TDI 線掃描相機：類比 vs 數位：您應該如何選擇？
在快速移動的表面上檢測微小瑕疵，需要高靈敏度，同時又不能降低產能。TDI（時間延遲整合）可在維持產能的同時，增強來自移動物件的訊號。本指南說明兩種主要的 TDI 方法，以及如何選擇半導體、顯示器、PCB 和捲筒材料檢測的適用方案。
最後更新： 2026/03/25
簡介與基礎原理
針對快速移動物件，線掃描相機每次都拍攝一條窄線，特別適用於晶圓、玻璃面板、印刷電路板及捲筒材料。與面掃描相機不同，線掃描相機能產生無限長度的無失真影像。在高速條件下，每行的曝光時間可縮短至微秒等級；然而在拍攝低反射率表面（例如僅能反射約 4% 光線的裸矽）時，影像會出現大量雜訊。
時間延遲整合（TDI）的解決方式，是在物件經過感光元件時，對每個點進行重複曝光，並將多次曝光結果進行加總。TDI 主要有兩種方法：
類比 TDI 感光元件：採用 CCD 或混合式 CMOS 技術，累積 32 至 200 多個階段來進行類比加總。
數位 TDI（多行 CMOS + FPGA）：採用四行 CMOS 感光元件，並在相機的 FPGA 中進行數位累積。
兩種方法的目標，都是提升高速線掃描成像的感光靈敏度與影像亮度，但在架構、可達靈敏度及系統成本上有顯著的差異。了解這些差異，有助於工程師判斷哪種 TDI 方案最符合其檢測需求。
TDI 基礎原理：通往高靈敏度的兩條路徑
類比 TDI 感光元件
類比 TDI 感光元件直接在感光元件的電荷域中累積訊號。感光元件由一個分為多個累積階段（通常為 32–256 階段）的行組成。物件移動時，光產生的電荷會與運動同步，從一級依序前往下一級，並在數位化前完成累積。
由於訊號整合在類比域中進行，讀取雜訊僅引入一次，即在最終的 A/D 轉換階段，因此可大幅提升靈敏度，且具備極高的訊雜比效能，能在極低照度（通常 ≤0.1 lux）下進行可靠成像，同時維持低功耗（通常為 2–4 W）。
隨著累積階段數的增加，物件運動與電荷傳輸之間的同步要求也愈加嚴格。因此，高階數 TDI 感光元件需要極為精確的運動控制與編碼器回饋。物件速度與線速度之間若有任何不符，都將導致影像模糊。
數位 TDI
數位 TDI 採用具備四個平行列的 CMOS 感光元件。當物件移經感光元件時，會在略微不同的時刻，對每一列擷取相同的場景。相機的 FPGA 透過空間校正對各列進行校準，再以數位方式合併畫素資料。
數位 TDI 針對同一移動物件累積多次曝光，藉以提升高速線掃描成像的感光靈敏度與影像亮度。由於在加總前都會針對每一列事先數位化，因此每個累積階段都會引入讀取雜訊，相較於類比 TDI，數位 TDI 所能達到的靈敏度增益幅度是有所限制的。
每一列在累積前，都會進行獨立的 A/D 轉換。高品質的 A/D 轉換與數位訊號處理，有助於在數位加總過程中將訊號損失降至最低，並保持影像品質的完整性。
與類比 TDI 相同，數位 TDI 的物件速度與線速度同樣必須相互精確配合。小幅度的速度偏差（約 ±5–10%）可透過 FPGA 空間校正加以補償；但如果偏差較大，仍會造成影像模糊。
技術比較與關鍵效能因素
如前節所述，類比 TDI 與數位 TDI 的主要差異，在於訊號累積發生的位置。下表進一步深入比較與效能相關的各項參數。
參數 | 數位 TDI （ADC 後製處理） | 類比 TDI （電荷域） | 對工程師的意義 |
整合域 | 數位（FPGA 加總，ADC 後製處理） | 類比（電荷傳輸，ADC 預處理） | 決定基本雜訊底限與增益機制。 |
|---|---|---|---|
典型累積階段數／列數 (N) | 少（通常為 4 列） | 多（32 至 256 階） | 決定可達到的最高感光靈敏度。 |
讀取雜訊累積 | 引入 N 次（每次讀行時） | 僅在最終輸出時引入一次 | 靈敏度的根本差異所在： 類比 TDI 在低照度下可獲得約 √N 的訊雜比增益。 |
可用光源等級 | 中度低照度（≥ 0.5 lux） | 超低照度（≤ 0.1 lux） | 暗場／電致發光應用的關鍵需求。 |
移動容忍度 | 對小幅速度偏差的容忍度較高 | 需嚴格同步 | 影響機械整合的複雜度、成本及編碼器需求。 |
光譜擷取能力 | 內建彩色／多光譜支援 | 通常為黑白，以獲得最高訊雜比。 | 需要色彩資訊的相關應用（例如 PCB 檢測）關鍵優勢。 |
相對系統成本 | 較低（標準 CMOS 感光元件，機械精度要求寬鬆） | 較高（專用混合式感光元件，需高精度機械） | 預算限制通常是首要篩選條件。 |
附註：
TDI 成像的場合，理想狀態下，訊號增加應與累積階段數（N）成正比。
使用 TDI 感光元件時，雜訊增加較緩慢（僅為 √N），因為只會在最終輸出時引入一次讀取雜訊。
使用數位 TDI 時，每次讀行都會引入讀取雜訊，因此雜訊增長較快，限制低照度條件下的有效訊雜比增益。
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諮詢視覺專家無論採用哪種實作方式，TDI 的根本目的都是提升高速線掃描成像的感光靈敏度與影像亮度。數位 TDI 為僅需少量累積階段（例如四列）的應用提供了另類選擇。在此類情況下，客戶可以使用遠比專用 TDI 感光元件更具成本效益的方案，獲得顯著的亮度與靈敏度提升。
實際應用案例
策略性決策矩陣與清單
選擇最佳 TDI 架構：無論是具備數位 TDI 功能的彈性多行式 CMOS，或是高靈敏度 TDI 感光元件，都需要由工程師將相機效能與應用限制進行直接對應。這項決策通常受三個主要因素影響：可用光源的預算、系統'對機械同步穩定性的容忍度，以及整體成本上限。以下矩陣可作為實用的清單，將核心應用需求對應至最合適的 TDI 技術。
需求 | 數位 TDI | 類比 TDI |
低預算需求為優先考量 | 首選 | 有限 |
|---|---|---|
照度 ≥ 0.5 lux | 首選 | 可接受 |
輸送帶速度可有一定偏差（例如 ±5%） | 首選 | 有限 |
照度 ≤ 0.5 lux（通常 ≤ 0.1 lux） | 有限 | 首選 |
次微米裂縫、微弱殘留物或電致發光 | 有限 | 首選 |
裸矽暗場檢測 | 有限 | 首選 |
無塵室內最低熱量產生要求 | 可接受 | 首選 |
黑白即可滿足需求 | 可接受 | 首選 |
總結
對於不需要專用 TDI 感光元件極致靈敏度的應用，數位 TDI 提供一種實用方式，可用來提升高速線掃描成像的感光靈敏度與影像亮度。
類比 TDI 感光元件（尤其是新一代背照混合式 CMOS）仍是在最低照度下需要極致靈敏度的唯一選擇，例如前段晶圓檢測或 100 nm 以下的缺陷偵測。
系統工程師的重要結論：
數位 TDI 通常是務實的起點，在中等程度的靈敏度提升程度足敷所需，且必須控制系統成本的情況十分適用。
當系統真正受到光線限制時，才改用類比 TDI 方案：唯有概念驗證測試顯示照度確實低於約 0.3 lux 時，方可考慮改用。
符合未來需求：最新的混合式 TDI 相機正在快速縮小速度差距，值得列入需要最高靈敏度的前瞻性設計考量。
驗證是關鍵因素：根據您的實際光源預算、光譜需求和運動穩定性來選擇，再透過短期線上試驗進行驗證。選取正確且適用的 TDI 技術，將可大幅提升良率與產能。
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TDI 技術常見問題
不。TDI 不會提升相機的線速率；而是在維持高速檢測的同時，提升感光靈敏度與影像亮度。
TDI 仰賴物件運動與感光元件電荷傳輸或曝光時序之間的精確同步。若物件速度與線速率無法精確吻合，累積的訊號會發生偏移，導致影像模糊。
即使使用數位 TDI，物件速度仍必須與相機的線速率密切吻合。由於需要合併多次曝光，必須在正確時點針對每一列來擷取移動物件上的同一個點；若速度無法吻合，累積的訊號將發生偏移，導致影像出現模糊。
重點摘要：
數位 TDI ≠ 一般線掃描
同步需求與 TDI 相似
差異在於整合發生的位置，而非運動需求
小幅速度偏差有時可透過 FPGA 空間校正加以補償；但不吻合情形較嚴重時，仍將導致影像模糊。
當檢測受到可用光線的嚴重限制，或必須偵測極其微弱的缺陷時，通常會優先選用專用 TDI 感光元件，例如：
晶圓暗場檢測
電致發光檢測
超低對比度或次微米缺陷偵測
在上述情況下，類比 TDI 可帶來最高的訊雜比效能。
然而，最佳選擇往往取決於整體成像系統。影響因素包括：
可用照明條件
光學系統與放大倍率
運動穩定性
缺陷對比度
以上種種都可能影響數位 TDI 是否足敷使用，或是必須採用 TDI 感光元件。實務上通常建議先進行評估與測試。