라인스캔 + TDI 완전 정복 - 초고속 라인 검사와 렌즈,조명 선정까지.

Line-scan + TDI 센서 — 초고속 라인 검사의 물리

한 줄씩 이미지를 짓는 방식, 그리고 어두운 빛도 살려내는 TDI의 원리

Line-scan TDI Encoder Sync √N SNR Web 검사

Line-scan 카메라란

일반 카메라(Area-scan)는 매 순간 2D 프레임을 통째로 찍습니다. Line-scan 카메라는 다릅니다. 단 한 줄(또는 몇 줄)의 픽셀만 갖고 있고, 물체가 그 앞을 지나가면서 한 줄씩 이미지가 쌓여 2D 사진이 됩니다.

쉬운 비유 — 문서 스캐너를 떠올려 보세요. 스캐너는 종이 위를 가늘고 긴 광학계가 지나가며 한 줄씩 훑어 2D 이미지를 만듭니다. Line-scan 카메라는 이걸 산업용 초고속으로 하는 장치입니다.

Area-scan vs Line-scan 개념 비교

기본 특징

Area-scan

2D 스냅샷

물체 정지 또는 스톱앤고

넓지 않은 시야, 짧은 시간

범용 검사 · 부품 촬영

Line-scan

1D 라인 반복

연속 이동 물체 촬영

가로 픽셀 10k~30k 초고해상도

Web · 웨이퍼 · 실린더 검사

Line-scan을 왜 쓰는가

• 초고해상도 폭 — 한 줄에 10,000~30,000 픽셀. Area-scan으론 이 수준 폭에 도달 어려움
• 연속성 — 컨베이어·롤투롤 라인처럼 끊임없이 이동하는 물체에 최적
• 사이즈 제한 없음 — 물체 길이가 아무리 길어도 이동만 하면 촬영 가능 (수 미터 알루미늄 코일 등)
• 모션 블러 없음 — 이동 속도에 맞춰 라인 레이트를 동기화하면 매 라인은 매우 짧은 노출로 정지 상태나 마찬가지

TDI (Time Delay Integration)

TDI는 Line-scan의 확장판입니다. 픽셀이 단 한 줄이 아니라 여러 줄(수십~256줄)이 있고, 이 여러 줄이 물체 이동과 동기되어 같은 지점의 신호를 여러 번 누적합니다.

한 문장으로 — "한 지점을 N번 촬영해서 합친다". 신호는 N배 강해지고, 노이즈는 √N배로만 늘어나므로 SNR이 √N배 개선됩니다.

TDI 동작 원리

단계별 흐름

1. 물체의 한 지점이 Row 1 아래에 들어와 노출됨 → 신호 1단위 발생
2. 물체가 픽셀 하나만큼 이동, 신호가 Row 1 → Row 2로 동기 이동
3. 같은 지점이 Row 2에도 노출됨 → 신호 2단위 (누적)
4. Row 3, Row 4까지 반복 → 최종 신호 4단위 (4단 TDI)
5. Row N 끝단에서 N배 신호로 판독 완료

SNR 개선 공식

Signal ∝ N   |   Noise ∝ √N   |   SNR ∝ √N

즉 128단 TDI라면 SNR이 √128 ≈ 11배 좋아집니다. 노출 시간을 늘리지 않고, 라인 레이트도 그대로인데 신호만 강해집니다.

TDI가 필요한 이유 — 초고속 라인은 매 라인 노출 시간이 극단적으로 짧습니다(예: 10μs). 광량 부족으로 이미지가 어두운데, 노출을 늘리면 블러가 생김. TDI는 이동을 이용해 신호를 쌓는 방식으로 이 딜레마를 풀어줍니다.

동기화의 물리 — 흔들리면 다 무너진다

TDI의 강점은 "같은 지점을 여러 번 촬영"이라는 전제 위에 성립합니다. 이 동기가 어긋나면 — 즉 물체 이동 속도와 라인 레이트가 맞지 않으면 — 신호가 여러 지점에 걸쳐 누적되어 흐릿한(motion smeared) 이미지가 됩니다.

라인 레이트 결정 공식

Line Rate(Hz) = v / p

v = 이동 속도 (m/s), p = 물체 상에서의 픽셀 크기(m) = 픽셀 피치 ÷ 광학 배율

예: 배율 1x, 픽셀 피치 10μm, 이동 속도 1 m/s → 라인 레이트 = 1 / 10μm = 100 kHz

엔코더 트리거 (Encoder-driven)

• 컨베이어/스테이지에 로터리·리니어 엔코더 부착
• 엔코더가 일정 거리마다 펄스 출력 → 이 펄스로 라인 트리거
• 속도가 흔들려도 이동 거리 기준으로 라인이 나가므로 이미지 왜곡 최소

주의 — TDI에서 특히 민감
Line-scan은 라인 레이트 오차가 세로 방향 확대/축소로 나타나지만, TDI는 오차가 축적되어 이미지 자체가 흐려집니다. 128단 TDI라면 128번 어긋난 채로 신호가 쌓이니까요.

동기 정확도 요구

• 이동 방향과 센서 라인 방향의 수직도: 0.05° 이내 권장
• 속도 지터(jitter): 픽셀 피치의 10~20% 이하가 이상적
• 엔코더 해상도: 서브 픽셀 수준이 이상적 (예: 픽셀 10μm면 엔코더 2~5μm)

TDI가 진가를 발휘하는 현장

현장	왜 TDI인가
웹(Web) 검사 — 인쇄물·종이·필름·직물	롤투롤 초고속 이동, 어두운 재질도 안정적 이미지
반도체 웨이퍼·마스크 검사	미세 결함 검출에 초고감도 필요, 극단적 라인 속도
스틸·알루미늄 시트 검사	수 미터 폭, 초당 수 미터 이동, 저조도 환경
지폐·유가증권 검사	미세 인쇄 판독, 형광 잉크(약한 신호) 검출
PCB 인라인 AOI	고속 이송 라인, 미세 솔더 패턴 인식
철도 레일·터널 스캔	차량 이동 중 연속 촬영, 조명 제약 조건
디스플레이 패널 검사	대형 유리 패널 이송 검사, 서브픽셀 정확도
천체 관측 (Sky Survey)	지구 자전 속도에 맞춘 TDI로 별을 흐림 없이 촬영

Line-scan만 vs TDI
• 광량이 충분하고 검사 속도가 중간 → 일반 Line-scan으로 충분
• 광량이 부족하거나 속도가 극단이면 → TDI가 사실상 유일한 답

전용 조명 — 스트로브가 아니라 "연속광"

Area-scan에서는 스트로브(strobe) 조명이 표준이지만, Line-scan/TDI는 거의 항상 연속광(continuous)을 씁니다. 이유는 라인 촬영의 물리에 있습니다.

왜 스트로브가 아닌가
• Area-scan 스트로브 — "1프레임 = 1 짧은 광펄스"로 모션 블러 제거
• Line-scan은 초당 수만~수십만 라인을 촬영. 각 라인이 이미 μs 단위 노출
• 이 속도에서 매 라인마다 광펄스를 동기시키는 건 사실상 불가능하고 이득도 없음
• 대신 매우 밝은 연속광을 뿌려 짧은 라인 노출에서도 충분한 신호를 확보

Area-scan 스트로브 vs Line-scan 연속광

Line-scan/TDI 전용 조명의 필수 사양

요구 사양	이유	실무 수치
초고휘도 (radiance)	라인당 노출이 μs 단위 → 광량 부족하면 이미지 어둡거나 노이즈	수십만~수백만 lux 급 (예: Metaphase UB-LL 2.5 M lux)
라인 형상 (line geometry)	센서가 1D 형태 → 광도 1D 라인으로 집중해야 효율적	원통(cylindrical) 렌즈로 얇은 라인에 집속
플리커 자유 (flicker-free)	PWM 조광이 라인 레이트와 간섭하면 세로 줄무늬 발생	DC 구동 또는 라인 레이트의 10배 이상 PWM 주파수 (수 MHz)
공간 균일도	라인 방향 편차가 그대로 이미지 편차로 나타남	±5% 이내 (고급은 ±2%)
단기 · 장기 안정성	수 시간 연속 촬영 중 광량 드리프트는 이미지 밝기 편차	온도 보상 · 광량 피드백 회로 탑재 제품 선호

대표 벤더 & 제품 예시

벤더	Line-scan/TDI 대응 시리즈	특징
Chromasens	Corona II	2m 급 장거리 라인 조명, LED 균일도 최상급
Effilux	EFFI-LINE / EFFI-LINE3	초고휘도 라인, 자동 오버드라이브
Metaphase	UB-LL Ultra-Bright Line Light	최대 2.5 M lux, DC 구동
CCS	LNSP / LNSP-FN / LN-HK	Focus tube · 컨버전트 라인 광 (얇은 집속)
Advanced Illumination	LL 시리즈	다양한 파장, 저가~고휘도 라인업

예외 — 스트로브를 쓰는 경우
• 형광등·주변광이 있는 환경에서 주변광 억제 목적으로 매우 짧은 광펄스를 카메라 라인 노출과 동기
• 웨이퍼 검사처럼 열민감 대상에 평균 광량을 줄여야 할 때
• 이 경우도 "펄스 폭 < 라인 노출 시간"이라 일반 Area-scan 스트로브 조명과는 다른 초고속 펄스 컨트롤러가 필요합니다.

렌즈 선정 — 센서 길이가 시작점

Area-scan 렌즈 선정은 "센서 대각선"이 기준이지만, Line-scan은 "센서 길이(가로 폭)"가 결정적입니다. 센서가 62mm 길이라면 렌즈의 이미지 서클도 최소 62mm를 커버해야 하고, 마운트도 그에 맞아야 합니다.

센서 길이 → 마운트 매핑

센서 길이	예시 (픽셀 × 피치)	필요 이미지 서클	주 마운트
~ 14 mm	2k × 7μm	~16 mm	C-mount 가능
~ 29 mm	4k × 7μm	~32 mm	M42 · F-mount
~ 41 mm	8k × 5μm	~45 mm	M58 · M72
~ 62 mm	12k × 5μm	~72 mm	M72 · M90
~ 82 mm	16k × 5μm	~90 mm	M95

C-mount 함정 — C-mount는 이미지 서클이 대략 16mm가 한계. 4k 이상 Line-scan에는 부족해서 가장자리 심한 비네팅·왜곡 발생. 5mm급 픽셀에 4k 이상이면 M42/F-mount 이상을 검토하세요.

Line-scan/TDI 렌즈의 필수 요건

• 큰 이미지 서클 — 센서 대각선이 아닌 센서 길이를 다 덮어야 함
• 전 영역 균일 MTF — 중심·주변 모두 픽셀 피치에서 충분한 대비 유지 (에지 성능이 특히 중요)
• 낮은 색수차 — 컬러 line-scan의 R/G/B 채널이 픽셀 단위로 일치해야 함
• 낮은 왜곡 — 웨브 검사·측정 응용에서 기하 정확도 필수
• 축상 MTF 안정 — TDI에선 여러 행이 같은 지점을 봐야 하므로 초점 이동에 민감

대표 Line-scan 렌즈 벤더

• Schneider-Kreuznach — Apo-Componon / Apo-Digitar HM (M72/M95)
• Rodenstock — Apo-Rodagon-D, Rodagon Line-scan (M72/M95)
• Sill Optics — CorrectalXL 시리즈
• Nikon Rayfact — line-scan 광학
• Ricoh · Kowa · Fujinon — 중소형 Line-scan 라인업

렌즈 선정 계산 (예)

목표 — 폭 400mm 물체를 8k(41mm) Line-scan으로 검사

1. 광학 배율(β) 계산
β = 센서 길이 / FOV = 41 / 400 ≈ 0.10× (1:10 축소)

2. 초점거리(f) 대략치 — WD 500mm 가정
f ≈ WD × β / (1 + β) = 500 × 0.10 / 1.10 ≈ 45 mm
→ Schneider Apo-Componon HM 45mm 급 후보

3. 실제 픽셀 크기 = 5μm / 0.10 = 50μm
→ 필요 결함 크기가 50μm 이하면 배율을 더 키우거나 픽셀 더 작은 센서 선택

4. f/# 선정
회절 한계 f/# ≈ 픽셀 크기 / (1.22 × λ) 역산. 5μm 픽셀·550nm 광이면 f/7 이하 권장

TDI 특유의 렌즈 요구 — TDI는 여러 행이 같은 지점을 촬영하므로 MTF의 축상 일관성이 중요합니다. 각 행의 초점이 미묘하게 어긋나면 축적된 신호가 흐릿해집니다. 벤더 데이터시트의 "across the field" MTF 그래프를 반드시 확인하세요.

3종 비교표

항목	Area-scan	Line-scan	Line-scan TDI
센서 구조	2D 픽셀 매트릭스	1D (1~4행)	다중행 (16 ~ 256+ 단)
물체 상태	정지 또는 스톱앤고	연속 이동	연속 이동 + 정밀 동기
가로 픽셀 수	보통 1~50 MP	2k ~ 30k	2k ~ 16k (일반적)
SNR	기본	기본	√N배 개선
광량 요구	보통	많이 필요 (짧은 노출)	적어도 됨 (누적)
동기 정확도	불필요	필요	매우 엄격
비용	낮음~중간	중간~높음	높음

선택 Q&A

Q1. 물체가 계속 움직이는가?
No → Area-scan · Yes → 아래로

Q2. 가로 폭이 넓거나(> 4k px) 물체가 긴가?
Yes → Line-scan · No → Area-scan 재검토

Q3. 광량이 부족하거나 라인 속도가 극단인가?
Yes → Line-scan TDI

Q4. 엔코더 · 정밀 정렬 · 동기 회로 준비 가능한가?
No → TDI는 어렵다. Line-scan(비동기 프리런) 우선 검토

Q5. 예산 여유가 있는가?
TDI 카메라·프레임그래버·엔코더 조합은 2~5배 이상 예산 필요

한 줄 정리

Area-scan "한 번에 사진을 찍는다" — 정지·짧은 시간

Line-scan "한 줄씩 이어 붙인다" — 연속 이동·초고해상도

Line-scan TDI "여러 줄로 같은 지점을 겹쳐 쌓는다" — √N 배 SNR, 초고속·저조도

TDI는 물체의 움직임이라는 방해 요인을 오히려 이용해서 신호를 만드는 아이디어입니다. 조건만 맞으면 일반 Line-scan으로는 불가능한 이미지가 나옵니다.

※ Line-scan/TDI 카메라 스펙 · 라인 레이트 · 인터페이스는 벤더(Teledyne DALSA, Basler, Vieworks, JAI 등)에 따라 다양합니다. 실제 도입 시 이동 속도·해상도·광량 조건을 함께 검토하세요.