【ISP】线阵TDI探测器分析与探索

一、TDI 探测器工作原理

TDI型探测器，全称是​Time Delay and Integration（时间延迟积分）​，本质是一种特殊的线阵探测器结构。其核心工作原理是利用目标与探测器的​相对匀速运动​，通过多级感光单元对同一目标信号进行时间延迟积分累加，从而大幅提升弱光下的成像信噪比。

二、TDI探测器工作过程

工作过程可拆解为以下3个关键步骤：

2.1 结构基础：多级线阵串联

TDI探测器由多行性能一致的线阵单元组成，探测器32*256就是32级分辨率256（如32级就是TDI级数，还有64级、128级等）。

如下图所示，32级性能一致探测器单元，与检测运动方向一致。

每一级线阵都是独立的感光单元，且相邻列之间的信号读取存在固定的时间延迟。

2.2 同步运动匹配：信号精准衔接

成像时，检测目标需与探测器做​严格的匀速相对运动​。当目标的某一特征点经过第1级线阵时，该级像素会采集并存储这一特征的光信号； 随着目标匀速移动，同一特征点会在固定延迟时间后到达第2级线阵，此时第2级像素同步采集信号，并与第1级的信号进行累加； 以此类推，该特征点依次经过所有级数的线阵单元，每一级都会将采集到的信号叠加到前一级的信号上。

2.3 积分累加增效：提升弱光灵敏度

最终输出的信号是​所有级数单元采集信号的总和​。假设TDI级数为N，理论上输出信号强度可提升至单级线阵的N倍，同时噪声仅提升\sqrt{N}​倍，整体信噪比可提升\sqrt{N}倍。

2.4 核心关键点

• ​运动同步性是前提​：如果目标运动速度与延迟时间不匹配，同一特征点无法精准落在后续级数的对应像素上，会导致信号错位、图像模糊，因此TDI探测器必须搭配速度同步控制系统使用。
• ​级数与性能的平衡​：级数越高，信噪比提升越明显，但对运动同步精度的要求也越高，同时探测器的成本和体积也会相应增加。

三、 线阵、面阵、TDI探测器关键性能与适用场景差异

3.1 线阵探测器

• ​成像原理​：单次仅采集一条线的光学信息，需配合​运动扫描​（如物体移动、探测器移动）拼接成二维图像
• ​优势​：单像素感光面积大、分辨率高、动态范围宽，适合对一维细节的高精度采集。
• ​局限​：必须依赖扫描运动，静止物体无法成像；成像速度受扫描频率限制。

3.2 面阵探测器

• ​成像原理​：单次曝光即可直接采集二维平面的全部光学信息，无需扫描，直接输出二维图像
• ​优势​：无需扫描，​实时成像​，操作简单，适配静态和动态目标。
• ​局限​：像素密度高导致单像素感光面积小，弱光环境下信噪比低；大面阵探测器成本较高。

3.3 TDI型探测器

• ​成像原理​：利用目标与探测器的相对运动，让同一目标的光子依次入射到多级线阵单元上，通过积分累加提升信号强度
• ​优势​：通过多级积分，​弱光灵敏度极高​，且运动模糊小；兼具线阵的高分辨率和面阵的高效成像能力。
• ​局限​：对​运动同步性要求严格​（目标运动速度需与积分延迟精准匹配）；仅适用于匀速运动的目标。

3.4 核心区别总结

1. ​成像维度​：线阵是“一维采集+扫描合成二维”，面阵是“直接二维采集”，TDI是“多级一维积分+运动合成二维”。
2. ​灵敏度​：TDI型 > 线阵 > 面阵（弱光环境下）。
3. ​运动适配​：TDI型仅适配​匀速运动目标​，线阵需要主动扫描，面阵无运动限制。

四、 TDI探测器在工业检测的应用场景

4.1工业检测与电子制造

1. ​半导体晶圆缺陷检测​：TDI 相机检测 12 英寸晶圆表面划痕、颗粒污染及光刻掩膜版图案精度。
2. ​FPD 平板显示检测​：在 OLED/LCD 生产线中，TDI 线阵相机同步扫描基板，快速识别像素亮点 / 暗点、Mura 亮度不均及触摸屏线路断路。
3. ​PCB 与电子组装 X 射线检测​：TDI 探测器检测 ECU 板引线键合、BGA 焊球空洞，双向扫描覆盖整板。

4.2 新能源与材料检测

1. ​锂电池极片高速检测​：检测涂层厚度不均、针孔及边缘毛刺。
2. ​太阳能硅片隐裂检测​：在光伏产线中，TDI 相机识别 隐裂及绒面结构异常。

4.3 食品与包装检测

1. ​高速食品异物 X 射线检测​：TDI 探测器扫描瓶装饮料、罐装肉类，识别金属碎片、玻璃渣等异物。
2. ​药品包装密封性检测​：TDI 相机扫描铝塑泡罩包装，通过透射光强变化判断热封层泄漏。

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