuesten TDI-Hybridkameras schließen die Geschwindigkeitslücke schnell und sollten für zukunftssichere Designs, die maximale Empfindlichkeit erfordern, in Betracht gezogen werden.
Validierung ist der Schlüssel: Wählen Sie auf der Grundlage Ihres tatsächlichen Lichtbudgets, Ihres Spektralbedarfs und Ihrer Bewegungsstabilität aus und validieren Sie dann mit einem kurzen Online-Versuch. Die richtige TDI-Technologie wird die Ausbeute und den Durchsatz drastisch verbessern.
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FAQs zur TDI-Technologie
Nein. TDI erhöht nicht die Zeilenrate der Kamera. Stattdessen verbessert es die Lichtempfindlichkeit und Bildhelligkeit bei gleichbleibend hohen Prüfgeschwindigkeiten.
TDI beruht auf einer präzisen Synchronisation zwischen der Bewegung des Objekts und der Ladungsübertragung oder der Belichtungszeit des Sensors. Wenn die Objektgeschwindigkeit nicht mit der Zeilenrate übereinstimmt, wird das akkumulierte Signal falsch ausgerichtet, was zu Bildunschärfe führt.
Auch bei digitalem TDI muss die Objektgeschwindigkeit genau mit der Zeilenrate der Kamera übereinstimmen. Da mehrere Belichtungen kombiniert werden, muss jede Zeile denselben Punkt des sich bewegenden Objekts zum richtigen Zeitpunkt erfassen. Wenn die Geschwindigkeiten nicht übereinstimmen, wird das akkumulierte Signal falsch ausgerichtet und das Bild erscheint unscharf.
Wichtige Punkte:
Digitales TDI ≠ normale Zeilenabtastung
Die Synchronisierungsanforderungen sind ähnlich wie bei TDI
Der Unterschied liegt darin, wo die Integration stattfindet, nicht in der Bewegungsanforderung
Kleine Geschwindigkeitsabweichungen können manchmal durch eine FPGA-basierte räumliche Korrektur ausgeglichen werden, aber größere Abweichungen führen immer noch zu Unschärfen im Bild.
Ein spezieller TDI-Sensor wird in der Regel bevorzugt, wenn die Inspektion durch das verfügbare Licht stark eingeschränkt ist oder beispielsweise extrem schwache Defekte erkannt werden müssen:
Dunkelfeld-Waferprüfung
Elektrolumineszenz-Inspektion
Erkennung von Defekten mit sehr geringem Kontrast oder im Submikrometerbereich
In diesen Situationen bietet analoges TDI die höchste Signal-Rausch-Leistung.
Die optimale Wahl hängt jedoch oft vom gesamten Bildgebungssystem ab. Faktoren wie z. B.:
verfügbare Beleuchtung
Optik und Vergrößerung
Bewegungsstabilität
Fehlerkontrast
können beeinflussen, ob digitales TDI ausreicht oder ein TDI-Sensor erforderlich ist. In der Praxis wird oft eine Bewertung und Prüfung empfohlen.