Una matriz de mirada fija , también conocida como matriz de plano de mirada o matriz de plano focal ( FPA ), es un sensor de imagen que consta de una matriz (típicamente rectangular) de píxeles sensibles a la luz en el plano focal de una lente . Los FPA se utilizan más comúnmente con fines de generación de imágenes (por ejemplo, tomar fotografías o imágenes de video), pero también se pueden usar para fines que no son de generación de imágenes, como espectrometría , LIDAR y detección de frente de onda .
En radioastronomía , el FPA está en el foco de un radiotelescopio . En longitudes de onda ópticas e infrarrojas, puede referirse a una variedad de tipos de dispositivos de imágenes, pero en el uso común se refiere a dispositivos bidimensionales que son sensibles en el espectro infrarrojo . Los dispositivos sensibles en otros espectros generalmente se denominan con otros términos, como CCD ( dispositivo de carga acoplada ) y sensor de imagen CMOS en el espectro visible. Los FPA funcionan detectando fotones en longitudes de onda particulares y luego generando una carga eléctrica, voltaje o resistencia en relación con la cantidad de fotones detectados en cada píxel. Esta carga, voltaje o resistencia luego se mide, digitaliza y usa para construir una imagen del objeto, escena o fenómeno que emitió los fotones.
Las aplicaciones para FPA infrarrojos incluyen sensores de guía de misiles o armas relacionadas, astronomía infrarroja, inspección de fabricación, imágenes térmicas para combatir incendios, imágenes médicas y fenomenología infrarroja (como observación de combustión, impacto de armas, encendido de motores de cohetes y otros eventos que son interesantes en el infrarrojo espectro).
Comparación con la matriz de exploración
Las matrices de estrellas se distinguen de las matrices de exploración y de los generadores de imágenes TDI ( integración de retardo de tiempo ) en que generan imágenes del campo de visión deseado sin necesidad de exploración. Las matrices de exploración se construyen a partir de matrices lineales (o matrices 2-D muy estrechas) que se trazan a través del campo de visión deseado utilizando un espejo giratorio u oscilante para construir una imagen 2-D a lo largo del tiempo. Un generador de imágenes TDI funciona de manera similar a una matriz de exploración, excepto que toma imágenes perpendicularmente al movimiento de la cámara. Una serie de miradas es análoga a la película en una cámara típica; captura directamente una imagen 2-D proyectada por la lente en el plano de la imagen. Una matriz de escaneo es análoga a juntar una imagen 2D con fotos tomadas a través de una rendija estrecha. Un generador de imágenes TDI es análogo a mirar a través de una rendija vertical por la ventana lateral de un automóvil en movimiento y construir una imagen larga y continua a medida que el automóvil pasa por el paisaje.
Las matrices de escaneo se desarrollaron y utilizaron debido a dificultades históricas en la fabricación de matrices 2-D de tamaño y calidad suficientes para imágenes directas en 2-D. Los FPA modernos están disponibles con hasta 2048 x 2048 píxeles, y varios fabricantes están desarrollando tamaños más grandes. Los arreglos de 320 x 256 y 640 x 480 están disponibles y son asequibles incluso para aplicaciones no militares y no científicas.
Construcción y materiales
La dificultad para construir FPA de alta calidad y alta resolución se deriva de los materiales utilizados. Mientras que los generadores de imágenes visibles, como los sensores de imagen CCD y CMOS, se fabrican a partir de silicio, utilizando procesos maduros y bien entendidos, los sensores de infrarrojos deben fabricarse con otros materiales más exóticos porque el silicio es sensible solo en los espectros del infrarrojo visible y cercano. Los materiales sensibles al infrarrojo que se utilizan comúnmente en las matrices de detectores de infrarrojos incluyen telururo de mercurio y cadmio (HgCdTe, "MerCad" o "MerCadTel"), antimonuro de indio (InSb, pronunciado "Inns-Bee"), arseniuro de indio galio (InGaAs, pronunciado Gas ") y óxido de vanadio (V) (VOx, pronunciado" Vox "). También se pueden usar una variedad de sales de plomo, pero son menos comunes en la actualidad. Ninguno de estos materiales puede convertirse en cristales que se acerquen al tamaño de los cristales de silicio modernos, ni las obleas resultantes tienen casi la uniformidad del silicio. Además, los materiales utilizados para construir matrices de píxeles sensibles a IR no se pueden utilizar para construir la electrónica necesaria para transportar la carga, el voltaje o la resistencia resultante de cada píxel al circuito de medición. Este conjunto de funciones se implementa en un chip llamado multiplexor o circuitos integrados de lectura (ROIC), y generalmente se fabrica en silicio utilizando procesos CMOS estándar. Luego, la matriz de detectores se hibrida o se une al ROIC, por lo general mediante unión por tope de indio, y el ensamblaje resultante se denomina FPA.
Algunos materiales (y los FPA fabricados a partir de ellos) funcionan solo a temperaturas criogénicas , y otros (como los microbolómetros resistivos de silicio amorfo (a-Si) y VOx ) pueden funcionar a temperaturas no refrigeradas. Algunos dispositivos solo son prácticos para operar criogénicamente, de lo contrario, el ruido térmico inundaría la señal detectada. Los dispositivos se pueden enfriar por evaporación, típicamente con nitrógeno líquido (LN2) o helio líquido, o usando un enfriador termoeléctrico .
Un aspecto peculiar de casi todos los FPA de infrarrojos es que las respuestas eléctricas de los píxeles en un dispositivo determinado tienden a no ser uniformes. En un dispositivo perfecto, cada píxel produciría la misma señal eléctrica cuando se le diera el mismo número de fotones de la longitud de onda adecuada. En la práctica, casi todos los FPA tienen un desplazamiento significativo de píxel a píxel y una falta de uniformidad de respuesta de foto de píxel a píxel ( PRNU ). Cuando no está iluminado, cada píxel tiene un nivel de "señal cero" diferente, y cuando está iluminado, la señal delta en también es diferente. Esta falta de uniformidad hace que las imágenes resultantes no sean prácticas para su uso hasta que se hayan procesado para normalizar la foto-respuesta. Este proceso de corrección requiere un conjunto de datos de caracterización conocidos, recopilados del dispositivo particular en condiciones controladas. La corrección de datos se puede realizar en software, en un DSP o FPGA en la electrónica de la cámara, o incluso en el ROIC en los dispositivos más modernos.
Los bajos volúmenes, los materiales más raros y los procesos complejos involucrados en la fabricación y el uso de los FPA IR los hacen mucho más costosos que los generadores de imágenes visibles de tamaño y resolución comparables.
Las matrices de aviones fijos se utilizan en misiles aire-aire y misiles antitanque modernos como el AIM-9X Sidewinder , ASRAAM [1]
La diafonía puede inhibir la iluminación de píxeles. [2]
Aplicaciones
Imágenes 3D LIDAR
Se ha informado que las matrices de plano focal (FPA) se utilizan para imágenes LIDAR 3D . [2] [3] [4]
Mejoras
En 2003, se informó de una placa de pruebas de 32 x 32 píxeles con capacidad para reprimir las conversaciones cruzadas entre las FPA. Los investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. Utilizaron un colimador para recolectar y dirigir el rayo láser de la placa de pruebas sobre píxeles individuales. Dado que todavía se observaron niveles bajos de voltaje en los píxeles que no se iluminaron, lo que indica que la diafonía impidió la iluminación . Esta diafonía se atribuyó al acoplamiento capacitivo entre las líneas de microbanda y entre los conductores internos de la FPA. Al reemplazar el receptor en la placa de pruebas por uno con una distancia focal más corta, se redujo el enfoque del colimador y se aumentó el umbral del sistema para el reconocimiento de señales. Esto facilitó una mejor imagen al cancelar la diafonía. [2]
Otro método consistió en agregar una membrana de sustrato delgada y plana (aproximadamente 800 angstroms de espesor) al FPA. Se informó que esto eliminaba la diafonía de píxel a píxel en las aplicaciones de imágenes FPA. [5] En otro estudio FPA de fotodiodos de avalancha , el grabado de trincheras entre píxeles vecinos redujo la diafonía. [6]
Ver también
Referencias
- ^ Armas aire-aire - Royal Air Force
- ^ a b c Goldberg, A .; Stann, B .; Gupta, N. (julio de 2003). "Investigación de imágenes multiespectrales, hiperespectrales y tridimensionales en el laboratorio de investigación del ejército de Estados Unidos" (PDF). Actas de la Conferencia Internacional sobre Fusión Internacional [6ª] . 1: 499–506.
- ^ Marino, Richard M .; Stephens, Timothy; Hatch, Robert E; McLaughlin, Joseph L .; Mooney, James G .; O'Brien, Michael E .; Rowe, Gregory S .; Adams, Joseph S .; Skelly, Luke (21 de agosto de 2003). "Un sistema compacto de radar láser de imágenes en 3D que utiliza matrices APD en modo Geiger: sistema y medidas" . 5086 . doi : 10.1117 / 12.501581.short . Cite journal requiere
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( ayuda ) - ^ Marino, Richard M .; Davis, William Rhett (2004). "Rompecabezas: un sistema de radar láser de imágenes 3 D que penetra en el follaje" . Consultado el 21 de agosto de 2018 .
- ^ D., Gunapala, S .; V., Bandara, S .; K., Liu, J .; J., Hill, C .; B., Rafol, S .; M., Mumolo, J .; T., Trinh, J .; Z., Tidrow, M .; D., LeVan, P. (mayo de 2005). "Arreglos de plano focal QWIP infrarrojos de longitud de onda media y larga de 1024 x 1024 píxeles para aplicaciones de imágenes" . Cite journal requiere
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( ayuda ) - ^ Itzler, Mark A .; Entwistle, Mark; Owens, Mark; Patel, ketan; Jiang, Xudong; Slomkowski, Krystyna; Rangwala, Sabbir; Zalud, Peter F .; Senko, Tom (19 de agosto de 2010). "Diseño y rendimiento de matrices de plano focal APD de fotón único para imágenes LADAR 3-D" . Detectores y dispositivos de imágenes: infrarrojos, plano focal, fotón único . SPIE. doi : 10.1117 / 12.864465 .