Стартовый массив

, Смотрящая матрица также известная как матрица в плоскости наблюдения или матрица в фокальной плоскости ( FPA ), представляет собой датчик изображения состоящий из массива (обычно прямоугольного) светочувствительных пикселей в фокальной плоскости объектива , . FPA чаще всего используются для целей визуализации (например, для фото- или видеосъемки), но также могут использоваться и для целей, не связанных с визуализацией, таких как спектрометрия , лидар и зондирование волнового фронта .

В радиоастрономии ФПА находится фокусе радиотелескопа в . В оптических и инфракрасных длинах волн это слово может относиться к различным типам устройств формирования изображений, но в обычном использовании оно относится к двумерным устройствам, чувствительным в инфракрасном спектре. Устройства, чувствительные в других спектрах, обычно обозначаются другими терминами, например, ПЗС-матрица ( устройство с зарядовой связью ) и КМОП-датчик изображения в видимом спектре. FPA работают, обнаруживая фотоны на определенных длинах волн, а затем генерируя электрический заряд, напряжение или сопротивление в зависимости от количества фотонов, обнаруженных в каждом пикселе. Этот заряд, напряжение или сопротивление затем измеряется, оцифровывается и используется для построения изображения объекта, сцены или явления, испускающего фотоны.

Приложения для инфракрасных FPA включают датчики наведения ракет или аналогичного оружия, инфракрасную астрономию, производственный контроль, тепловидение для пожаротушения, медицинскую визуализацию и инфракрасную феноменологию (например, наблюдение за горением, воздействием оружия, зажиганием ракетного двигателя и другими событиями, которые представляют интерес в инфракрасном диапазоне). спектр).

Сравнение со сканирующим массивом

Смотровые решетки отличаются от сканирующих решеток и изображений TDI тем, что они отображают желаемое поле зрения без сканирования. Массивы сканирования состоят из линейных массивов (или очень узких двумерных массивов), которые растрируются по желаемому полю зрения с помощью вращающегося или колеблющегося зеркала для построения двумерного изображения с течением времени. Сканер TDI работает аналогично сканирующему массиву, за исключением того, что он формирует изображения перпендикулярно движению камеры. Смотрящаяся решетка аналогична пленке в типичной камере; он напрямую захватывает двухмерное изображение, проецируемое объективом на плоскость изображения. Массив сканирования аналогичен объединению 2D-изображения с фотографиями, сделанными через узкую щель. Сканер TDI аналогичен просмотру через вертикальную щель в боковом окне движущегося автомобиля и построению длинного непрерывного изображения, пока автомобиль проезжает мимо ландшафта.

Сканирующие массивы были разработаны и использованы из-за исторических трудностей в изготовлении двумерных массивов достаточного размера и качества для прямого двумерного изображения. Современные FPA доступны с разрешением до 2048 x 2048 пикселей, а несколько производителей разрабатывают более крупные размеры. Массивы 320 x 256 и 640 x 480 доступны и доступны даже для невоенных и ненаучных приложений.

Строительство и материалы

Сложность создания высококачественных FPA с высоким разрешением связана с используемыми материалами. В то время как формирователи изображения видимого диапазона, такие как датчики изображения CCD и CMOS, изготавливаются из кремния с использованием отработанных и хорошо изученных процессов, ИК-датчики должны изготавливаться из других, более экзотических материалов, поскольку кремний чувствителен только в видимом и ближнем ИК-спектрах. Чувствительные к инфракрасному излучению материалы, обычно используемые в матрицах ИК-детекторов, включают теллурид ртути, кадмия (HgCdTe, «MerCad» или «MerCadTel»), антимонид индия (InSb, произносится как «Inns-Bee»), арсенид индия-галлия (InGaAs, произносится как «Inn-Bee»). газ») и оксид ванадия(V) (VOx, произносится как «Vox»). Также можно использовать различные соли свинца, но сегодня они менее распространены. Ни один из этих материалов не может быть выращен в кристаллы, приближающиеся по размеру к кристаллам современного кремния, и полученные пластины не имеют почти такой же однородности, как кремниевые. Более того, материалы, используемые для создания массивов ИК-чувствительных пикселей, не могут использоваться для создания электроники, необходимой для передачи результирующего заряда, напряжения или сопротивления каждого пикселя в измерительную схему. Этот набор функций реализован на микросхеме, называемой мультиплексор или интегральные схемы считывания (ROIC) и обычно изготавливаются из кремния с использованием стандартных процессов CMOS. Затем матрица детекторов гибридизуется или присоединяется к ROIC, обычно с использованием индиевого соединения, и полученная сборка называется FPA.

Некоторые материалы (и изготовленные из них ФПА) работают только при криогенных температурах, а другие (например, резистивный аморфный кремний (a-Si) и микроболометры VOx ) могут работать при неохлаждаемых температурах. Некоторые устройства практично работать только в криогенном режиме, поскольку в противном случае тепловой шум заглушит обнаруженный сигнал. Устройства можно охлаждать испарительным способом, обычно жидким азотом (LN2) или жидким гелием, или с помощью термоэлектрического охладителя .

Особенностью почти всех IR FPA является то, что электрические отклики пикселей на данном устройстве имеют тенденцию быть неоднородными. В идеальном устройстве каждый пиксель будет выдавать один и тот же электрический сигнал, если ему будет передано одинаковое количество фотонов соответствующей длины волны. На практике почти все FPA имеют как значительное смещение от пикселя к пикселю, так и неравномерность фотоотклика от пикселя к пикселю (PRNU). В неосвещенном состоянии каждый пиксель имеет разный уровень «нулевого сигнала», а при освещении дельта входного сигнала также отличается. Эта неравномерность делает полученные изображения непрактичными для использования до тех пор, пока они не будут обработаны для нормализации фотоотклика. Этот процесс коррекции требует набора известных характеристик, собранных с конкретного устройства в контролируемых условиях. Коррекция данных может выполняться программно, в DSP или FPGA в электронике камеры или даже в ROIC в самых современных устройствах.

Небольшие объемы, более редкие материалы и сложные процессы, необходимые для изготовления и использования ИК-ФПА, делают их намного более дорогими, чем устройства формирования изображений видимого диапазона сопоставимого размера и разрешения.

Плоские решетки используются в современных ракетах «воздух-воздух» и противотанковых ракетах, таких как AIM-9X Sidewinder , ASRAAM. ^{[ 1 ]}

Перекрестные помехи могут препятствовать освещению пикселей. ^{[ 2 ]}

Приложения

3D-лидарная визуализация

Сообщается, что для 3D- лидарной визуализации используются массивы в фокальной плоскости (FPA). ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Улучшения

размером 32 x 32 пикселей В 2003 году сообщалось о макете , способном подавлять перекрестные помехи между FPA. Исследователи из Исследовательской лаборатории армии США использовали коллиматор для сбора и направления лазерного луча макета на отдельные пиксели. Поскольку в несветящихся пикселях все еще наблюдались низкие уровни напряжения, это указывает на то, что освещению препятствовали перекрестные помехи . Эти перекрестные помехи были связаны с емкостной связью между микрополосковыми линиями и между внутренними проводниками FPA. Заменив приёмник в макете на приёмник с меньшим фокусным расстоянием удалось уменьшить фокус коллиматора и увеличить порог распознавания сигнала системы. Это способствовало улучшению изображения за счет устранения перекрестных помех. ^{[ 2 ]}

Другой метод заключался в добавлении к FPA плоской утонченной мембраны-подложки (толщиной около 800 ангстрем). Сообщается, что это устраняет перекрестные помехи между пикселями в приложениях обработки изображений FPA. ^{[ 5 ]} В другом исследовании FPA с лавинным фотодиодом травление канавок между соседними пикселями уменьшило перекрестные помехи. ^{[ 6 ]}

См. также

Решетка в фокальной плоскости (радиоастрономия)

Ссылки

^ Оружие класса «воздух-воздух» - Королевские ВВС.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Гольдберг, А.; Стэнн, Б.; Гупта, Н. (июль 2003 г.). «Исследование мультиспектральных, гиперспектральных и трехмерных изображений в Исследовательской лаборатории армии США» (PDF) . Материалы Международной конференции по международному синтезу [6-е] . 1: 499–506.
^ Марино, Ричард М.; Стивенс, Тимоти; Хэтч, Роберт Э; Маклафлин, Джозеф Л.; Муни, Джеймс Г.; О'Брайен, Майкл Э.; Роу, Грегори С.; Адамс, Джозеф С.; Скелли, Люк (21 августа 2003 г.). «Компактная лазерная радиолокационная система с трехмерным изображением, использующая массивы ЛФД гейгеровского режима: система и измерения» . В Камермане, Гэри В. (ред.). Лазерная радиолокационная технология и ее применение VIII . Том. 5086. стр. 1–15. дои : 10.1117/12.501581 . S2CID 110267445 .
^ Марино, Ричард М.; Дэвис, Уильям Ретт (2004). «Головоломка: лазерная радиолокационная система трехмерного изображения, проникающая в листву». S2CID 18046922 . {{cite web}}: Отсутствует или пусто |url= ( помощь )
^ Д., Гунапала С.; В., Бандара, С.; К., Лю, Дж.; Дж., Хилл, К.; Б., Рафол С.; М., Мумоло Дж.; Т., Трин Дж.; З., Тидроу, М.; Д., ЛеВан П. (май 2005 г.). «Средневолновые и длинноволновые инфракрасные матрицы QWIP в фокальной плоскости разрешением 1024 x 1024 пикселей для приложений обработки изображений» . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Ицлер, Марк А.; Энтвистл, Марк; Оуэнс, Марк; Патель, Кетан; Цзян, Сюдун; Сломковский, Кристина; Рангвала, Саббир; Залуд, Питер Ф.; Сенко, Том (19 августа 2010 г.). Дереняк, Юстас Л; Хартке, Джон П; Леван, Пол Д; Суд, Ашок К; Лонгшор, Рэндольф Э; Разеги, Мание (ред.). «Проектирование и характеристики однофотонных матриц фокальной плоскости APD для 3-D LADAR-изображений» . Детекторы и устройства формирования изображений: инфракрасные, в фокальной плоскости, одиночные фотоны . 7780 . ШПИОН: 77801M. Бибкод : 2010SPIE.7780E..1MI . дои : 10.1117/12.864465 . S2CID 120955542 .

[1] Оружие класса «воздух-воздух» - Королевские ВВС.

[:0-2] Jump up to: ^а ^б ^с Гольдберг, А.; Стэнн, Б.; Гупта, Н. (июль 2003 г.). «Исследование мультиспектральных, гиперспектральных и трехмерных изображений в Исследовательской лаборатории армии США» (PDF) . Материалы Международной конференции по международному синтезу [6-е] . 1: 499–506.

[3] Марино, Ричард М.; Стивенс, Тимоти; Хэтч, Роберт Э; Маклафлин, Джозеф Л.; Муни, Джеймс Г.; О'Брайен, Майкл Э.; Роу, Грегори С.; Адамс, Джозеф С.; Скелли, Люк (21 августа 2003 г.). «Компактная лазерная радиолокационная система с трехмерным изображением, использующая массивы ЛФД гейгеровского режима: система и измерения» . В Камермане, Гэри В. (ред.). Лазерная радиолокационная технология и ее применение VIII . Том. 5086. стр. 1–15. дои : 10.1117/12.501581 . S2CID 110267445 .

[4] Марино, Ричард М.; Дэвис, Уильям Ретт (2004). «Головоломка: лазерная радиолокационная система трехмерного изображения, проникающая в листву». S2CID 18046922 . {{cite web}}: Отсутствует или пусто |url= ( помощь )

[5] Д., Гунапала С.; В., Бандара, С.; К., Лю, Дж.; Дж., Хилл, К.; Б., Рафол С.; М., Мумоло Дж.; Т., Трин Дж.; З., Тидроу, М.; Д., ЛеВан П. (май 2005 г.). «Средневолновые и длинноволновые инфракрасные матрицы QWIP в фокальной плоскости разрешением 1024 x 1024 пикселей для приложений обработки изображений» . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[6] Ицлер, Марк А.; Энтвистл, Марк; Оуэнс, Марк; Патель, Кетан; Цзян, Сюдун; Сломковский, Кристина; Рангвала, Саббир; Залуд, Питер Ф.; Сенко, Том (19 августа 2010 г.). Дереняк, Юстас Л; Хартке, Джон П; Леван, Пол Д; Суд, Ашок К; Лонгшор, Рэндольф Э; Разеги, Мание (ред.). «Проектирование и характеристики однофотонных матриц фокальной плоскости APD для 3-D LADAR-изображений» . Детекторы и устройства формирования изображений: инфракрасные, в фокальной плоскости, одиночные фотоны . 7780 . ШПИОН: 77801M. Бибкод : 2010SPIE.7780E..1MI . дои : 10.1117/12.864465 . S2CID 120955542 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]