Hispanopedia WikiUn sensor de imagen , también conocido como matriz de plano focal o matriz de plano focal ( FPA ), es un sensor de imagen que consta de una matriz (generalmente rectangular) de píxeles sensibles a la luz en el plano focal de una lente . Los FPA se utilizan con mayor frecuencia para fines de imagen (por ejemplo, tomar fotografías o grabar vídeos), pero también pueden utilizarse para fines distintos a la imagen, como espectrometría , LIDAR y detección de frentes de onda .
En radioastronomía , el FPA se encuentra en el foco de un radiotelescopio . En longitudes de onda ópticas e infrarrojas, puede referirse a diversos tipos de dispositivos de imagen, pero comúnmente se refiere a dispositivos bidimensionales sensibles al espectro infrarrojo . Los dispositivos sensibles a otros espectros suelen denominarse 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 específicas y generando una carga eléctrica, voltaje o resistencia en función del número de fotones detectados en cada píxel. Esta carga, voltaje o resistencia se mide, digitaliza y utiliza para construir una imagen del objeto, escena o fenómeno que emitió los fotones.
Las aplicaciones de los FPA infrarrojos incluyen sensores de guiado de misiles o armas relacionadas, astronomía infrarroja, inspección de fabricación, imágenes térmicas para la extinción de incendios, imágenes médicas y fenomenología infrarroja (como la observación de la combustión, el impacto de armas, la ignición de motores de cohetes y otros eventos que son interesantes en el espectro infrarrojo).
Comparación con la matriz de escaneo
Los sensores de imagen de campo fijo se distinguen de los de campo de exploración y los TDI en que capturan la imagen del campo de visión deseado sin necesidad de exploración. Los sensores de campo de exploración se construyen a partir de matrices lineales (o matrices bidimensionales muy estrechas) que se desplazan por el campo de visión deseado mediante un espejo giratorio u oscilante para generar una imagen bidimensional a lo largo del tiempo. Un sensor TDI funciona de forma similar a un sensor de campo de exploración, con la diferencia de que captura la imagen perpendicularmente al movimiento de la cámara. Un sensor de campo fijo es análogo a la película de una cámara convencional; captura directamente una imagen bidimensional proyectada por la lente en el plano de la imagen. Un sensor de campo de exploración es análogo a la reconstrucción de una imagen bidimensional a partir de fotografías tomadas a través de una rendija estrecha. Un sensor TDI es análogo a mirar a través de una rendija vertical por la ventanilla lateral de un coche en movimiento y construir una imagen larga y continua a medida que el coche recorre el paisaje.
Los detectores de plano focal (FPA) se desarrollaron y utilizaron debido a las dificultades históricas para fabricar detectores bidimensionales de tamaño y calidad suficientes para la obtención de imágenes bidimensionales directas. Los FPA modernos están disponibles con hasta 2048 x 2048 píxeles, y varios fabricantes están desarrollando tamaños mayores. Existen detectores de 320 x 256 y 640 x 480 píxeles, disponibles a precios asequibles incluso para aplicaciones no militares ni científicas.
Construcción y materiales
La dificultad para construir matrices de detectores de plano focal (FPA) de alta calidad y resolución radica en los materiales utilizados. Mientras que los sensores de imagen visibles, como los CCD y los CMOS, se fabrican con silicio mediante procesos consolidados y bien establecidos, los sensores infrarrojos (IR) deben fabricarse con otros materiales más exóticos, ya que el silicio solo es sensible en los espectros visible e infrarrojo cercano. Entre los materiales sensibles al infrarrojo comúnmente utilizados en las matrices de detectores IR se 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 pueden utilizar diversas sales de plomo, aunque son menos comunes en la actualidad. Ninguno de estos materiales puede cultivarse en cristales de un tamaño similar al de los cristales de silicio modernos, ni las obleas resultantes presentan la uniformidad del silicio. Además, los materiales utilizados para construir matrices de píxeles sensibles a infrarrojos no pueden emplearse 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 denominado multiplexor o circuito integrado de lectura (ROIC), que normalmente se fabrica en silicio mediante procesos CMOS estándar. La matriz de detectores se hibrida o se une al ROIC, generalmente mediante unión por contacto con indio, y el conjunto resultante se denomina FPA.
Algunos materiales (y los FPA fabricados con ellos) solo funcionan a temperaturas criogénicas , y otros (como el silicio amorfo resistivo (a-Si) y los microbolómetros VOx ) pueden funcionar a temperaturas sin refrigeración. Algunos dispositivos solo son prácticos para funcionar criogénicamente, ya que de lo contrario el ruido térmico enmascararía la señal detectada. Los dispositivos se pueden enfriar por evaporación, normalmente con nitrógeno líquido (LN2) o helio líquido, o mediante un enfriador termoeléctrico .
Un aspecto peculiar de casi todos los FPA infrarrojos es que las respuestas eléctricas de los píxeles en un dispositivo dado tienden a ser no uniformes. En un dispositivo ideal, cada píxel emitiría la misma señal eléctrica al recibir la misma cantidad de fotones de la longitud de onda adecuada. En la práctica, casi todos los FPA presentan un desplazamiento significativo entre píxeles y una no uniformidad en la respuesta fotográfica (PRNU) entre píxeles. Cuando no están iluminados, cada píxel tiene un nivel de "señal cero" diferente, y cuando están iluminados, la diferencia en la señal también es diferente. Esta no uniformidad hace que las imágenes resultantes no sean prácticas para su uso hasta que se procesen para normalizar la respuesta fotográfica. Este proceso de corrección requiere un conjunto de datos de caracterización conocidos, recopilados del dispositivo en particular bajo condiciones controladas. La corrección de datos se puede realizar mediante 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 de producción, los materiales más escasos y los procesos complejos que implica la fabricación y el uso de los detectores de plano focal infrarrojos hacen que sean mucho más caros que los sensores de imagen visibles de tamaño y resolución comparables.
Las matrices de plano de mira se utilizan en misiles aire-aire modernos y misiles antitanque como el AIM-9X Sidewinder , ASRAAM [ 1 ].
La diafonía puede inhibir la iluminación de los píxeles. [ 2 ]
Aplicaciones
Imágenes LIDAR 3D
Se ha informado que los conjuntos de plano focal (FPA) se utilizan para imágenes LIDAR 3D . [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
mejoras
En 2003, se presentó una placa de prototipos de 32 x 32 píxeles con capacidad para suprimir la diafonía entre matrices de plano focal (FPA). Investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. utilizaron un colimador para captar y dirigir el haz láser de la placa de prototipos hacia píxeles individuales. Dado que aún se observaban bajos niveles de voltaje en píxeles que no se iluminaban, esto indicaba que la iluminación se veía impedida por la diafonía . Esta diafonía se atribuyó al acoplamiento capacitivo entre las líneas de microcinta y entre los conductores internos de la FPA. Al reemplazar el receptor de la placa de prototipos por uno con una distancia focal más corta, se redujo el enfoque del colimador y se aumentó el umbral de reconocimiento de señal del sistema. Esto facilitó una mejor imagen al cancelar la diafonía. [ 2 ]
Otro método consistió en añadir una membrana de sustrato plana y delgada (de aproximadamente 800 angstroms de espesor) al FPA. Se informó que esto eliminaba la diafonía entre píxeles en aplicaciones de imagen con FPA. [ 5 ] En otro estudio sobre un FPA con fotodiodo de avalancha , el grabado de surcos entre píxeles vecinos redujo la diafonía. [ 6 ]
Véase también
Referencias
- ↑ Armas aire-aire - Real Fuerza Aérea
- 1 2 3 Goldberg, A.; Stann, B.; Gupta, N. (julio de 2003). "Investigación sobre imágenes multiespectrales, hiperespectrales y tridimensionales en el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU." (PDF). Actas de la Conferencia Internacional sobre Fusión Internacional [6.ª] . 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 (2003-08-21). "Un sistema compacto de radar láser de imágenes 3D que utiliza matrices APD en modo Geiger: sistema y mediciones" . En Kamerman, Gary W (ed.). Tecnología y aplicaciones de radar láser VIII . Vol. 5086. pp. 1– 15. doi : 10.1117/12.501581 . S2CID 110267445 .
- ↑ Marino, Richard M.; Davis, William Rhett (2004). "Jigsaw : un sistema de radar láser de imágenes 3D que penetra el follaje". S2CID 18046922 .
{{cite web}}: Falta o está vacío|url=( ayuda ) - ↑ Gunapala, SD; Bandara, SV; Liu, JK; Hill, CJ; Rafol, SB; Mumolo, JM; Trinh, JT; Tidrow, MZ; LeVan, PD (2005-05-01). "Matrices de plano focal QWIP infrarrojas de longitud de onda media y larga de 1024 × 1024 píxeles para aplicaciones de imágenes" . Semiconductor Science and Technology . 20 (5): 473– 480. doi : 10.1088/0268-1242/20/5/026 . ISSN 0268-1242 . Recuperado el 6 de junio de 2026 .
- ↑ Itzler, Mark A.; Entwistle, Mark; Owens, Mark; Patel, Ketan; Jiang, Xudong; Slomkowski, Krystyna; Rangwala, Sabbir; Zalud, Peter F.; Senko, Tom (2010-08-19). Dereniak, Eustace L; Hartke, John P; Levan, Paul D; Sood, Ashok K; Longshore, Randolph E; Razeghi, Manijeh (eds.). "Diseño y rendimiento de matrices de plano focal APD de fotón único para imágenes LADAR 3D" . Detectores y dispositivos de imagen: infrarrojo, plano focal, fotón único . 7780. SPIE: 77801M. Bibcode : 2010SPIE.7780E..1MI . doi : 10.1117/12.864465 . S2CID 120955542 .
- Imágenes infrarrojas
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