Наблюдательный массив - Staring array

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

А пристальный массив, также известный как установка в исходной плоскости или же матрица в фокальной плоскости (FPA), является датчик изображений состоящий из массива (обычно прямоугольного) светочувствительных пикселей на фокальная плоскость из линза. FPA чаще всего используются для целей визуализации (например, для фотосъемки или видеоизображения), но также могут использоваться для целей, не связанных с визуализацией, таких как спектрометрия, ЛИДАР, и зондирование волнового фронта.

В радиоастрономия, то FPA находится на фокус из радиотелескоп. В оптическом и инфракрасном диапазонах длин волн он может относиться к различным типам устройств формирования изображений, но в общем случае он относится к двумерным устройствам, чувствительным в инфракрасный спектр. Устройства, чувствительные к другим спектрам, обычно называют другими терминами, например, 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 измеряется, оцифровывается и используется для построения изображения объекта, сцены или явления, испускающего фотоны.

Приложения для инфракрасных FPA включают: ракета или связанных с ним датчиков наведения оружия, инфракрасной астрономии, производственного контроля, тепловидения для пожаротушения, медицинской визуализации и инфракрасной феноменологии (например, наблюдение за горением, ударом оружия, зажиганием ракетного двигателя и другими интересными событиями в инфракрасном спектре).

Сравнение со сканирующим массивом

Дальнейшая информация: Сканер для метлы и Сканер метлы-венчика

Стартовые массивы отличаются от сканирующая матрица и TDI (интегрирование с задержкой ) формирователи изображений в том, 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 взглядов аналогична пленке в типичной камере; он непосредственно захватывает двухмерное изображение, проецируемое объективом на плоскость изображения. Сканирующая матрица аналогична соединению двухмерного изображения 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 "Inn-Bee"), арсенид галлия индия (InGaAs, произносится «Inn-Gas»), 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 почти однородности кремния. Кроме того, материалы, используемые для построения 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 же считывающие интегральные схемы (ROIC) и обычно изготавливается из кремния с использованием стандартных процессов CMOS. Затем массив детекторов гибридизированный или прикреплен к ROIC, обычно с использованием индиевого ударного соединения, и полученная сборка называется FPA.

Некоторые материалы (и изготовленные из них МПУ) работают только при криогенный температуры и другие (например, резистивный аморфный кремний (a-Si) и VOx микроболометры ) может работать при неохлаждаемых температурах. Некоторые устройства могут работать только в криогенных условиях, иначе тепловой шум поглотит обнаруженный сигнал. Устройства могут охлаждаться испарением, обычно жидкий азот (LN2) или жидкий гелий, или с помощью термоэлектрический охладитель.

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 значительное смещение пикселя в пиксель, так и неоднородность фотоотклика между пикселями (ПРНУ ). 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. Для этого процесса коррекции требуется набор известных данных о характеристиках, собранных с конкретного устройства в контролируемых условиях. Исправление данных может быть выполнено программно, в DSP или же FPGA в электронике камеры, или даже на 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.

Массивы стартовых плоскостей используются в современных ракеты класса "воздух-воздух" и противотанковые ракеты такой как AIM-9X Сайдвиндер, ASRAAM [1]

Перекрестный разговор может подавлять засветку пикселей.[2]

Приложения

3D-лидарное изображение

Сообщается, что матрицы фокальной плоскости (FPA) используются для 3D ЛИДАР визуализация.[2][3][4]

Улучшения

В 2003 году размер 32 x 32 пикселя макет сообщалось о возможности подавления перекрестных разговоров между FPA. Исследователи из Исследовательская лаборатория армии США использовал коллиматор для сбора и направления лазерного луча макета на отдельные пиксели. Поскольку низкие уровни напряжения по-прежнему наблюдались в пикселях, которые не подсвечивались, что указывает на то, что освещению препятствует перекрестные помехи. Этот перекрестный разговор был приписан емкостная связь между микрополосковые линии и между внутренними проводниками FPA. При замене приемника на макетной плате на приемник с меньшим фокусным расстоянием фокус коллиматора был уменьшен, а системный порог распознавания сигнала был увеличен. Это способствовало улучшению изображения за счет устранения перекрестных помех.[2]

Другой метод заключался в добавлении плоской утоненной мембраны-подложки (толщиной примерно 800 ангстрем) к FPA. Сообщается, что это устраняет перекрестные помехи между пикселями в приложениях для обработки изображений FPA.[5] В другом лавинный фотодиод Исследование FPA, протравливание канавок между соседними пикселями уменьшило перекрестные помехи.[6]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Оружие класса "воздух-воздух" - Королевские военно-воздушные силы
  2. ^ а б 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-я]. 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 S .; Скелли, Люк (21.08.2003). «Компактная лазерная радиолокационная система с трехмерным изображением, использующая массивы APD в режиме Гейгера: система и измерения». 5086. Дои:10.1117 / 12.501581.short. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  4. ^ Марино, Ричард М .; Дэвис, Уильям Ретт (2004). "Головоломка: трехмерная лазерная радарная система, проникающая сквозь листву". Получено 2018-08-21.
  5. ^ Д., Гунапала, С .; В., Бандара, С .; К., Лю, Дж .; J., Hill, C .; Б., Rafol, S .; М., Mumolo, J .; Т., Trinh, J .; З., Тидроу, М .; 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 | журнал = (помощь)
  6. ^ Itzler, Mark A .; Энтвистл, 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. Дои:10.1117/12.864465.