TDI dans les caméras linéaires : Analogique ou numérique - Que choisir ?
La détection de petits défauts sur des surfaces en mouvement rapide nécessite une sensibilité élevée sans ralentir la production. La TDI (Time Delay Integration) permet d'augmenter le signal provenant d'objets en mouvement tout en maintenant le débit. Ce guide explique les deux principales approches TDI et comment choisir la bonne pour l'inspection des semi-conducteurs, des écrans, des circuits imprimés et des bandes.
Dernière mise à jour : 25/03/2026
Introduction et principes fondamentaux
Les caméras linéaires capturent des objets en mouvement rapide, une ligne étroite à la fois, ce qui les rend idéales pour les wafers, les panneaux de verre, les cartes de circuits imprimés et les matériaux en rouleau. Contrairement aux caméras matricielles, elles fournissent des images sans distorsion d'une longueur illimitée. À grande vitesse, l'exposition par ligne tombe à quelques microsecondes, ce qui produit des images bruitées sur des surfaces à faible réflectivité telles que le silicium nu, qui ne réfléchit qu'environ 4 % de la lumière.
L'intégration à retardement, ou TDI, résout ce problème en exposant de manière répétée chaque point lorsqu'il passe devant le capteur et en additionnant les expositions. Il existe deux approches principales de TDI :
Capteur TDI analogique : Utilise la technologie CCD ou CMOS hybride avec une sommation analogique sur trente-deux à plus de deux cents étages.
TDI numérique (CMOS multiligne + FPGA) : Utilise un capteur CMOS à quatre lignes et une accumulation numérique dans le FPGA de la caméra.
Les deux approches visent à améliorer la sensibilité à la lumière et la luminosité de l'image dans l'imagerie à balayage linéaire à grande vitesse, mais elles diffèrent considérablement en termes d'architecture, de sensibilité réalisable et de coût du système. La compréhension de ces différences aide les ingénieurs à déterminer quelle implémentation TDI répond le mieux à leurs exigences en matière d'inspection.
Les fondamentaux de la TDI : Deux voies vers la sensibilité
Capteur analogique TDI
Un capteur TDI analogique accumule le signal directement dans le domaine de charge du capteur. Le capteur se compose d'une colonne divisée en plusieurs étages (généralement 32-256). Lorsque l'objet se déplace, la charge photo-générée est déplacée d'un étage à l'autre en synchronisation avec le mouvement et accumulée avant la numérisation.
L'intégration du signal s'effectuant dans le domaine analogique, le bruit de lecture n'est introduit qu'une seule fois lors de la conversion A/N finale. Cela permet une amélioration substantielle de la sensibilité et des performances signal-bruit très élevées, permettant une imagerie fiable sous un éclairage extrêmement faible (souvent ≤0,1 lux) tout en maintenant une faible consommation d'énergie (typiquement 2-4 W).
Au fur et à mesure que le nombre d'étages augmente, la synchronisation entre le mouvement de l'objet et le transfert de charge devient plus exigeante. Les capteurs TDI à étages élevés nécessitent donc un contrôle de mouvement extrêmement précis et un retour d'information de l'encodeur. Tout décalage entre la vitesse de l'objet et la vitesse de la ligne se traduira par un flou de l'image.
TDI digital
Le TDI numérique utilise un capteur CMOS avec quatre rangées parallèles. Lorsque l'objet passe devant le capteur, chaque rangée capture la même scène à des moments légèrement différents. Le FPGA de la caméra aligne les rangées grâce à une correction spatiale et combine numériquement les données des pixels.
En accumulant plusieurs expositions du même objet en mouvement, le TDI digital améliore la sensibilité à la lumière et la luminosité de l'image dans l'imagerie à balayage linéaire à grande vitesse. Comme chaque ligne est numérisée avant d'être additionnée, le bruit de lecture est introduit à chaque étape, ce qui limite le gain de sensibilité réalisable par rapport à l'IDC analogique.
Chaque rangée subit une conversion A/N indépendante avant l'accumulation.
Comme le TDI analogique, le TDI digital nécessite une correspondance précise entre la vitesse de l'objet et le débit de la ligne. De petites variations de vitesse (environ ±5-10%) peuvent être tolérées grâce à la correction spatiale basée sur le FPGA, mais des écarts plus importants entraîneront toujours un flou de l'image.
Comparaison technique et facteurs clés de performance
Comme indiqué dans la section précédente, les TDI analogiques et numériques diffèrent principalement par l'endroit où se produit l'accumulation du signal. Le tableau ci-dessous développe ces distinctions par une comparaison plus approfondie des paramètres liés aux performances.
Paramètres | TDI digital (Post-ADC) | TDI analogique (domaine de charge) | Importance pour les ingénieurs |
Domaine d'intégration | Digital (sommation FPGA, Post-ADC) | Analogique (transfert de charge, pré-ADC) | Détermine le plancher de bruit fondamental et le mécanisme de gain. |
|---|---|---|---|
Stades/rangs typiques (N) | Faible (typiquement 4 rangs) | Haut (32 à 256 étages) | Indique la sensibilité maximale à la lumière pouvant être atteinte. |
Accumulation du bruit de lecture | Injecté N fois (à chaque lecture de ligne) | Injecté une fois à la sortie finale | L'ultime facteur de différenciation de la sensibilité : L'analogique donne≈ √N gain SNR à faible luminosité. |
Niveau de lumière utilisable | Faible éclairage modéré ( ≥ 0,5 lux) | Très faible luminosité (≤0,1 lux) | Essentiel pour les applications de champ sombre et d'électroluminescence. |
Tolérance de mouvement | Plus grande tolérance aux petites variations de vitesse | Synchronisation étroite | Impact sur la complexité et le coût de l'intégration mécanique et sur les exigences en matière de codeur. |
Capacité spectrale | Support couleur/multispectral intégré | Généralement monochrome pour un rapport signal/bruit maximal. | Avantage clé pour les applications nécessitant des informations sur les couleurs (par exemple, l'inspection des circuits imprimés). |
Coût relatif du système | Inférieur (capteur CMOS standard, mécanique indulgente) | Plus élevé (capteur hybride dédié, mécanique de haute précision) | La contrainte budgétaire est souvent le premier filtre de sélection. |
Note de bas de page :
Dans l'imagerie TDI, le signal augmente idéalement proportionnellement au nombre d'étages (N).
Pour les capteurs TDI, le bruit augmente plus lentement (seulement de √N) parce que le bruit de lecture est ajouté une fois à la fin.
Pour les TDI numériques, le bruit de lecture est ajouté à chaque lecture de ligne, de sorte que le bruit croît plus rapidement et limite le gain effectif de RSB dans des conditions de faible luminosité.
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Parlez à un expert en visionLa TDI, quelle que soit sa mise en œuvre, est fondamentalement destinée à augmenter la sensibilité à la lumière et la luminosité de l'image dans l'imagerie à balayage linéaire à grande vitesse. Le TDI numérique offre une option supplémentaire pour les applications où un petit nombre d'étages, comme quatre rangées, est suffisant. Dans ces cas, les clients peuvent obtenir une amélioration significative de la luminosité et de la sensibilité avec une solution beaucoup plus rentable que les capteurs TDI dédiés.
Applications dans le monde réel
Matrice de décision stratégique et liste de contrôle
La sélection de l'architecture TDI optimale, qu'il s'agisse du CMOS multiligne flexible avec fonction TDI numérique ou du capteur TDI à haute sensibilité, exige des ingénieurs qu'ils alignent directement les performances de la caméra sur les contraintes de l'application. Cette décision est généralement régie par trois facteurs principaux :
le budget lumière disponible, la tolérance du système
en matière de stabilité de la synchronisation mécanique et le plafond de coût global
. La matrice ci-dessous sert de liste de contrôle pratique, mettant en correspondance les exigences principales de l'application avec la technologie TDI la plus appropriée.
Exigence | TDI numérique | TDI analogique |
La capacité de réduire le budget est essentielle | Préféré | Limitations |
|---|---|---|
Éclairage ≥ 0,5 lux | Préféré | Acceptable |
Variation de la vitesse du convoyeur (par exemple, ±5%) | Préféré | Limitations |
Éclairage ≤ 0,5 lux (souvent ≤ 0,1 lux) | Limitations | Préféré |
Fissures submicroniques, résidus légers ou électroluminescence | Limitations | Préféré |
Champ sombre de l'inspection du silicium nu | Limitations | Préféré |
Génération minimale de chaleur dans une salle blanche | Acceptable | Préféré |
La monochromie est acceptable | Acceptable | Préféré |
Sommaire
Pour les applications qui ne nécessitent pas la sensibilité extrême d'un capteur TDI dédié, le TDI numérique constitue un moyen pratique d'améliorer la sensibilité à la lumière et la luminosité de l'image dans l'imagerie linéaire à grande vitesse.
Les capteurs TDI analogiques (en particulier la nouvelle génération de CMOS hybrides rétro-éclairés) restent le seul choix possible lorsqu'une sensibilité extrême sous un éclairage minimal est requise, comme pour l'inspection de plaquettes de silicium en amont ou la détection de défauts inférieurs à 100 nm.
Principaux enseignements pour les ingénieurs système :
Le TDI digital est souvent un point de départ pratique lorsqu'une amélioration modérée de la sensibilité est suffisante et que le coût du système doit rester contrôlé.
Passer au analogique lorsque le système devient réellement limité par la lumière : Ne passer à l'IDT analogique que si les tests de validation du concept montrent que le système est réellement limité par la lumière en dessous de ~0,3 lux.
Les caméras hybrides TDI les plus récentes comblent rapidement l'écart de vitesse et méritent d'être prises en considération pour les conceptions à l'épreuve du temps exigeant une sensibilité maximale.
La validation est essentielle : Choisissez en fonction de votre budget lumière actuel, de vos besoins spectraux et de la stabilité du mouvement, puis validez par un court essai en ligne. La bonne technologie TDI améliorera considérablement le rendement et la production.
Vous n'êtes pas sûr de l'approche TDI qui convient à votre système ?
Envoyez-nous vos exigences en matière d'inspection et nous vous aiderons à évaluer l'architecture d'imagerie optimale.
FAQ sur la technologie TDI
Non. La technologie TDI n'augmente pas la fréquence des lignes de la caméra. En revanche, elle améliore la sensibilité à la lumière et la luminosité de l'image tout en maintenant des vitesses d'inspection élevées.
L'IDC repose sur une synchronisation précise entre le mouvement de l'objet et le transfert de charge du capteur ou le temps d'exposition. Si la vitesse de l'objet ne correspond pas à celle de la ligne, le signal accumulé est désaligné, ce qui entraîne un flou de l'image.
Même avec le TDI numérique, la vitesse de l'objet doit correspondre étroitement à la fréquence linéaire de la caméra. Étant donné que plusieurs expositions sont combinées, chaque ligne doit capturer le même point de l'objet en mouvement au bon moment. Si les vitesses ne correspondent pas, le signal accumulé est désaligné et l'image apparaît floue.
Points clés :
TDI digital ≠ linéaire normal
L'exigence de synchronisation est similaire à celle de TDI
La différence réside dans l'endroit où l'intégration a lieu, et non dans l'exigence de mouvement.
Les petites variations de vitesse peuvent parfois être compensées à l'aide d'une correction spatiale basée sur le FPGA, mais les écarts plus importants entraîneront toujours un flou de l'image.
Un capteur TDI dédié est généralement préféré lorsque l'inspection est fortement limitée par la lumière disponible ou lorsque des défauts extrêmement faibles doivent être détectés, par exemple :
Inspection de plaquettes en champ sombre
Inspection par électroluminescence
Détection de défauts à très faible contraste ou submicroniques
Dans ces situations, le TDI analogique offre le meilleur rapport signal/bruit.
Cependant, le choix optimal dépend souvent de l'ensemble du système d'imagerie. Des facteurs tels que :
éclairage disponible
l'optique et le grossissement
stabilité du mouvement
contraste des défauts
peut influencer la question de savoir si l'IDC numérique est suffisante ou si un capteur TDI est nécessaire. Dans la pratique, il est souvent recommandé de procéder à une évaluation et à des essais.