TDI-Zeilenkameras
Einsatzbereiche, Funktionsprinzip und Vorteile
TDI- (Time Delay Integration) Kameras sind spezielle Zeilenkameras, die Lichtsignale über mehrere Stufen integrieren. Für hohe Taktzahlen konzipiert, verschieben sie das Bild zeilenweise, um die Beleuchtungsintensität zu erhöhen und Bewegungsunschärfe zu reduzieren. Sie werden häufig in der Wafer- und Halbleiterinspektion sowie in der automatisierten optischen Inspektion (AOI) eingesetzt.
Das Wichtigste zu TDI
Präzise Bildverarbeitung auch bei schnellen Bewegungen und schwachem Licht
Hohe Empfindlichkeit und geringes Rauschen
Einsatz in Halbleiter-, Display- und Elektronikfertigung sowie industrieller Inspektion
Funktion durch Integration mehrerer Sensorzeilen während der Bewegung
Moderne CMOS-TDI-Sensoren: schnell, rauscharm, energieeffizient und kalibrierungsintensiv
Typische Einsatzbereiche für TDI-Zeilenkameras
TDI-Zeilenkameras sind für Anwendungen konzipiert, die schnelle Bewegungen und geringe Beleuchtungsstärken erfordern. Durch das Time‑Delay‑Integration‑Prinzip, bei dem mehrere Sensorzeilen das Signal entlang der Bewegungsrichtung schrittweise addieren, erzielen sie eine hohe Empfindlichkeit bei gleichzeitig niedrigem Rauschen. Sie werden bevorzugt in der Halbleiter‑, Display‑ und Elektronikfertigung eingesetzt, wo eine präzise und zuverlässige Inspektion bei hohen Prozessgeschwindigkeiten entscheidend ist.
Unterschiede zwischen TDI- und Standard-Zeilenkameras
TDI ist für lichtarme oder sehr schnelle Prozesse geeignet, bei denen klassische Zeilenkameras nicht ausreichen. TDI-Zeilenkameras unterscheiden sich auch durch Belichtungs- und Signalverarbeitung, sie integrieren mehrere Stufen während der Bewegung. Das erhöht die Lichtempfindlichkeit und reduziert das Rauschen.
Aspekt | Klassische Linescan-Kamera | TDI‑Zeilenkamera |
Sensoraufbau | 1 (oder wenige) Stufe(n) | Viele aufeinander folgende Stufen (z.B. bis 256 Stufen) |
|---|---|---|
Empfindlichkeit | Referenzniveau (einzelne Sensorstufe) | Empfindlichkeit steigt mit Anzahl TDI‑Stufen (N‑fach) |
Lichtanforderung
| Hohe Beleuchtungsstärke nötig, da Signal nur 1x integriert wird
| Geringere Beleuchtungsstärke, da das Signal über mehrere Stufen integriert wird
|
Max. Objektgeschwindigkeit | Begrenzter Geschwindigkeitsbereich | Deutlich höhere Geschwindigkeiten bei gleicher Signalmenge |
Bewegungsunschärfe | Kritisch bei schneller Bewegung | Reduziert, da gleiche Stelle mehrfach „belichtet“ wird |
Kosten | Gering | Mittel bis hoch (aufgrund des komplexen Systemdesigns) |
TDI‑Signalverstärkung: Prinzip und Vorteile der Lichtintegration
Durch die Integration mehrerer Belichtungsstufen erzielen moderne TDI-Zeilenkameras eine bis zu dreifach höhere Empfindlichkeit und einen erweiterten Dynamikumfang. Dies führt zu einer verbesserten Signalqualität bei geringer Beleuchtung und einer präziseren Erfassung von Details in hellen und dunklen Bildbereichen, was die Zuverlässigkeit und Effizienz industrieller Inspektionsprozesse erhöht.
Schritt 1: Erfassung der ersten Stufe
Wenn ein Objekt unter einer TDI‑Zeilenkamera vorbeibewegt wird, erfasst die erste Pixelstufe des Sensors das reflektierte Licht und wandelt es in elektrische Ladung um. Diese Ladung wird bei jeder weiteren Integrationsstufe erneut erfasst und addiert. Je nach Kamera umfasst der Sensor 16 bis 256 solcher Stufen, was die Signalstärke und damit die Empfindlichkeit deutlich erhöht.
Schritt 2: Ladungsverschiebung (Charge Transfer)
Sobald sich das Objekt um genau eine Pixelstufe weiterbewegt hat, werden die in der ersten Stufe gesammelten Ladungen an die nächste Pixelstufe weitergegeben und dort mit den neuen Lichtinformationen addiert. Dieser Vorgang wiederholt sich zeilenweise, bis das summierte Signal ausgelesen wird. So entsteht eine deutlich verstärkte Abbildung mit verbessertem Signal‑zu‑Rausch‑Verhältnis im Vergleich zu herkömmlichen Zeilenkameras.
Schritt 3: Integration (Addieren)
Wenn diese Ladungen in der zweiten Stufe ankommen, erfassen die Pixel dieser Stufe das Licht desselben Punkts des Objekts erneut. Die dabei gesammelten neuen Ladungen werden zu den bereits vorhandenen Ladungen (die von der ersten Stufe kamen) addiert bzw. integriert. Diese mehrfache Lichterfassung und Ladungsintegration sorgt für maximale Signalstärke pro Bildpunkt.
Schritt 4: Wiederholung über alle Stufen
Dieser Prozess des Verschiebens und Addierens wiederholt sich über alle Stufen des TDI-Sensors. Die Ladungen "wandern" also entlang des Sensors, immer synchron mit dem sich bewegenden Objekt, und sammeln dabei bei jeder Stufe mehr und mehr Lichtinformationen vom exakt selben Punkt des Objekts.
Schritt 5: Auslesen der Endstufe
Wenn die kumulierten Ladungen die letzte Stufe des Sensors erreichen, werden sie ausgelesen. Der resultierende Pixelwert enthält die summierten Lichtinformationen eines Punktes über alle Integrationsstufen. So entsteht ein stärkeres, rauschärmeres Signal, das feine Helligkeitsunterschiede auflöst und präzisere Auswertungen bei schwacher Beleuchtung ermöglicht.
Belichtungssteuerung und Synchronisation bei TDI-Zeilenkameras
TDI-Zeilenkameras stellen hohe Anforderungen an Synchronisation und Belichtungssteuerung. Die Kalibrierung ist komplex und muss präzise erfolgen, um Verzerrungen zu vermeiden. Die exakte Abstimmung zwischen Kamerabewegung und Objektbewegung ist dabei entscheidend, um eine gleichbleibend hohe Bildqualität zu sichern.
Synchronisation und Kalibrierung
Mit präzisen Steuerungssystemen und Synchronisationshardware wird die Kamera exakt auf die Objektgeschwindigkeit abgestimmt. Unsere Framegrabber bieten integrierte Trigger- und Synchronisationsfunktionen, die Encodersignale auswerten und daraus präzise Linetrigger sowie Start/Stop-Signale für die TDI-Zeilenkamera generieren. Kalibrierung und Wartung gleichen Drift und Abnutzungen aus und sichern die Synchronität für konstante Bildqualität.
Steuerung der Objektbewegung und Bildaufnahme
Adaptive Regelungen erfassen Geschwindigkeitsvariationen und passen Kameraeinstellungen dynamisch an. Die Aufnahme verhält sich stabil auch bei wechselnden Bewegungsprofilen; Messwerte bleiben aussagekräftig. Dadurch werden Verzögerungen reduziert und Belichtungs- sowie Fokusparameter präzise justiert.
Klare Bilder bei jedem Licht
Klare Bilder bei allen Lichtverhältnissen erfordern eine gleichmäßige, ausreichend starke Beleuchtung, bei Bedarf durch zusätzliche Lichtquellen oder IR‑Licht für besseren Kontrast. Dank CoaXPress-over-Fiber (CoF)-Interface mit hohem Datendurchsatz im Gbit/s‑Bereich und minimalen Latenzen (Mikrosekunden bis wenige Millisekunden) wird die hohe Bildqualität nahezu in Echtzeit übertragen. Die Bilddaten stehen damit sofort für schnelle, prozessnahe Entscheidungen bereit.
Fazit: TDI bietet hohe Bildqualität unter schwierigen Bedingungen
TDI-Zeilenkameras ermöglichen bei besonders schnellen Bewegungen und schwachem Licht eine hohe Bildqualität.
Einsatzbereiche: Inspektion u. a. in der Halbleiterfertigung, Leiterplatten‑ und Flachbildschirmprüfung.
Unterschiede zu herkömmlichen Zeilenkameras: Mehrfache Signalintegration über mehrere Sensorstufen statt einmaliger Belichtung, dadurch deutlich höhere Empfindlichkeit und besseres Signal‑Rausch‑Verhältnis.
Funktionsweise: Das Bild eines bewegten Objekts wird Schritt für Schritt stufenweise erfasst; die elektrische Ladung jeder Zeile wird synchron zur Objektbewegung weitergegeben und addiert.
Herausforderungen: Präzise Synchronisation von Objektbewegung und Sensorabtastung nötig, empfindlich gegenüber Drift, erfordert genaue Kalibrierung und stabile Beleuchtung.
TDI-Vision System von Basler
Das TDI Vision System von Basler bietet eine leistungsfähige und zuverlässige Basis für Ihre Anforderungen. Zusammen mit Ihnen entwickeln wir speziell nach Ihren Anforderungen ein zukunftsfähiges System auf dem neuesten Stand der Technik: Die racer 2 XL TDI-Zeilenkamera z. B. liefert mit 256 TDI-Stufen hervorragend ausgeleuchtete Bilder bei höchsten Geschwindigkeiten. Mit unserer Unterstützung entsteht eine zukunftssichere Lösung, deren einzelne Komponenten auf Ihre Bedürfnisse zugeschnitten werden.
Häufig gestellte Fragen zu TDI-Zeilenkameras
TDI‑Zeilenkameras erfassen ein Objekt über viele Sensorzeilen hinweg und summieren die Signale mehrerer Belichtungen. Dadurch entsteht eine deutlich höhere Empfindlichkeit und Bildqualität, besonders bei schwacher Beleuchtung oder schnellen Bewegungen.
Vor allem in Hochgeschwindigkeits‑Inspektionssystemen – etwa bei der Halbleiter‑ und Leiterplattenprüfung oder in der wissenschaftlichen Bildgebung.
Beim TDI‑Verfahren wird die vom Objekt reflektierte Lichtinformation zeilenweise erfasst und synchron zur Objektbewegung weitergegeben. Jede Zeile addiert neue Lichtsignale, wodurch das Gesamtsignal verstärkt wird.
TDI‑Systeme benötigen eine gleichmäßige, stabile Beleuchtung und eine präzise Synchronisation zwischen Objektbewegung und Sensorabtastung, um scharfe und verzerrungsfreie Bilder zu erzeugen.
Kritisch sind driftfreie Mechanik, exakte Geschwindigkeitssteuerung und regelmäßige Kalibrierung. Außerdem ist die Integration mit Hochgeschwindigkeits‑Interfaces wie CoaXPress oder Camera Link wichtig, um die Daten effizient zu übertragen.