Введение

Тип датчика изображения
Устройство с зарядовой связью (CCD) с задержкой и накоплением (TDI) – это датчик изображения, предназначенный для получения изображений движущихся объектов при низкой освещенности. Используя схожую базовую технологию CCD, в работе он отличается от датчиков с фиксированным наблюдением и линейного сканирования. Он функционирует благодаря синхронизированному механическому и электронному сканированию, позволяющему накапливать эффект от слабоосвещенных объектов на сенсоре в течение более длительного времени. TDI – это скорее режим работы для CCD, чем отдельный тип CCD-устройства, хотя технические оптимизации для этого режима также доступны. Принцип TDI – конструктивная интерференция между отдельными измерениями – часто применим к другим сенсорным технологиям и сопоставим с любым методом длительной интеграции изображения, таким как спекл-изображение, адаптивная оптика и, в особенности, длительная астрономическая экспозиция.

Детальная работа

Пожалуй, устройства TDI легче всего понять, рассматривая их в сравнении с более известными типами CCD-сенсоров. Наиболее распространенным является сенсор с матрицей прямого считывания. В нем содержатся сотни или тысячи соседних рядов специально разработанных полупроводников, реагирующих на свет путем накопления заряда. От этого заряда отделен тонким слоем изоляции плотно расположенный массив управляющих электродов, чье электрическое поле может использоваться для перемещения накопленного заряда предсказуемым образом и с минимальными потерями. В конфигурации матрицы прямого считывания изображение проецируется на двухмерную полупроводниковую поверхность, после чего распределение заряда по каждой строке изображения смещается в сторону для быстрого и последовательного считывания электронным усилителем. При достаточной скорости считывания это создает «снимок» приложенного фотонного потока на сенсоре; считывание может происходить параллельно по нескольким строкам, формируя двухмерное изображение света. Наряду с CMOS-детекторами, которые регистрируют накопление фотозаряда по пикселям, а не перемещают заряд построчно, такие сенсоры широко используются в цифровых камерах – от компактных до профессиональных. Сканирующая матрица, напротив, содержит всего одну или, в лучшем случае, пару таких CCD-линий. Принцип ее работы основан на механическом сканировании, при котором один линейный CCD-элемент последовательно подвергается воздействию различных участков объекта. Затем изображение собирается из равномерно расположенных строк в поле зрения. Типичными примерами этого режима сканирования являются факсы и другие сканеры документов, где объект сканирования подается с постоянной линейной скоростью, а также спутниковое зондирование, где постоянная орбитальная скорость спутника последовательно экспонирует линии земной поверхности для поперечно расположенного сенсора. Преимущество использования CCD-сенсора в таком режиме – упрощенная конструкция и, следовательно, более низкая стоимость, или, наоборот, возможность применения более совершенной и дорогостоящей CCD-технологии для однолинейного массива сенсоров, обеспечивающей более высокую точность. Также возможно изготовление конфигураций, устойчивых к значительным колебаниям радиации и температуры, характерным для космической среды, а сканирующие матрицы можно сделать более надежными, добавив несколько линий. Поскольку механизм вывода сигнала с хорошо синхронизированной CCD-линии является непрерывным процессом, не разделенным на пиксели, конечное разрешение изображения по строкам может превышать разрешение управляющей инфраструктуры, что приводит к более высокому разрешению, чем у сенсора на основе пикселей. CCD-сенсоры также проще изготавливать для криогенных температур, необходимых, например, для дальней инфракрасной астрономии.

Предложение

В то же время непрерывная работа и медленное, дискретное построчное считывание также приводят к проблеме: если что-либо движется в изображаемой сцене, между строками возникает размытие и разрыв изображения. В любой точке, где накопленный пакет заряда в линии CCD перемещается по сенсорному чипу, любое дополнительное освещение, попадающее на него, приведет к увеличению заряда, даже если оно исходит не из правильного направления или относится к более позднему моменту съемки, чем планировалось. Заряд будет регистрироваться одинаково, интегрируясь во времени в то, что в конечном итоге будет считано. Это приводит к тому, что в кинематографе называют размытием в движении, и поскольку считывание нескольких строк типичного CCD-массива происходит в разное последовательное время, это также вызывает разрыв экрана. В режиме TDI размытие в движении и псевдоаналоговая природа CCD превращаются из недостатка в специализированное преимущество. Линия или двумерный массив поворачивается на 90 градусов, так что строки в датчике CCD следуют ожидаемой траектории интересующего объекта в поле зрения. Затем скорость считывания с датчика регулируется таким образом, чтобы пакеты заряда в плоскости изображения отслеживали объект, накапливая заряд с течением времени. По сути, это то же самое, что вращение космического аппарата или другой платформы для соответствия углу обзора на объект; это обеспечивает временную интеграцию в цифровой области, а не в физической. Кроме того, можно применять физическое отслеживание и наложение изображений как более традиционные формы TDI. Благодаря высокой чувствительности CCD-сенсоров, вплоть до регистрации отдельных фотонов, это может привести к чрезвычайно высокой чувствительности обнаружения и измерения. Кроме того, трудно добиться сопоставимых результатов когерентных измерений с использованием цифровых технологий, отличных от CCD, поскольку они более подвержены эффекту наложения спектров.

Технология, специфичная для TDI CCD

В то время как базовая теория TDI рассматривает только однострочные ПЗС, специально разработанные компоненты и алгоритмы используют все – от нескольких строк до целых матриц с построением изображения, при этом интеграция происходит по нескольким линиям, также и в программном обеспечении. Специализированный ПЗС с TDI улучшает однострочное сканирование, суммируя несколько измеренных фотозарядов по более сложному сенсору и проводя более полный анализ взаимодействия между непрерывными линиями и дискретной столбчатой структурой. Это, например, помогает компенсировать ошибки физического слежения, несовершенство оптики, подавлять фоновый шум и отслеживать несколько объектов. Технология ПЗС, и следовательно TDI, также применяется в рентгеновской астрономии. Там возникают иные проблемы: TDI используется, поскольку высокоэнергетические фотоны склонны к значительным потерям при формировании изображения, а при случайном восстановлении, каждый по отдельности, могут приводить к повреждению чувствительного элемента. В этих случаях часто применяются ПЗС, поскольку их можно изготавливать в радиационно-стойких конфигурациях, и они достаточно устойчивы к радиации даже без дополнительной защиты. Это особенно важно в решениях с когерентным сложением, поскольку они фокусируют и отслеживают интенсивные источники излучения в течение определенного времени, что приводит к накоплению высокой радиационной дозы на единицу площади.