Зарядовый прибор с задержкой и интегрированием (TDI) ( временная задержка и интегрирование ) — это датчик изображения для захвата изображений движущихся объектов при низком уровне освещенности. Хотя он использует схожую базовую технологию ПЗС, в работе он отличается от матриц слежения и матриц со сканирующими линиями . Он работает путем синхронизированного механического и электронного сканирования, так что эффекты тусклых целей изображения на датчике могут быть интегрированы в течение более длительных периодов времени.
TDI — это скорее режим работы ПЗС, чем отдельный тип устройства ПЗС в целом, даже если технические оптимизации для этого режима также доступны. Принцип, лежащий в основе TDI — конструктивная интерференция между отдельными наблюдениями — часто применим к другим сенсорным технологиям, так что он сопоставим с любым долгосрочным интегрирующим режимом формирования изображений, таким как спекл-визуализация , адаптивная оптика и особенно астрономические наблюдения с длительной выдержкой .
Это, пожалуй, самые простые для понимания устройства TDI по сравнению с более известными типами ПЗС-датчиков. Наиболее известным является датчик с матрицей staring array . В нем есть сотни или тысячи смежных рядов специально спроектированного полупроводника, которые реагируют на свет, накапливая заряд, и слегка отделенный по глубине от него изоляцией, плотно расположенный массив затворных электродов, электрическое поле которого может использоваться для перемещения накопленного заряда предсказуемым и почти без потерь образом. В конфигурации staring array изображение экспонируется на двумерной поверхности полупроводника, а затем результирующее распределение заряда по каждой строке изображения перемещается в сторону для быстрого и последовательного считывания электронным усилителем считывания. Если это сделано достаточно быстро, это дает моментальный снимок приложенного фотонного потока по датчику; считывание может происходить параллельно по нескольким строкам и дает двумерное изображение приложенного света. Наряду с КМОП-детекторами, которые считывают накопление фотозаряда пиксель за пикселем, а не перемещают заряд строка за строкой, такие датчики обычно известны как части цифровых камер, от самых маленьких до самых больших.
С другой стороны, сканирующая решетка включает в себя только одну такую линию ПЗС или максимум пару из них. Принцип ее работы заключается в том, чтобы полагаться на механическое сканирование, так что один линейный элемент ПЗС последовательно экспонируется на различные части объекта, который нужно отобразить. Затем все изображение собирается из равномерно распределенных линий через поле зрения. Типичными примерами этого режима сканирования являются факсимильные аппараты и другие сканеры документов, где цель изображения подается с постоянной линейной скоростью, и спутниковое зондирование, где постоянная орбитальная скорость спутника естественным образом экспонирует линию за другой нижележащей местности для поперечно расположенного датчика.
Преимущество использования ПЗС-датчика таким образом заключается в снижении сложности, а значит, и цены, или наоборот, возможности использования гораздо более совершенной и, следовательно, более дорогой технологии ПЗС для однолинейной матрицы датчиков для более высокой точности. ПЗС-датчики также могут быть изготовлены в конфигурациях, которые устойчивы к широким колебаниям радиации и температуры, характерным для космической среды, а сканирующие могут быть сделаны более надежными за счет включения нескольких линий. Поскольку механизм синхронизации хорошо сфазированной линии ПЗС представляет собой непрерывный процесс, не разделенный на пиксели, окончательное разрешение изображения по линиям также может превышать разрешение стробирующей инфраструктуры, что приводит к более высокому разрешению, чем у датчика на основе пикселей. ПЗС-датчики также легче изготавливать для криогенных температур, таких, которые необходимы, например, для дальней инфракрасной астрономии .
В то же время непрерывная работа и медленное, дискретное по строкам считывание также приводит к проблеме: если что-либо движется в пределах сцены, которую нужно отобразить, между строками будут размытость и разрывы. Всякий раз, когда какой-либо накопленный пакет заряда в строке ПЗС движется по чипу сенсора, любой дополнительный свет, падающий на него, приведет к большему заряду, даже если он исходит с неправильного направления или в более новый момент получения, чем предполагалось. Он будет регистрироваться точно так же, так что со временем он интегрируется в то, что в конечном итоге будет считано. Это приводит к тому, что в кинематографии называется размытостью движения , и поскольку считывание нескольких строк типичной матрицы ПЗС происходит в разное последовательное время, это также вызывает разрыв экрана .
В режиме TDI размытость изображения и псевдоаналоговая природа ПЗС-матриц превращаются из недостатка в специальное средство. Линейный или двумерный массив поворачивается на 90 градусов, чтобы линии в датчике ПЗС следовали ожидаемой траектории объекта интереса в поле зрения. Затем скорость считывания с датчика регулируется таким образом, чтобы зарядовые пакеты в плоскости изображения отслеживали объект, накапливая заряд с течением времени. Это фактически то же самое, что и вращение космического корабля или другой платформы для соответствия углу обзора по отношению к объекту; это дает временную интеграцию в цифровой области, а не в физической. Физическое отслеживание и наложение изображений могут применяться дополнительно, как более традиционные формы TDI.
Благодаря высокой чувствительности ПЗС-датчиков в режиме подсчета фотонов это может привести к чрезвычайно высокой чувствительности обнаружения и измерения. [1] Кроме того, трудно достичь такого же уровня когерентного измерения с помощью цифровых технологий, кроме ПЗС, поскольку они страдают от более выраженного наложения спектров .
В то время как базовая теория TDI упоминает только однорядные ПЗС, специально разработанные детали и алгоритмы используют все от нескольких строк до целых матриц, причем интеграция происходит по нескольким строкам, в том числе и в программном обеспечении. Специально разработанная ПЗС TDI улучшает систему однострочного сканирования, добавляя несколько измеренных фотозарядов по ее более сложному датчику и более всесторонним анализом взаимодействия между непрерывными строками и дискретной структурой столбцов. Это, например, помогает в интеграции по физическим ошибкам отслеживания, несовершенному линзированию, отклонению фона и отслеживанию нескольких объектов.
Технология CCD и, как таковая, TDI также используются в рентгеновской астрономии. Там преобладает другой набор проблем: TDI используется, потому что высокоэнергетические фотоны, как правило, демонстрируют высокие потери изображения, а затем, когда они случайно восстанавливаются, один за другим имеют тенденцию наносить ущерб элементу изображения. Здесь CCD часто используются, потому что они могут быть изготовлены в радиационно-стойких конфигурациях и довольно устойчивы к радиации даже в исходном виде. Это особенно важно в решениях, использующих когерентное сложение, потому что они фокусируют и отслеживают интенсивные источники излучения в течение определенного периода времени, так что общая доза облучения от источника достигает высоких уровней с течением времени на заданную площадь.
TDI CCD особенно часто используется при сканировании движущихся объектов, например, при сканировании писем и пленок , или с движущейся платформы, например, при воздушной разведке . [2]