Стартовый массив - Staring array

"Массив фокальной плоскости" перенаправляется сюда. Для массивов, используемых в радиотелескопах, см. Решетка в фокальной плоскости (радиоастрономия) .

Смотрел массив , также известный как глядя плоскость решетки или фокальной плоскость массива ( FPA ), представляет собой датчик изображения , состоящий из массива (обычно прямоугольного) светло-воспринимающих пикселей в фокальной плоскости в виде линзы . FPA чаще всего используются для целей визуализации (например, фотографирования или видеоизображения), но также могут использоваться для целей, не связанных с визуализацией, таких как спектрометрия , лидары и зондирование волнового фронта .

В радиоастрономии , то FPA находится в фокусе в виде радиотелескопа . В оптическом и инфракрасном диапазоне длин волн он может относиться к различным типам устройств формирования изображений, но в общем случае он относится к двумерным устройствам, чувствительным в инфракрасном спектре. Устройства, чувствительные к другим спектрам, обычно называют другими терминами, такими как CCD ( устройство с зарядовой связью ) и CMOS-датчик изображения в видимом спектре. FPA работают, обнаруживая фотоны на определенных длинах волн и затем генерируя электрический заряд, напряжение или сопротивление в зависимости от количества фотонов, обнаруженных в каждом пикселе. Затем этот заряд, напряжение или сопротивление измеряются, оцифровываются и используются для построения изображения объекта, сцены или явления, испускающего фотоны.

Приложения для инфракрасных FPA включают в себя датчики наведения ракет или связанного с ними оружия, инфракрасную астрономию, производственный контроль, тепловизионное изображение для пожаротушения, медицинскую визуализацию и инфракрасную феноменологию (например, наблюдение за возгоранием, попаданием оружия, зажиганием ракетного двигателя и другими событиями, интересными в инфракрасном диапазоне). спектр).

Сравнение со сканирующим массивом

Дополнительная информация: Сканер Push-метлы и Сканер-метла-венчик.

Начальные массивы отличаются от сканирующих массивов и устройств формирования изображений TDI ( интегрирование с временной задержкой ) тем, что они отображают желаемое поле зрения без сканирования. Сканирующие матрицы состоят из линейных массивов (или очень узких двумерных массивов), которые растянуты по желаемому полю зрения с помощью вращающегося или колеблющегося зеркала для построения двухмерного изображения с течением времени. Тепловизор TDI работает аналогично сканирующей матрице, за исключением того, что он отображает изображение перпендикулярно движению камеры. Матрица взгляда аналогична пленке в типичной камере; он непосредственно захватывает двумерное изображение, проецируемое линзой на плоскость изображения. Сканирующая матрица аналогична соединению двухмерного изображения вместе с фотографиями, сделанными через узкую щель. Тепловизор TDI аналогичен просмотру через вертикальную щель в боковом окне движущегося автомобиля и созданию длинного непрерывного изображения, когда автомобиль проезжает мимо.

Сканирующие матрицы были разработаны и использовались из-за исторических трудностей в изготовлении двумерных массивов достаточного размера и качества для прямого построения двумерных изображений. Современные FPA доступны с разрешением до 2048 x 2048 пикселей, а большие размеры разрабатываются несколькими производителями. Массивы 320 x 256 и 640 x 480 доступны и доступны даже для невоенных, ненаучных приложений.

Конструкция и материалы

Сложность создания высококачественных FPA с высоким разрешением связана с используемыми материалами. В то время как устройства формирования 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 массивах ИК-детекторов, включают теллурид кадмия ртути (HgCdTe, «MerCad» или «MerCadTel»), антимонид индия (InSb, произносится «Inns-Bee»), арсенид индия-галлия (InGaAs, произносится «Inn- 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, близкие по размеру к современным кристаллам кремния, и полученные пластины не имеют однородности, близкой к кремнию. Кроме 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 мультиплексором или считывающими интегральными схемами (ROIC), и обычно изготавливается на кремнии с использованием стандартных процессов CMOS. Затем матрица детекторов гибридизируется или связывается с ROIC, обычно с использованием индиевого выпуклого соединения, и полученная сборка называется FPA.

Некоторые материалы (и изготовленные из них FPA) работают только при криогенных температурах, а другие (например, резистивный аморфный кремний (a-Si) и микроболометры VOx ) могут работать при неохлаждаемых температурах. Некоторые устройства могут работать только в криогенном режиме, иначе тепловой шум заглушит обнаруженный сигнал. Устройства можно охладить 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 при одинаковом количестве фотонов соответствующей длины волны. На практике почти все FPA имеют как значительный сдвиг между пикселями, так и неоднородность фотоотклика между пикселями (PRNU). В неосвещенном состоянии каждый пиксель имеет разный уровень «нулевого сигнала», а при освещении дельта-сигнал также отличается. Эта неоднородность делает полученные изображения непрактичными для использования до тех пор, пока они не будут обработаны для нормализации фотоотклика. Этот процесс коррекции требует набора известных данных 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, связанные с изготовлением и использованием IR FPA, делают их намного более дорогими, чем устройства формирования изображений видимого диапазона сопоставимого размера и разрешения.

Стартовые комплексы самолетов используются в современных ракетах класса "воздух-воздух" и противотанковых ракетах, таких как AIM-9X Sidewinder , ASRAAM.

Перекрестный разговор может препятствовать освещению пикселей.

Приложения

3D-лидарное изображение

Сообщается, что матрицы фокальной плоскости (FPA) используются для построения изображений 3D LIDAR .

Улучшения

В 2003 году сообщалось о макетной плате 32 x 32 пикселя с возможностью подавления перекрестных помех между FPA. Исследователи из исследовательской лаборатории армии США использовали коллиматор для сбора и направления лазерного луча макета на отдельные пиксели. Поскольку низкие уровни напряжения все еще наблюдались в пикселях, которые не светились, это указывает на то, что освещению препятствовали перекрестные помехи . Эти перекрестные помехи были приписаны емкостной связи между микрополосковыми линиями и между внутренними проводниками FPA. При замене приемника в макете на приемник с меньшим фокусным расстоянием фокус коллиматора был уменьшен, а системный порог распознавания сигнала был увеличен. Это способствовало улучшению изображения за счет отмены перекрестных помех.

Другой метод заключался в добавлении плоской утоненной мембраны-подложки (толщиной приблизительно 800 ангстрем) к FPA. Сообщается, что это устраняет перекрестные помехи между пикселями в приложениях для обработки изображений FPA. В другом исследовании FPA лавинного фотодиода протравливание канавок между соседними пикселями уменьшило перекрестные помехи.

Смотрите также

использованная литература

  1. ↑ Оружие класса `` воздух-воздух '' - Королевские военно-воздушные силы
  2. ^ a b c Goldberg, A .; Stann, B .; Гупта, Н. (июль 2003 г.). «Исследование мультиспектральных, гиперспектральных и трехмерных изображений в исследовательской лаборатории армии США» (PDF). Труды Международной конференции по международному синтезу [6] . 1: 499–506.
  3. ^ Марино, Ричард М .; Стивенс, Тимоти; Хэтч, Роберт Э; Маклафлин, Джозеф Л .; Муни, Джеймс Дж .; О'Брайен, Майкл Э .; Роу, Грегори С .; Адамс, Джозеф С .; Скелли, Люк (21.08.2003). «Компактная лазерная радиолокационная система с трехмерным изображением, использующая массивы APD в режиме Гейгера: система и измерения» . 5086 . DOI : 10,1117 / 12.501581.short . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  4. ^ Марино, Ричард М .; Дэвис, Уильям Ретт (2004). "Головоломка: трехмерная лазерная радиолокационная система, проникающая в листву" . Проверено 21 августа 2018 .
  5. ^ D., Gunapala, S .; В., Бандара, С .; K., Liu, J .; J., Hill, C .; Б., Rafol, S .; М., Mumolo, J .; Т., Trinh, J .; Z., Tidrow, M .; Д., ЛеВан П. (май 2005 г.). «Матрицы фокальной плоскости QWIP в средневолновом и длинноволновом инфракрасном диапазоне 1024 x 1024 пикселей для приложений обработки изображений» . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  6. ^ Итцлер, Марк А .; Entwistle, Марк; Оуэнс, Марк; Патель, Кетан; Цзян, Сюйдун; Сломковски, Кристина; Рангвала, Саббир; Залуд, Питер Ф .; Сенько, Том (19.08.2010). «Конструкция и характеристики однофотонных решеток фокальной плоскости ЛФД для построения трехмерных изображений LADAR» . Детекторы и устройства формирования изображений: инфракрасный, фокальная плоскость, одиночный фотон . ШПИОН. DOI : 10.1117 / 12.864465 .