Матрица смотрения , также известная как матрица плоскости смотрения или матрица фокальной плоскости ( FPA ), представляет собой датчик изображения , состоящий из массива (обычно прямоугольного) светочувствительных пикселей в фокальной плоскости объектива . FPA чаще всего используются для визуализации (например, для фото- или видеосъемки), но могут также использоваться для целей, не связанных с визуализацией, таких как спектрометрия , лидар и зондирование волнового фронта .
В радиоастрономии FPA находится в фокусе радиотелескопа . В оптическом и инфракрасном диапазонах длин волн он может относиться к различным типам устройств формирования изображений, но в общем использовании он относится к двумерным устройствам, которые чувствительны в инфракрасном спектре. Устройства, чувствительные в других спектрах , обычно называются другими терминами, такими как ПЗС ( прибор с зарядовой связью ) и датчик изображения КМОП 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. Затем этот заряд, напряжение или сопротивление измеряются, оцифровываются и используются для построения изображения объекта, сцены или явления, которые испускают фотоны.
Области применения инфракрасных FPA включают в себя датчики наведения ракет или связанного с ними оружия, инфракрасную астрономию, производственный контроль, тепловизионную съемку для пожаротушения, медицинскую визуализацию и инфракрасную феноменологию (например, наблюдение за горением, ударом оружия, зажиганием ракетного двигателя и другими интересными событиями в инфракрасном спектре).
Матричные датчики отличаются от сканирующих датчиков и датчиков TDI тем, что они формируют изображение желаемого поля зрения без сканирования. Матричные датчики строятся из линейных датчиков (или очень узких двумерных датчиков), которые растрируются по желаемому полю зрения с помощью вращающегося или колеблющегося зеркала для построения двумерного изображения с течением времени. Датчик TDI работает аналогично сканирующему датчику, за исключением того, что он формирует изображение перпендикулярно движению камеры. Матричный датчик аналогичен пленке в типичной камере; он напрямую захватывает двумерное изображение, проецируемое объективом на плоскость изображения. Сканирующий датчик аналогичен соединению двумерного изображения с фотографиями, сделанными через узкую щель. Датчик TDI аналогичен взгляду через вертикальную щель из бокового окна движущегося автомобиля и построению длинного непрерывного изображения по мере того, как автомобиль проезжает по ландшафту.
Сканирующие матрицы были разработаны и использованы из-за исторических трудностей в изготовлении 2-D матриц достаточного размера и качества для прямой 2-D визуализации. Современные FPA доступны с разрешением до 2048 x 2048 пикселей, а более крупные размеры находятся в разработке несколькими производителями. 320 x 256 и 640 x 480 матрицы доступны и доступны даже для невоенных, ненаучных применений.
Трудность создания высококачественных FPA с высоким разрешением обусловлена используемыми материалами. В то время как видимые формирователи изображений, такие как датчики изображений CCD и CMOS, изготавливаются из кремния с использованием зрелых и хорошо изученных процессов, ИК-датчики должны изготавливаться из других, более экзотических материалов, поскольку кремний чувствителен только в видимом и ближнем ИК-спектрах. Инфракрасно-чувствительные материалы, обычно используемые в матрицах ИК-детекторов, включают теллурид кадмия-ртути (HgCdTe, «MerCad» или «MerCadTel»), антимонид индия (InSb, произносится как «Inns-Bee»), арсенид галлия-индия (InGaAs, произносится как «Inn-Gas») и оксид ванадия (V) (VOx, произносится как «Vox»). Также могут использоваться различные соли свинца, но сегодня они менее распространены. Ни один из этих материалов не может быть выращен в кристаллах, приближающихся по размеру к современным кремниевым кристаллам, и полученные пластины не обладают даже близкой однородностью кремния. Более того, материалы, используемые для создания массивов ИК-чувствительных пикселей, не могут быть использованы для создания электроники, необходимой для передачи результирующего заряда, напряжения или сопротивления каждого пикселя в измерительную схему. Этот набор функций реализован на чипе, называемом мультиплексором , или интегральными схемами считывания (ROIC), и обычно изготавливается в кремнии с использованием стандартных процессов КМОП. Затем массив детекторов гибридизируется или прикрепляется к ROIC, обычно с использованием индиевого 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 практичны только для работы в криогенных условиях, поскольку в противном случае тепловой шум заглушит обнаруженный сигнал. Устройства можно охлаждать испарением, как правило, жидким азотом (LN2) или жидким гелием, или с помощью термоэлектрического охладителя .
Особым аспектом почти всех ИК FPA является то, что электрические отклики пикселей на данном устройстве, как правило, неравномерны. В идеальном устройстве каждый пиксель выдавал бы один и тот же электрический сигнал при получении одинакового количества фотонов соответствующей длины волны. На практике почти все FPA имеют как значительное смещение пиксель-пиксель, так и неоднородность фотореакции пиксель-пиксель (PRNU). При отсутствии освещения каждый пиксель имеет разный уровень «нулевого сигнала», а при освещении дельта-сигнал также отличается. Эта неоднородность делает полученные изображения непригодными для использования, пока они не будут обработаны для нормализации фотореакции. Этот процесс коррекции требует набора известных данных о характеристиках, собранных с конкретного устройства в контролируемых условиях. Коррекция данных может быть выполнена в программном обеспечении, в DSP или FPGA в электронике камеры или даже на ROIC в самых современных устройствах.
Небольшие объемы, более редкие материалы и сложные процессы, необходимые для изготовления и использования ИК-матриц, делают их намного более дорогими, чем видимые формирователи изображений сопоставимого размера и разрешения.
Решетки с направленной плоскостью используются в современных ракетах класса «воздух-воздух» и противотанковых ракетах, таких как AIM-9X Sidewinder , ASRAAM [1]
Перекрестные помехи могут препятствовать освещению пикселей. [2]
Сообщалось, что решетки фокальной плоскости (FPA) используются для получения 3D- изображений с помощью LIDAR . [2] [3] [4]
В 2003 году было сообщено о макетной плате размером 32 x 32 пикселя, способной подавлять перекрестные помехи между FPA. Исследователи из Исследовательской лаборатории армии США использовали коллиматор для сбора и направления лазерного луча макетной платы на отдельные пиксели. Поскольку низкие уровни напряжения все еще наблюдались в пикселях, которые не светились, это указывало на то, что освещение было предотвращено перекрестными помехами . Эти перекрестные помехи были приписаны емкостной связи между микрополосковыми линиями и между внутренними проводниками FPA. Заменив приемник в макетной плате на приемник с более коротким фокусным расстоянием, фокус коллиматора был уменьшен, а порог распознавания сигнала системой был увеличен. Это способствовало получению лучшего изображения за счет устранения перекрестных помех. [2]
Другой метод заключался в добавлении плоской тонкой мембраны-подложки (толщиной около 800 ангстрем) к FPA. Сообщалось, что это устраняет перекрестные помехи между пикселями в приложениях визуализации FPA. [5] В другом исследовании FPA на основе лавинного фотодиода травление канавок между соседними пикселями уменьшало перекрестные помехи. [6]
{{cite web}}: Отсутствует или пусто |url=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )