Кіріспе
Кескін сенсорының түрі
Уақытты кешіктіру және интеграциялау немесе уақытты кешіктіру арқылы интеграцияланатын зарядты қосарланған құрылғы (CCD) – төмен жарық деңгейінде қозғалатын нысандардың суреттерін түсіруге арналған бейне сенсор. Негізгі CCD технологиясы ұқсас болғанымен, жұмыс істеу режимі бойынша ол тоқтау массивімен және жолмен сканерленген массивімен өзгеше. Ол синхронды механикалық және электрондық сканерлеу арқылы жұмыс істейді, соның арқасында сенсордағы әлсіз бейнеленген нысандардың әсерін ұзақ уақыт бойы жинақтауға болады. TDI – бұл CCD құрылғысының жеке түрі емес, оның жұмыс режимі, тіпті осы режим үшін техникалық жақсартулар да қолжетімді болса да. TDI-ның негізгі принципі – жеке бақылаулар арасындағы сындарлы араласу – басқа сенсорлық технологияларға да жиі қолданылады, сондықтан оны кез келген ұзақ мерзімді интеграцияланған бейнелеу режимімен, мысалы, кедір-бұдыр бейнелеу, адаптивті оптика және әсіресе ұзақ көру астрономиялық бақылаумен салыстыруға болады.
A time delay and integration or time delay integration (TDI) charge coupled device (CCD) is an image sensor for capturing images of moving objects at low light levels. While using similar underlying CCD technology, in operation it contrasts with staring arrays and line scanned arrays. It works by synchronized mechanical and electronical scanning, so that the effects of dim imaging targets on the sensor can be integrated over longer periods of time. TDI is more of an operating mode for CCDs than a separate type of CCD device altogether, even if technical optimizations for the mode are also available. The principle behind TDI—constructive interference between separate observations—is often applicable to other sensor technologies, so that it is comparable to any long term integrating mode of imaging, such as speckle imaging, adaptive optics, and especially long exposure astronomical observation.
Егжей-тегжейлі жұмыс
Бұл, әлдебір, TDI құрылғыларын CCD сенсорларының жақсы танымал түрлерімен салыстырғанда түсіну оңайырақ. Ең танымал түрі – қазған массив. Онда жарыққа реакция жасайтын және заряд жинақтайтын, арнайы жасалған жартылай өткізгіштердің жүздеген немесе мыңдаған қатарлары бар. Олардан сәл бөлініп, оқшаулағыш қабатпен жабылып, тығыз орналасқан қақпа электродтарының массиві орналасқан. Бұл электродтардың электр өрісі жиналған зарядты болжамды және жоғалтусыз жылжытуға мүмкіндік береді. Қазған массив конфигурациясында кескін екі өлшемді жартылай өткізгіш бетіне түсіріледі, содан кейін әрбір сызықтағы заряд таралуы электрондық оқу күшейткішімен жылдам және ретті түрде оқылады. Бұл процесс жеткілікті жылдамдықпен орындалса, сенсорға түскен фотондық ағынның «фотосуреті» алынады. Оқу бірнеше сызық бойынша параллельдікпен жүзеге асырылып, жарықтың екі өлшемді кескінін береді. CMOS детекторларымен бірге, олар фотозарядтың жинақталуын пиксел бойынша сезінеді, зарядты сызық бойынша жылжытпайды. Мұндай сенсорлар кішкентайдан үлкенге дейін цифрлық камералардың құрамдас бөліктері ретінде кеңінен танымал. Ал, сканерлеу массиві бір немесе екі CCD сызығынан тұрады. Оның жұмыс принципі механикалық сканерлеуге негізделген, сондықтан бір сызықтық CCD элементі суреттелген нысанның әртүрлі бөліктеріне бірінен соң бірі түседі. Содан кейін, бүкіл кескін көру өрісі бойынша тең аралықтағы сызықтардан құрастырылады. Бұл сканерлеу режимінің классикалық мысалдары – факс машиналарын және басқа да құжат сканерлерін құрайды, онда суретке түсірілетін нысан тұрақты сызықтық жылдамдықпен жылжытылады. Сондай-ақ, спутниктік сенсорлар да осы принцип бойынша жұмыс істейді, мұнда спутниктің тұрақты орбиталық жылдамдығы жер бетінің сызықтарын сенсорға көлденең бағытта көрсетеді. CCD сенсорын осылай қолданудың артықшылығы – конструкцияның қарапайымдылығы және төмен бағасы, немесе керісінше, жоғары сапалы және қымбат CCD технологиясын бір сызықтық сенсор массиві үшін пайдалану мүмкіндігі. CCD сенсорларын кең ауқымды сәулелену мен температура өзгерістеріне төзімді етіп жасауға болады, бұл оларды ғарыш ортасында пайдалануға қолайлы етеді. Сканерлеу құрылғыларын бірнеше сызықтарды қосу арқылы одан да берік етуге болады. Жақсы синхрондалған CCD сызығының шығару механизмі пикселдерге бөлінбеген үздіксіз процесс болғандықтан, кескіннің сызықтық ажыратымдылығы қақпалық инфрақұрылымның ажыратымдылығынан асып түсуі мүмкін, бұл пикселге негізделген сенсордан жоғары нәтиже береді. CCD сенсорларын криогендік температурада жасау да оңай, мысалы, алыс инфрақызыл астрономиясында қолданылатын температуралар үшін.
Ұсыныс
Сонымен қатар, үздіксіз жұмыс істеу және баяу, сызықты дискретті оқу да бір мәселеге алып келеді: егер бейнеленетін көріністе бірдеңе қозғалса, сызықтар арасында бұрмалану мен жыртылу пайда болады. CCD желісіндегі жинақталған заряд пакеттері сенсорлық чипте қозғалғанда, оған түсетін кез келген қосымша жарық, тіпті ол қате бағыттан келсе немесе көздеген уақыттан кейін түссе де, зарядты арттырады. Ол сол күйінде тіркеледі, содан кейін уақыт өте келе оқылатын мәліметтерге біріктіріледі. Бұл кинематографияда қозғалыс бұлыңғырлығы деп аталады, ал әдеттегі CCD массивінің көптеген сызықтарының оқылуы әртүрлі сәттерде жүргізілетіндіктен, экранның жыртылуына да себеп болады. TDI режимінде қозғалыс бұлыңғырлығы және CCD-нің жартылай аналогтық сипаты кемшіліктен арнайы мақсаттағы мүмкіндікке айналады. Сызық немесе 2D массив 90 градусқа бұрылады, сонда CCD сенсорындағы сызықтар қызығушылық тудыратын нысанның көру өрісіндегі күтілетін траекториясын ұстанады. Содан кейін сенсордың оқу жылдамдығы реттеледі, сонда бейнелеу жазықтығындағы заряд пакеттері нысанды қадағалап, уақыт өте зарядты жинақтайды. Бұл, әдетте, ғарыш кемесін немесе басқа платформаны нысанға қарау бұрышына сәйкес айналдырумен тең келеді; ол физикалық емес, сандық доменде уақыт интеграциясын қамтамасыз етеді. Физикалық қадағалау және бейнелерді біріктіру, сонымен қатар TDI-ның дәстүрлі формалары ретінде қолданылуы мүмкін. CCD сенсорларының жоғары сезімталдығы, фотондарды санау режиміне дейін, өте жоғары анықтау және өлшеу сезімталдығына әкелуі мүмкін. Сонымен қатар, CCD-ден басқа цифрлық технологиялармен үйлесімді өлшеуге қол жеткізу қиын, өйткені олар айқын алиасингтен зардап шегеді.
TDI CCD-ге тән технология
TDI-нің негізгі теориясы тек бір қатарлы CCD-ді ғана атап көрсетеді, бірақ арнайы жасалған бөліктер мен алгоритмдер бірнеше жолдардан бастап, толыққанды қазғыру массивтеріне дейін пайдаланады, сонымен қатар бағдарламалық жасақтамада бірнеше жолдар бойынша интеграция жүргізіледі. Арнайы TDI CCD бір жолды сканерлеу жүйесін күрделі сенсорының бірнеше өлшенген фотозарядтарын жинау арқылы және үздіксіз жолдар мен дискретті бағандық құрылым арасындағы өзара әрекеттестікті жан-жақты талдау арқылы жақсартады. Бұл, мысалы, физикалық қадағалау қателерінен, жетілмеген линзалаудан, фонды жоюдан және бірнеше нысанды қадағалаудан интеграциялауға көмектеседі. CCD технологиясы және осыған байланысты TDI рентгендік астрономияда да қолданылады. Онда басқаша қиындықтар кездеседі: TDI қолданылады, себебі жоғары энергиялы фотондар жоғары бейне жоғалтуына бейім, ал олар сәтті қалпына келтірілгенде, бірінен соң бірі бейнелеу элементіне зиян келтіреді. Осы себепті CCD-лер көбінесе қолданылады, өйткені оларды радиацияға төзімді конфигурацияда жасауға болады және олар радиацияға өте төзімді. Бұл әсіресе когерентті қосымды қолданатын шешімдер үшін маңызды, себебі олар қарқынды сәулелену көздерін белгілі бір уақыт аралығында шоғырландырып, қадағалайды, нәтижесінде белгілі бір ауданға көзден түскен жалпы сәулелену дозасы уақыт өте жоғары деңгейге жетеді.