時間延遲積分（Time Delay and Integration，TDI）線陣相機技術是現代高速、高精度圖像采集領域的一項革命性創新。自20世紀70年代末由Eastman Kodak公司首次開發以來，TDI技術已經在過去幾十年中經歷了顯著的演進和提升。其核心原理基于光電荷在多級像素陣列中的同步轉移與累積，從而在保持高掃描速度的同時顯著提升信噪比和靈敏度。這種獨特的工作機制使TDI線陣相機在諸如半導體晶圓檢測、平板顯示器檢測、衛星遙感等要求極高圖像質量和采集速度的應用領域中占據了不可替代的地位。

一、基本原理

TDI傳感器的基本結構通常由32至256行像素構成，每行像素數可達16K或更高。其工作過程可以用以下數學模型來描述：

S（x）=Σ（i=1toN）Pi（x）

其中，S（x）為最終輸出信號，N為TDI級數（即像素行數），Pi（x）為第i行在位置x處接收的光信號。這個公式清楚地表明了TDI技術的核心思想，通過多次累積來增強信號強度。

TDI的工作過程可以更詳細地描述如下：

a）當光線照射到第一行像素上時，產生初始的光電荷；

b）在下一個時鐘周期，這些電荷被精確地轉移到第二行像素；

c）同時，第一行像素繼續接收新的光子并產生新的電荷；

d）這個過程在隨后的像素行中持續進行，每一行都在接收新的光子并累積來自前一行的電荷；

e）當電荷到達最后一行像素時，累積的信號被讀出，形成最終的圖像信號，如下圖所示。

二、信噪比提升機制

TDI技術最顯著的優勢是大幅提高了信噪比（SNR）。理論上，N級TDI可以將SNR提高√N倍。這可以用以下公式表示：

SNR_TDI=√N*SNR_單行

其中，SNR_TDI是TDI傳感器的信噪比，SNR_單行是單行傳感器的信噪比，N是TDI級數。

這種信噪比的提升機制可以從統計學角度進行解釋。假設每個像素接收到的光子數遵循泊松分布，那么信號強度的標準差與信號強度的平方根成正比。當我們累積N次信號時，總信號強度增加N倍，而噪聲（標準差）僅增加√N倍，因此信噪比提高了√N倍。

三、時間同步機制

TDI技術的另一個關鍵在于電荷轉移速度與被檢測物體的移動速度必須精確同步。這種同步關系可以用以下公式表示：

v=d*f其中，v是物體移動速度，d是像素尺寸，f是行頻率（即電荷轉移頻率）。

精確的同步對于獲得清晰的圖像至關重要。如果同步不準確，會導致圖像模糊或產生"鬼影"。為了實現高精度同步，通常需要使用高精度編碼器或其他精密定時設備。在最新的系統中，甚至采用了基于機器學習的自適應同步算法，能夠實時調整電荷轉移速度以適應微小的速度變化。‍

四、TDI vs 傳統線掃描技術

相較于傳統的線掃描技術，TDI技術具有以下顯著優勢：

a）更高的靈敏度，由于信號在多個像素上累積，TDI技術可以在相同的曝光時間內捕獲更多的光子，從而提高靈敏度。這使得TDI相機特別適合低照度條件下的高速成像。靈敏度的提升可以用以下公式量化：

靈敏度提升=N*單行靈敏度

其中N為TDI級數；

b）更高的信噪比，如前所述，TDI技術可以顯著提高信噪比，這對于檢測微小缺陷或細微結構至關重要。在實際應用中，信噪比的提升通常略低于理論值√N，這主要是由于暗電流累積和電荷轉移效率等因素的影響；

c）更高的動態范圍，TDI技術允許在不飽和的情況下捕獲更多的光子，從而擴大了相機的動態范圍。動態范圍的提升可以用以下公式估算：

動態范圍提升≈log2（N）+單行動態范圍

這意味著，例如，128級TDI可以理論上增加約7位的動態范圍；

d）更高的行頻，由于每個像素接收光線的時間更長，TDI相機可以在更高的行頻下工作，同時保持良好的圖像質量。最新的TDI相機已經能夠達到驚人的5000kHz的行頻，這在傳統線掃描相機中是難以想象的。

五、技術挑戰

盡管TDI技術具有諸多優勢，但其實現也面臨一些技術挑戰：

a）精確同步，如前所述，TDI技術要求電荷轉移速度與物體移動速度精確匹配。在實際應用中，這種同步往往難以做到絕對精確。即使微小的不同步也可能導致圖像質量的顯著下降。為了解決這個問題，現代TDI系統通常采用復雜的反饋控制系統和自適應算法；

b）暗電流累積，由于電荷在多個像素中累積，暗電流也會隨之累積，可能導致噪聲增加。暗電流I_dark隨溫度T和TDI級數N的變化可以用以下簡化模型描述：

I_dark≈N*I0*exp（-Eg/（2kT））

其中I0是與材料相關的常數，Eg是半導體帶隙，k是玻爾茲曼常數。為了減少暗電流的影響，通常采用傳感器冷卻和暗電流補償算法等技術；

c）電荷轉移效率，在多次電荷轉移過程中，可能會發生電荷損失。電荷轉移效率（CTE）是衡量這一過程的重要參數。對于N級TDI，總的電荷轉移效率可以表示為：

CTE_total=（CTE_single）^N

其中CTE_single是單次轉移效率。這表明，即使單次轉移效率很高，多次轉移后的累積效應也可能顯著。為了保持高質量的圖像，現代TDI傳感器通常要求CTE_single達到0.99999或更高；

d）非線性響應，在某些情況下，TDI傳感器可能表現出非線性響應，特別是在高信號強度下。這種非線性性可以用多項式模型來描述：

S_out=a0+a1S_in+a2S_in^2+...

其中S_out是輸出信號，S_in是輸入信號，ai是非線性系數。為了補償這種非線性，通常需要進行精確的校準和查找表（LUT）校正。

六、技術發展

a）CMOS TDI，傳統上，TDI技術主要基于CCD傳感器。然而，近年來CMOS TDI技術取得了重大突破。CMOS TDI結合了CMOS的低功耗、高集成度和CCD的高圖像質量，代表了TDI技術的未來發展方向。CMOS TDI的一個關鍵優勢是能夠實現像素級模數轉換（ADC），從而大大提高了讀出速度和降低了噪聲；

b）背照式TDI，背照式技術通過增加量子效率來進一步提高TDI傳感器的性能。在背照式傳感器中，光線從硅襯底背面入射，避免了金屬布線的遮擋，從而提高了量子效率。量子效率的提升可以用以下公式表示：QE_背照式≈QE_正面照式/（1-FF）其中FF是填充因子，表示像素中光敏區域的比例；

c）多光譜TDI，通過在同一芯片上集成多個具有不同光譜響應的TDI傳感器，可以實現多光譜成像。這種技術為材料分析和缺陷分類提供了更多維度的信息。多光譜TDI的光譜分辨能力可以用光譜響應矩陣S來描述：

[R1，G1，B1]=S*[λ1，λ2，...，λn][R2，G2，B2]=S*[λ1，λ2，...，λn]...

其中[Ri，Gi，Bi]代表第i個TDI傳感器的RGB響應，[λ1，λ2，...，λn]代表入射光的光譜分布；

d）超高速TDI，最新的TDI技術已經能夠實現高達5000kHz的行頻。這種超高速掃描能力主要得益于以下幾個方面的技術進步：高速CMOS讀出電路、并行ADC架構、高帶寬數據傳輸接口（如CoaXPress12）、實時圖像處理FPGA。

在這種超高速下，對同步精度的要求更加嚴格。同步誤差Δt與行頻f之間的關系可以表示為：

圖像模糊≈v*Δt≈（d*f）*（Δf/f）

其中v是掃描速度，d是像素尺寸，Δf是頻率誤差。

七、TDI在半導體晶圓檢測中的應用

在半導體晶圓檢測等領域，TDI技術的高分辨率（可達16K像素/行）、高靈敏度（可達單光子級別）、高行頻（現已達5000kHz）以及超過90dB的動態范圍等特性使其成為不可或缺的工具。TDI相機能夠在亞微米級別檢測缺陷，同時滿足12英寸大尺寸晶圓的快速掃描需求。

此外，TDI的線性掃描特性避免了面陣相機的透視畸變，確保了全幅面成像質量的一致性。這一特性對于大面積晶圓的精確檢測尤為重要。

隨著集成電路制造工藝向5nm甚至更小節點邁進，對檢測系統的要求越來越高。TDI技術在提升良品率、降低成本方面的作用愈發凸顯。未來，隨著人工智能和機器學習算法的深度集成，TDI相機有望實現更智能化的實時缺陷檢測和分類，進一步推動半導體產業的技術進步。

轉自：機器之瞳

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