Un dispositivo acoplado por carga (CCD) con retardo de tiempo e integración o integración con retardo de tiempo (TDI) es un sensor de imagen para capturar imágenes de objetos en movimiento con niveles bajos de luz. Si bien utiliza una tecnología CCD subyacente similar, en su funcionamiento contrasta con los conjuntos de observación y los conjuntos de escaneo lineal . Funciona mediante escaneo mecánico y electrónico sincronizado, de modo que los efectos de los objetivos de imagen tenues en el sensor se pueden integrar durante períodos de tiempo más prolongados.
La TDI es más un modo operativo para los CCD que un tipo independiente de dispositivo CCD en su conjunto, aunque también existen optimizaciones técnicas para el modo. El principio detrás de la TDI ( interferencia constructiva entre observaciones separadas) suele aplicarse a otras tecnologías de sensores, de modo que es comparable a cualquier modo de integración de imágenes a largo plazo, como la imagen speckle , la óptica adaptativa y, especialmente, la observación astronómica de exposición prolongada .
Es quizás el dispositivo TDI más fácil de entender en comparación con los tipos más conocidos de sensores CCD. El más conocido es el de matriz de observación . En él, hay cientos o miles de filas adyacentes de semiconductores especialmente diseñados que reaccionan a la luz acumulando carga, y ligeramente separados en profundidad de ella por un aislamiento, una matriz de electrodos de compuerta estrechamente espaciados, cuyo campo eléctrico se puede utilizar para hacer circular la carga acumulada de una manera predecible y casi sin pérdidas. En una configuración de matriz de observación, la imagen se expone en la superficie del semiconductor bidimensional y luego la distribución de carga resultante sobre cada línea de la imagen se mueve hacia un lado, para ser leída rápidamente y secuencialmente por un amplificador de lectura electrónico. Cuando se hace lo suficientemente rápido, esto produce una instantánea del flujo fotónico aplicado sobre el sensor; la lectura puede realizarse en paralelo sobre las diversas líneas y produce una imagen bidimensional de la luz aplicada. Junto con los detectores CMOS, que detectan la acumulación de fotocarga píxel por píxel en lugar de mover la carga línea por línea, estos sensores se conocen comúnmente como partes de las cámaras digitales, desde las pequeñas hasta las grandes.
Por otra parte, un sistema de barrido por matriz implica sólo una de esas líneas CCD, o como máximo un par de ellas. Su principio de funcionamiento es basarse en el barrido mecánico, de modo que un único elemento CCD lineal se expone a diferentes partes del objeto que se va a fotografiar, de forma secuencial. A continuación, la imagen completa se ensambla a partir de líneas espaciadas de forma uniforme a través del campo de visión. Ejemplos típicos de este modo de barrido son las máquinas de fax y otros escáneres de documentos, en los que el objetivo de la imagen se introduce a una velocidad lineal constante, y la detección por satélite, en la que la velocidad orbital constante de un satélite expone de forma natural una línea tras otra del terreno subyacente al sensor colocado transversalmente.
La ventaja de utilizar un sensor CCD de esta manera es la reducción de la complejidad y, por lo tanto, del precio, o viceversa, la posibilidad de utilizar una tecnología CCD mucho más refinada y, por lo tanto, más cara para la matriz de sensores de una sola línea, para una mayor fidelidad. Los CCD también se pueden fabricar en configuraciones que sean tolerantes a las amplias fluctuaciones de radiación y temperatura, características de los entornos espaciales, y los de escaneo se pueden hacer más robustos mediante la inclusión de múltiples líneas. Dado que el mecanismo de sincronización de una línea CCD bien sincronizada es un proceso continuo, no dividido en píxeles, la resolución final de la imagen por línea también puede superar la resolución de la infraestructura de compuerta, lo que lleva a una resolución más alta que un sensor basado en píxeles. Los CCD también son más fáciles de fabricar para temperaturas criogénicas, como las que se necesitan, por ejemplo, para la astronomía de infrarrojo lejano .
Al mismo tiempo, el funcionamiento continuo y la lectura lenta y discreta de las líneas también conducen a un problema: si algo se mueve dentro de la escena que se va a capturar, habrá borrosidad y desgarros entre las líneas. Dondequiera que un paquete de carga acumulado dentro de una línea CCD se mueva en el chip del sensor, cualquier luz adicional que se ilumine sobre él generará más carga, incluso si proviene de una dirección incorrecta o de un momento de adquisición más reciente que el previsto. Se registrará de la misma manera, de modo que se integre con el tiempo en lo que finalmente se lea. Esto conduce a lo que en cinematografía se llama desenfoque de movimiento y, dado que la lectura de las múltiples líneas de la matriz CCD típica se produce en diferentes momentos sucesivos, también causa desgarro de pantalla .
En el modo TDI, el desenfoque de movimiento y la naturaleza pseudoanalógica de los CCD pasan de ser un defecto a ser un activo para fines especiales. La línea o matriz 2D se gira 90 grados para que las líneas en el sensor CCD sigan la trayectoria esperada del objeto de interés en el campo de visión. Luego, la velocidad de lectura del sensor se ajusta para que los paquetes de carga en el plano de imagen rastreen el objeto, acumulando carga con el tiempo. Esto es efectivamente lo mismo que girar la nave espacial u otra plataforma para que coincida con el ángulo de visión hacia un objeto; produce integración temporal en el dominio digital, en lugar del físico. El seguimiento físico y la superposición de imágenes se pueden aplicar además, como formas más tradicionales de TDI.
Con la alta sensibilidad de los sensores CCD, en el régimen de conteo de fotones , esto puede conducir a una sensibilidad de detección y medición extremadamente alta. [1] Además, es difícil lograr los tipos de ganancias de medición coherentes con tecnologías digitales además de los CCD, porque sufren de un aliasing más prominente .
Si bien la teoría básica de TDI solo menciona los CCD de una sola fila, las piezas y algoritmos diseñados específicamente utilizan desde unas pocas líneas hasta conjuntos de puntos de partida completos, y la integración se lleva a cabo en varias líneas, también en el software. Un CCD TDI designado mejora el sistema de escaneo de una sola línea al sumar múltiples fotocargas medidas en su sensor más complicado y mediante un análisis más completo de la interacción entre las líneas continuas y la estructura de columnas discretas. Esto, por ejemplo, ayuda en la integración sobre errores de seguimiento físico, lentes imperfectas, rechazo de fondo y seguimiento de múltiples objetos.
La tecnología CCD y, como tal, la TDI también se utilizan en la astronomía de rayos X. Allí, prevalece un conjunto diferente de desafíos: la TDI se utiliza porque los fotones de alta energía tienden a exhibir una alta pérdida de imagen y luego, cuando se recuperan fortuitamente, uno por uno tienden a causar estragos en el elemento de imagen. Aquí, los CCD se utilizan a menudo porque se pueden fabricar en configuraciones endurecidas por radiación y son bastante tolerantes a la radiación incluso tal como están. Esto es especialmente importante en soluciones que utilizan adición coherente, porque enfocan y rastrean fuentes de radiación intensas durante un período de tiempo, de modo que la dosis irradiativa total de la fuente alcanza niveles altos a lo largo del tiempo, por un área determinada.
El CCD TDI se utiliza especialmente en el escaneo de objetos en movimiento, por ejemplo, escaneo de cartas y películas , o desde una plataforma en movimiento, por ejemplo, reconocimiento aéreo . [2]