Retraso temporal e integración

La técnica de retardo e integración temporal (TDI, por sus siglas en inglés) es una técnica de compensación de movimiento hacia adelante (FMC, por sus siglas en inglés) para capturar imágenes de objetos en movimiento con bajos niveles de luz. Se trata de un tipo de escaneo lineal en el que se colocan múltiples matrices lineales una al lado de la otra. Tras la exposición de la primera matriz, la carga se transfiere a la línea vecina. Cuando el objeto se desplaza la distancia que separa las líneas, se toma una segunda exposición superpuesta a la primera con la siguiente matriz, y así sucesivamente. De este modo, cada línea del objeto se captura repetidamente y las exposiciones se suman entre sí. Esto funciona mediante un escaneo mecánico y electrónico sincronizado, de manera que los efectos de los objetos de imagen tenues sobre el sensor se pueden integrar durante periodos de tiempo más prolongados.

La TDI es más un modo de funcionamiento de un sensor de imagen que un tipo de dispositivo de imagen independiente, aunque también existen optimizaciones técnicas para este modo. La forma más común de realizar la TDI se denomina dTDI (integración digital de retardo de tiempo), que se basa en software y es independiente del tipo de sensor de imagen subyacente. El principio en el que se basa la TDI —la interferencia constructiva entre observaciones separadas— suele ser aplicable a otras tecnologías de sensores, por lo que es comparable a cualquier modo de imagen de integración a largo plazo, como la imagen de moteado , la óptica adaptativa y, especialmente, la observación astronómica de larga exposición .

Quizás los dispositivos TDI sean más fáciles de entender en comparación con los tipos de sensores CCD más conocidos. El más conocido es el arreglo de contactos fijos (staring array ). En él, hay cientos o miles de filas adyacentes de semiconductores especialmente diseñados que reaccionan a la luz acumulando carga, y ligeramente separadas en profundidad por un aislamiento, una matriz de electrodos de puerta muy juntos, cuyo campo eléctrico puede usarse para mover la carga acumulada de forma predecible y casi sin pérdidas. En una configuración de arreglo de contactos fijos, la imagen se expone en la superficie bidimensional del semiconductor, y luego la distribución de carga resultante sobre cada línea de la imagen se desplaza hacia un lado para ser leída rápida y secuencialmente por un amplificador de lectura electrónico. Cuando se realiza con la suficiente rapidez, esto produce una instantánea del flujo fotónico aplicado sobre el sensor; la lectura puede proceder en paralelo sobre las varias líneas y produce una imagen bidimensional de la luz aplicada. Junto con los detectores CMOS, que detectan la acumulación de fotocarga píxel a píxel en lugar de desplazar la carga línea por línea, estos sensores son comúnmente conocidos como componentes de las cámaras digitales, desde las más pequeñas hasta las más grandes.

Por otro lado, un sistema de escaneo con matriz utiliza una sola línea CCD, o como máximo un par. Su principio de funcionamiento se basa en el escaneo mecánico, de modo que un único elemento CCD lineal se expone secuencialmente a diferentes partes del objeto a escanear. A continuación, la imagen completa se compone de líneas equidistantes a través del campo de visión. Ejemplos típicos de este modo de escaneo son las máquinas de fax y otros escáneres de documentos, donde el objeto a escanear se introduce a una velocidad lineal constante, y la teledetección por satélite, donde la velocidad orbital constante de un satélite expone de forma natural línea tras línea del terreno subyacente al sensor transversal.

La ventaja de usar un sensor CCD de esta manera es la reducción de la complejidad y, por lo tanto, del precio, o viceversa, la posibilidad de utilizar 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 toleran 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 mayor resolución 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 .

Aunque la teoría básica de TDI solo menciona CCDs de una sola fila, los componentes y algoritmos diseñados específicamente utilizan desde unas pocas líneas hasta matrices de escaneo completas, con integración que se lleva a cabo en múltiples líneas, también mediante software. Un CCD TDI específico mejora el sistema de escaneo de una sola línea al sumar múltiples fotocargas medidas en su sensor más complejo y mediante un análisis más completo de la interacción entre líneas continuas y una estructura de columna discreta. Esto facilita la integración para superar errores de seguimiento físico, distorsión de lente imperfecta, rechazo de fondo y seguimiento de múltiples objetos.

La tecnología CCD y, por ende, la TDI, también se utilizan en la astronomía de rayos X. En este campo, se presentan desafíos diferentes: la TDI se emplea debido a que los fotones de alta energía tienden a generar una gran pérdida de imagen, y cuando se recuperan fortuitamente, tienden a dañar el elemento de imagen uno a uno. En este caso, se suelen utilizar CCD porque se pueden fabricar en configuraciones resistentes a la radiación y son bastante tolerantes a ella incluso en su estado original. Esto es especialmente importante en soluciones que utilizan adición coherente , ya que enfocan y rastrean fuentes de radiación intensas durante un período de tiempo, de modo que la dosis de radiación total de la fuente alcanza niveles elevados con el tiempo, por área determinada.

El CCD TDI se utiliza especialmente en el escaneo de objetos en movimiento, por ejemplo, el escaneo de cartas y películas , o desde una plataforma móvil, por ejemplo, el reconocimiento aéreo . ^{[ 2 ]}

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