التأخير الزمني والتكامل

تقنية التأخير الزمني والتكامل ( TDI ) هي إحدى تقنيات تعويض الحركة الأمامية (FMC) لالتقاط صور الأجسام المتحركة في ظروف الإضاءة المنخفضة. وهي نوع من أنواع المسح الخطي حيث توضع عدة مصفوفات خطية متجاورة. بعد تعريض المصفوفة الأولى، تنتقل الشحنة إلى الخط المجاور. وعندما يتحرك الجسم مسافة تساوي المسافة الفاصلة بين الخطوط، يتم التقاط صورة ثانية فوق الأولى باستخدام المصفوفة التالية، وهكذا. وبالتالي، يتم تصوير كل خط من خطوط الجسم بشكل متكرر، وتُجمع الصور الناتجة. تعمل هذه التقنية من خلال مسح ميكانيكي وإلكتروني متزامن، مما يسمح بدمج تأثيرات الأهداف التصويرية الخافتة على المستشعر على مدى فترات زمنية أطول.

يُعدّ TDI نمط تشغيل لمستشعر الصورة أكثر من كونه نوعًا منفصلاً من أجهزة التصوير، حتى مع توفر تحسينات تقنية لهذا النمط. وتُعرف الطريقة الأكثر شيوعًا لتنفيذ TDI باسم dTDI (التكامل الرقمي للتأخير الزمني)، وهي طريقة برمجية مستقلة عن نوع مستشعر التصوير الأساسي. وينطبق مبدأ TDI - التداخل البنّاء بين عمليات الرصد المنفصلة - غالبًا على تقنيات استشعار أخرى، مما يجعله قابلاً للمقارنة مع أي نمط تصوير تكاملي طويل الأمد، مثل تصوير التداخل النقطي ، والبصريات التكيفية ، وخاصةً الرصد الفلكي ذي التعريض الطويل .

لعلّ فهم أجهزة التصوير بالرنين التفاضلي الزمني (TDI) أسهل عند مقارنتها بأنواع مستشعرات CCD الأكثر شيوعًا. وأشهرها مصفوفة التثبيت . تتكون هذه المصفوفة من مئات أو آلاف الصفوف المتجاورة من أشباه موصلات مصممة خصيصًا، تتفاعل مع الضوء بتجميع الشحنة. ويفصلها عن الضوء، بواسطة عازل، مصفوفة من أقطاب البوابة ذات تباعد ضيق، حيث يُستخدم مجالها الكهربائي لتوجيه الشحنة المتراكمة بطريقة يمكن التنبؤ بها وبدون فقد تقريبًا. في تكوين مصفوفة التثبيت، تُعرض الصورة على سطح شبه الموصل ثنائي الأبعاد، ثم يُنقل توزيع الشحنة الناتج على كل سطر من الصورة إلى الجانب، ليتم قراءته بسرعة وبشكل متسلسل بواسطة مضخم قراءة إلكتروني. عند إتمام ذلك بسرعة كافية، ينتج عن ذلك لقطة لتدفق الفوتونات المطبق على المستشعر؛ ويمكن أن تتم القراءة بالتوازي على عدة أسطر، مما ينتج عنه صورة ثنائية الأبعاد للضوء المطبق. إلى جانب كاشفات CMOS التي تستشعر تراكم الشحنة الضوئية بكسلًا بكسلًا بدلاً من تحريك الشحنة سطرًا سطرًا، تُعرف هذه المستشعرات عادةً بأنها أجزاء من الكاميرات الرقمية، من الصغيرة إلى الكبيرة.

من ناحية أخرى، تتضمن مصفوفة المسح خطًا واحدًا فقط من نوع CCD، أو على الأكثر خطين. ويعتمد مبدأ عملها على المسح الميكانيكي، حيث يتعرض عنصر CCD خطي واحد لأجزاء مختلفة من الجسم المراد تصويره، بالتتابع. ثم تُجمّع الصورة الكاملة من خطوط متساوية التباعد عبر مجال الرؤية. ومن الأمثلة الشائعة على هذا النمط من المسح أجهزة الفاكس وماسحات المستندات الأخرى، حيث يُمرر هدف التصوير بسرعة خطية ثابتة، والاستشعار عبر الأقمار الصناعية، حيث تُعرّض السرعة المدارية الثابتة للقمر الصناعي بشكل طبيعي خطوطًا متتالية من التضاريس الأساسية للمستشعر الموضوع بشكل عرضي.

تتمثل ميزة استخدام مستشعر CCD بهذه الطريقة في تقليل التعقيد، وبالتالي التكلفة، أو على العكس من ذلك، إمكانية استخدام تقنية CCD أكثر دقة وبالتالي أغلى ثمناً لمصفوفة المستشعر أحادي الخط ، للحصول على دقة أعلى. كما يمكن تصنيع مستشعرات CCD بتكوينات تتحمل التقلبات الكبيرة في الإشعاع ودرجة الحرارة، والتي تميز بيئات الفضاء، ويمكن تعزيز متانة المستشعرات الماسحة بإضافة خطوط متعددة. ولأن آلية ضبط التوقيت لخط CCD مضبوط الطور هي عملية مستمرة، وليست مقسمة إلى بكسلات، فإن دقة الصورة النهائية لكل خط يمكن أن تتجاوز دقة بنية البوابة، مما يؤدي إلى دقة أعلى من المستشعر القائم على البكسل. كما أن تصنيع مستشعرات CCD أسهل في درجات الحرارة المنخفضة للغاية، كما هو مطلوب مثلاً في علم الفلك بالأشعة تحت الحمراء البعيدة .

بينما تقتصر النظرية الأساسية لتقنية التصوير الرقمي المتزامن (TDI) على ذكر مستشعرات CCD أحادية الصف، فإن الأجزاء والخوارزميات المصممة خصيصًا تستخدم كل شيء بدءًا من بضعة خطوط وصولًا إلى مصفوفات كاملة، مع إمكانية التكامل عبر خطوط متعددة، برمجيًا أيضًا. يُحسّن مستشعر CCD المُصمم خصيصًا لتقنية TDI نظام المسح أحادي الخط من خلال جمع الشحنات الضوئية المقاسة المتعددة عبر مستشعره الأكثر تعقيدًا، ومن خلال تحليل أكثر شمولًا للتفاعل بين الخطوط المتصلة وبنية الأعمدة المنفصلة. يُساعد هذا، على سبيل المثال، في التكامل مع أخطاء التتبع الفيزيائية، والعدسات غير المثالية، ورفض الخلفية، وتتبع الأجسام المتعددة.

تُستخدم تقنية CCD، وبالتالي تقنية التصوير الزمني للجرعة (TDI)، في علم الفلك بالأشعة السينية. وهناك، تبرز مجموعة مختلفة من التحديات: يُستخدم التصوير الزمني للجرعة لأن الفوتونات عالية الطاقة تميل إلى إظهار فقدان كبير في جودة الصورة، وعندما يتم استعادتها، فإنها تُلحق ضررًا كبيرًا بعنصر التصوير. في هذه الحالة، تُستخدم أجهزة CCD غالبًا لأنها قابلة للتصنيع بتكوينات مقاومة للإشعاع ، وتتحمل الإشعاع بشكل جيد حتى في حالتها الأصلية. يُعد هذا الأمر بالغ الأهمية في الحلول التي تستخدم الجمع المتماسك ، لأنها تُركز وتتتبع مصادر الإشعاع المكثفة لفترة زمنية محددة، بحيث تصل الجرعة الإشعاعية الكلية من المصدر إلى مستويات عالية بمرور الوقت، لكل منطقة معينة.

تُستخدم تقنية TDI CCD بشكل خاص في مسح الأجسام المتحركة، على سبيل المثال مسح الرسائل والأفلام ، أو من منصة متحركة، على سبيل المثال الاستطلاع الجوي . ^{[ 2 ]}

• علم الفلك ^{[ 3 ]}
• التصوير الطبي بالأشعة ^{[ 4 ]}
  • تصوير الأوعية الدموية
  • التصوير الشعاعي للثدي
• التصوير العسكري ^{[ 5 ]}
  • المراقبة على ارتفاعات عالية
  • المراقبة في ظروف الإضاءة المنخفضة

• ماسح ضوئي يعمل بالمكنسة اليدوية