Una matriz de observación , también conocida como matriz de plano focal o matriz de plano focal ( FPA ), es un sensor de imagen que consiste en una matriz (normalmente rectangular) de píxeles que detectan la luz en el plano focal de una lente . Las FPA se utilizan más comúnmente para fines de obtención de imágenes (por ejemplo, tomar fotografías o imágenes de vídeo), pero también se pueden utilizar para fines no relacionados con la obtención de imágenes, como espectrometría , LIDAR y detección de frente de onda .
En radioastronomía , el FPA se encuentra 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 acoplado a carga ) 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. Luego, esta carga, voltaje o resistencia se mide, se digitaliza y se usa para construir una imagen del objeto, la escena o el fenómeno que emitió los fotones.
Las aplicaciones de los FPA infrarrojos incluyen sensores de guía de misiles o armas relacionadas, astronomía infrarroja, inspección de fabricación, imágenes térmicas para extinción de incendios, imágenes médicas y fenomenología infrarroja (como la observación de la combustión, el impacto de armas, el encendido de motores de cohetes y otros eventos que son interesantes en el espectro infrarrojo).
Los conjuntos de observación se diferencian de los conjuntos de escaneo y de los generadores de imágenes TDI en que generan imágenes del campo de visión deseado sin escanear. Los conjuntos de escaneo se construyen a partir de conjuntos lineales (o conjuntos 2D muy estrechos) que se trazan a lo largo del campo de visión deseado utilizando un espejo giratorio u oscilante para construir una imagen 2D a lo largo del tiempo. Un generador de imágenes TDI funciona de manera similar a un conjunto de escaneo, excepto que genera imágenes perpendiculares al movimiento de la cámara. Un conjunto de observación es análogo a la película de una cámara típica; captura directamente una imagen 2D proyectada por la lente en el plano de la imagen. Un conjunto de escaneo es análogo a unir una imagen 2D con fotos tomadas a través de una ranura estrecha. Un generador de imágenes TDI es análogo a mirar a través de una ranura vertical por la ventana lateral de un automóvil en movimiento y generar una imagen larga y continua a medida que el automóvil pasa por el paisaje.
Los conjuntos de escaneo se desarrollaron y utilizaron debido a las dificultades históricas para fabricar conjuntos 2D de tamaño y calidad suficientes para la obtención directa de imágenes 2D. Los FPA modernos están disponibles con hasta 2048 x 2048 píxeles, y varios fabricantes están desarrollando tamaños mayores. Los conjuntos de 320 x 256 y 640 x 480 están disponibles y son asequibles incluso para aplicaciones no militares ni científicas.
La dificultad de construir detectores de partículas de alta resolución y calidad se deriva de los materiales utilizados. Mientras que los sensores de imagen visibles, como los CCD y CMOS, se fabrican a partir de silicio mediante procesos maduros y bien conocidos, los sensores IR deben fabricarse a partir de otros materiales más exóticos, porque el silicio es sensible sólo en los espectros visible e infrarrojo cercano. Los materiales sensibles al infrarrojo que se utilizan habitualmente en los conjuntos de detectores IR incluyen el telururo de mercurio y cadmio (HgCdTe, "MerCad" o "MerCadTel"), el antimoniuro de indio (InSb, pronunciado "Inns-Bee"), el arseniuro de indio y galio (InGaAs, pronunciado "Inn-Gas") y el óxido de vanadio(V) (VOx, pronunciado "Vox"). También se puede utilizar una variedad de sales de plomo, pero hoy en día son menos comunes. Ninguno de estos materiales puede convertirse en cristales de un tamaño cercano al de los cristales de silicio modernos, ni las obleas resultantes tienen casi la uniformidad del silicio. Además, los materiales utilizados para construir conjuntos de píxeles sensibles a los rayos infrarrojos no se pueden utilizar para construir la electrónica necesaria para transportar la carga, el voltaje o la resistencia resultantes de cada píxel al circuito de medición. Este conjunto de funciones se implementa en un chip llamado multiplexor o circuito integrado de lectura (ROIC), y normalmente se fabrica en silicio mediante procesos CMOS estándar. A continuación, el conjunto de detectores se hibrida o se une al ROIC, normalmente mediante unión por impacto de indio, y el conjunto resultante se denomina FPA.
Algunos materiales (y los FPA fabricados a partir de ellos) funcionan solo a temperaturas criogénicas , y otros (como el silicio amorfo resistivo (a-Si) y los microbolómetros VOx ) pueden funcionar a temperaturas no refrigeradas. Algunos dispositivos solo son prácticos para funcionar criogénicamente, ya que de lo contrario el ruido térmico inundaría la señal detectada. Los dispositivos se pueden enfriar por evaporación, generalmente con nitrógeno líquido (LN2) o helio líquido, o utilizando un enfriador termoeléctrico .
Un aspecto peculiar de casi todos los FPA IR es que las respuestas eléctricas de los píxeles en un dispositivo determinado tienden a ser no uniformes. En un dispositivo perfecto, cada píxel emitiría la misma señal eléctrica cuando se le diera la misma cantidad de fotones de la longitud de onda adecuada. En la práctica, casi todos los FPA tienen un desfase significativo de píxel a píxel y una falta de uniformidad de la respuesta de foto de píxel a píxel (PRNU). Cuando no están iluminados, cada píxel tiene un nivel de "señal cero" diferente y, cuando están iluminados, el delta en la señal también es diferente. Esta falta de uniformidad hace que las imágenes resultantes sean poco prácticas para su uso hasta que se hayan procesado para normalizar la respuesta de foto. Este proceso de corrección requiere un conjunto de datos de caracterización conocidos, recopilados del dispositivo en 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.
Los conjuntos de planos de observación se utilizan en misiles aire-aire y misiles antitanque modernos, como el AIM-9X Sidewinder y el ASRAAM [1].
La diafonía puede inhibir la iluminación de los píxeles. [2]
Se ha informado que se utilizan matrices de plano focal (FPA) para imágenes LIDAR 3D . [2] [3] [4]
En 2003, se informó sobre una placa de pruebas de 32 x 32 píxeles con capacidades para reprimir la diafonía entre los FPA. Los investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. utilizaron un colimador para recolectar y dirigir el haz láser de la placa de pruebas sobre píxeles individuales. Dado que aún se observaban niveles bajos de voltaje en los píxeles que no se iluminaban, lo que indica que la iluminación se impedía por la diafonía . Esta diafonía se atribuyó al acoplamiento capacitivo entre las líneas de microbanda y entre los conductores internos del 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 consistía en añadir una membrana de sustrato delgada y plana (de aproximadamente 800 angstroms de espesor) al FPA. Se informó que esto eliminaba la interferencia entre píxeles en las aplicaciones de imágenes FPA. [5] En otro estudio de FPA con fotodiodo de avalancha , el grabado de surcos entre píxeles vecinos reducía la interferencia. [6]
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