【探测器】线阵相机中的 TDI 技术

1.背景

TDI 即Time Delay Integration时间延迟积分。
TDI相机是线阵相机的一种特殊类型，带有独特的时间延迟积分（TDI）技术。
换句话说，TDI相机是线阵相机的一个高级版本，它通过时间延迟积分（TDI）技术来提高图像质量和灵敏度。
在生活中我们见得最多得还有一种面阵相机，下面介绍线阵相机和面阵相机。

1.1、线阵相机（Line Scan Camera）
a、成像方式：
单行像素捕捉：线阵相机的传感器由单行或多行像素组成（通常只有一行或少数几行）。它一次只能捕捉一行像素数据。
逐行扫描：线阵相机通过逐行捕捉图像，当物体在相机前运动时，相机会连续读取每一行的数据。最终，这些行数据会被拼接在一起，形成一个完整的二维图像。
必须依赖物体运动：由于线阵相机一次只捕捉一行像素，它需要物体或者相机自身的连续运动来生成完整图像。因此，它非常适合线性运动的场景。

b、应用场景：
高速运动的物体检测：线阵相机特别适合高速流水线或连续运动的物体检测。例如，食品包装、印刷电路板（PCB）检查、纸张和纺织品的质量检测。
高分辨率长距离成像：在线性扫描应用中，线阵相机能够覆盖很长的距离或宽幅区域，适用于工业中的大幅面检测（如宽幅印刷材料的质量检查）。
空间和卫星成像：在线性扫描的遥感应用中，卫星上的线阵相机会随着卫星的轨道运动扫描地球表面。

1.2、面阵相机（Area Scan Camera）
a、成像方式：
二维像素阵列：面阵相机的传感器是二维像素矩阵，可以同时捕捉一个完整的图像。
一次曝光捕捉整个图像：面阵相机通过一次曝光捕捉整个场景的图像，就像拍照一样，它一次性获取的是完整的二维图像。
适合静止或低速运动场景：由于它不需要物体的连续运动就可以捕捉图像，面阵相机更适合静止或低速运动的物体成像。

b、应用场景：
静止或低速物体检测：面阵相机适合用于需要一次性捕捉整个场景的应用，如机械视觉系统中的物体检测、机器人导航、安防监控等。
标准成像应用：如显微镜下的生物样本观察、条码扫描、医疗设备成像等。
常规摄影：与日常使用的数码相机类似，面阵相机一次性拍摄整个图像，适用于需要获取完整场景的应用。

综上所述，对比线阵相机和面阵相机：

2.TDI相机

TDI相机是一种基于线阵相机的扩展技术，拓展支持了时间延迟积分（TDI）技术，允许通过多个像素行的累积曝光来提高图像质量和灵敏度。

它的工作方式是将传感器的多个像素行进行同步积分，使得每一行在物体移动的过程中积累多次曝光的光电信号。该技术显著提高了信噪比和灵敏度，尤其适合低光照或高速物体运动的场景。

成像原理：
线阵相机一次只能读取一行数据，随着物体运动形成完整图像；
TDI相机则通过多行累积（多TAP）和同步积分来增强图像信号，特别适合高速或低光条件下的应用。
即TDI相机在图像传感器上面并行排列多个与目标运动方向垂直的感光单元。在图像采集过程中，传感器会以非常高的速率将图像数据从每个感光单元读取并积分起来，以增强图像信号。 这种积分的方式可以抵消目标或相机自身运动造成的模糊和失真，从而获得更加清晰和细节丰富的图像。

注意：在相机技术中，TAP（也称为“通道”或“输出通道”）是指图像传感器上独立的数据输出路径。多个TAP的使用可以提高图像数据的读取速度，使相机能够更快地将图像传输到处理系统。对于TDI相机或其他高速相机，TAP数量的增加可以显著提高相机的整体性能。

应用场景：
普通的线阵相机用于中速线性运动的场景，如条码扫描、印刷检测等。
而TDI相机适用于高速且要求高灵敏度的场景，如半导体、印刷电路板检测、卫星遥感等。即在一些特定的高速运动或低光场景中，TDI相机比传统线阵相机有更好的表现。

以下是TDI 相机: C10000-801
传感器结构：

工作原理：
2048 (H) × 128 (V), 4 TAP
Line rate up to 50 kHz

时间延迟积分（TDI）是一种扫描技术，其中帧传输设备通过一组线性阵列生成移动物体的连续视频图像。这些线性阵列与被成像物体的运动对齐并同步，从而使得当图像从一条线移动到下一条线时，累积的电荷也随之移动。通过这种方式，TDI可以在较低光照条件下提供比线阵相机更高的分辨率。

3.场景应用

一个H型圆柱匀速移动被TDI相机采集的过程如下图：