Устройство с зарядовой связью ( CCD) с временной задержкой и интеграцией или интеграцией с временной задержкой (TDI ) представляет собой датчик изображения для захвата изображений движущихся объектов при низких уровнях освещенности. Несмотря на использование аналогичной базовой технологии ПЗС, в работе она контрастирует со смотровыми матрицами и матрицами с линейной разверткой . Он работает за счет синхронизированного механического и электронного сканирования, поэтому воздействие тусклых объектов изображения на датчик можно интегрировать в течение более длительных периодов времени.
TDI — это скорее рабочий режим для ПЗС-матриц, чем отдельный тип ПЗС-устройства в целом, даже если для этого режима также доступны технические оптимизации. Принцип, лежащий в основе TDI — конструктивная интерференция между отдельными наблюдениями — часто применим к другим сенсорным технологиям, так что его можно сравнить с любым режимом долговременной интеграции, таким как спекл-изображения , адаптивная оптика и особенно астрономические наблюдения с длительной выдержкой .
Пожалуй, проще всего разобраться в устройствах TDI в отличие от более известных типов CCD-сенсоров. Самый известный из них — это « смотрящий массив ». В нем имеются сотни или тысячи смежных рядов специально разработанного полупроводника, которые реагируют на свет путем накопления заряда, и слегка отделенные по глубине от него изоляцией плотно расположенные ряды затворных электродов, электрическое поле которых можно использовать для управления светом. накопленный заряд предсказуемым образом и практически без потерь. В конфигурации со смотровой матрицей 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 все сделать достаточно быстро, получится снимок фотонного потока , приложенного к датчику; считывание может происходить параллельно по нескольким строкам и дает двумерное изображение приложенного света. Наряду с КМОП-детекторами, которые распознают накопление фотозаряда попиксельно , а не перемещение заряда построчно, такие датчики широко известны как части цифровых камер, от маленьких до больших.
С другой стороны, сканирующая матрица включает в себя только одну такую линию ПЗС или максимум пару. Его принцип работы основан на механическом сканировании, при котором один линейный ПЗС-элемент последовательно подвергается воздействию различных частей объекта, подлежащего отображению. Затем все изображение собирается из одинаково расположенных в поле зрения линий. Типичными примерами этого режима сканирования являются факсимильные аппараты и другие сканеры документов, где объект изображения передается с постоянной линейной скоростью, а также спутниковое зондирование, когда постоянная орбитальная скорость спутника естественным образом обнажает линию за другой нижележащей местности для наблюдения. поперечно расположенный датчик.
Преимущество такого использования датчика ПЗС заключается в уменьшении сложности и, следовательно, цены или, наоборот, в возможности использования гораздо более совершенной и, следовательно, более дорогой технологии ПЗС для однолинейной матрицы датчиков для более высокой точности. ПЗС-матрицы также могут быть изготовлены в конфигурациях, устойчивых к широким колебаниям излучения и температуры, характерным для космической среды, а сканирующие матрицы можно сделать более надежными за счет включения нескольких линий. Поскольку механизм разгонки хорошо сфазированной линии ПЗС представляет собой непрерывный процесс, не разделенный на пиксели, конечное построчное разрешение изображения также может превышать разрешение стробирующей инфраструктуры, что приводит к более высокому разрешению, чем разрешение на основе пикселей. датчик. ПЗС-матрицы также легче изготовить для криогенных температур, которые необходимы, например, для астрономии дальнего инфракрасного диапазона .
В то же время непрерывная работа и медленное, построчно-дискретное считывание также приводит к проблеме: если что-либо движется внутри отображаемой сцены, между строками возникает размытие и разрывы. Везде, где какой-либо накопленный пакет заряда внутри линии ПЗС-матрицы движется по сенсорному чипу, любой дополнительный свет, попадающий на него, приведет к увеличению заряда, даже если он исходит из неправильного направления, или к более новому моменту регистрации, чем предполагалось. Он будет регистрироваться точно так же, поэтому со временем интегрируется со всем, что в конечном итоге будет считано. Это приводит к тому, что в кинематографии называется размытием изображения , а поскольку считывание нескольких строк типичной ПЗС-матрицы происходит в разное время подряд, это также вызывает разрывы экрана .
В режиме TDI размытие изображения и псевдоаналоговый характер ПЗС-матриц превращаются из недостатка в актив специального назначения. Линия или 2D-матрица поворачивается на 90 градусов, чтобы линии ПЗС-датчика следовали ожидаемой траектории интересующего объекта в поле зрения. Затем скорость считывания с датчика регулируется так, чтобы пакеты зарядов в плоскости изображения отслеживали объект, накапливая заряд с течением времени. По сути, это то же самое, что вращение космического корабля или другой платформы для соответствия углу обзора объекта; это обеспечивает интеграцию времени в цифровой сфере, а не в физической. Физическое отслеживание и наложение изображений могут применяться дополнительно, как и более традиционные формы TDI.
Благодаря высокой чувствительности ПЗС-сенсоров в режиме счета фотонов это может привести к чрезвычайно высокой чувствительности обнаружения и измерения. [1] Кроме того, сложно добиться такого же когерентного улучшения измерений с помощью цифровых технологий, кроме ПЗС-матриц, поскольку они страдают от более выраженного наложения спектров .
Хотя в базовой теории TDI упоминаются только однорядные ПЗС-матрицы, специально разработанные части и алгоритмы используют все, от нескольких строк до целых массивов, причем интеграция происходит по нескольким строкам, в том числе и в программном обеспечении. Специально разработанная ПЗС-матрица TDI совершенствует систему однострочного сканирования за счет суммирования нескольких измеренных фотозарядов с помощью более сложного датчика и за счет более всестороннего анализа взаимодействия между непрерывными линиями и структурой дискретных столбцов. Это, например, помогает в интеграции ошибок физического отслеживания, несовершенного линзирования, отклонения фона и отслеживания нескольких объектов.
Технология CCD и, как таковая, TDI также используется в рентгеновской астрономии. Там преобладает другой набор проблем: TDI используется, потому что фотоны высокой энергии имеют тенденцию демонстрировать большие потери изображения, а затем, когда они случайно восстанавливаются, один за другим наносят ущерб элементу изображения. Здесь часто используются ПЗС-матрицы, поскольку они могут быть изготовлены в радиационно-стойкой конфигурации и достаточно устойчивы к радиации даже в том виде, в котором они есть. Это особенно важно в решениях, использующих когерентное сложение, поскольку они фокусируют и отслеживают интенсивные источники излучения в течение определенного периода времени, так что общая доза облучения от источника со временем достигает высоких уровней на заданную площадь.
TDI CCD особенно используется при сканировании движущихся объектов, например, при сканировании писем и пленок , или с движущейся платформы, например, при воздушной разведке . [2]