睨みつける

スターリングアレイは、スターリングプレーンアレイまたは焦点面アレイ（FPA ）とも呼ばれ、レンズの焦点面にある光感知ピクセルのアレイ（通常は長方形）で構成される画像センサーです。FPAは、主に画像撮影（写真やビデオ画像の撮影など）に使用されますが、分光測定、LIDAR、波面センシングなどの非画像撮影目的にも使用できます。

電波天文学では、FPA は電波望遠鏡の焦点にあります。光と赤外線の波長では、さまざまな種類の画像化デバイスを指すことがありますが、一般的には赤外線スペクトルに敏感な 2 次元デバイスを指します。他のスペクトルに敏感なデバイスは通常、可視スペクトルの CCD (電荷結合素子) やCMOS イメージ センサーなど、別の用語で呼ばれます。FPA は、特定の波長で光子を検出し、各ピクセルで検出された光子の数に応じて電荷、電圧、または抵抗を生成することで動作します。この電荷、電圧、または抵抗は測定され、デジタル化されて、光子を放出した物体、シーン、または現象の画像を作成するために使用されます。

赤外線 FPA の用途には、ミサイルや関連兵器の誘導センサー、赤外線天文学、製造検査、消防用熱画像、医療用画像、赤外線現象学 (燃焼、兵器の衝撃、ロケット モーターの点火、赤外線スペクトルで興味深いその他のイベントの観察など) などがあります。

スターリング アレイは、スキャンせずに目的の視野を画像化する点で、スキャン アレイやTDIイメージャーとは異なります。スキャン アレイは、回転ミラーまたは振動ミラーを使用して目的の視野全体にラスター化された線形アレイ (または非常に狭い 2D アレイ) から構成され、時間の経過とともに 2D 画像が構築されます。TDI イメージャーは、カメラの動きに対して垂直に画像化する点を除いて、スキャン アレイと同様に動作します。スターリング アレイは、一般的なカメラのフィルムに似ています。レンズによって画像平面に投影された 2D 画像を直接キャプチャします。スキャン アレイは、狭いスリットを通して撮影した写真で 2D 画像をつなぎ合わせることに似ています。TDI イメージャーは、走行中の車の側面の窓から垂直のスリットを通して外をのぞき、車が風景を通過するときに長く連続した画像を構築することに似ています。

スキャン アレイは、直接 2D イメージングに十分なサイズと品質の 2D アレイを製造することが歴史的に困難であったため、開発され、使用されました。最新の FPA は最大 2048 x 2048 ピクセルで利用可能であり、より大きなサイズが複数のメーカーによって開発されています。320 x 256 および 640 x 480 アレイは、軍事や科学以外の用途でも利用可能で、手頃な価格です。

高品質で高解像度の FPA を構築する難しさは、使用する材料に起因します。CCD や CMOS イメージ センサーなどの可視イメージング デバイスは、成熟したよく理解されたプロセスを使用してシリコンから製造されますが、IR センサーは、シリコンが可視スペクトルと近赤外線スペクトルにしか反応しないため、他のより特殊な材料から製造する必要があります。IR 検出器アレイで一般的に使用される赤外線に敏感な材料には、テルル化水銀カドミウム(HgCdTe、「MerCad」または「MerCadTel」)、アンチモン化インジウム(InSb、「インズビー」と発音)、ヒ化インジウム ガリウム(InGaAs、「インガス」と発音)、および酸化バナジウム (V) (VOx、「ヴォックス」と発音) があります。さまざまな鉛塩も使用できますが、現在はあまり一般的ではありません。これらの材料はいずれも、現代のシリコン結晶に近い大きさの結晶に成長させることはできず、また、結果として得られるウェーハはシリコンほど均一ではありません。さらに、IR 感度ピクセルのアレイを構築するために使用される材料は、各ピクセルの結果として得られる電荷、電圧、または抵抗を測定回路に転送するために必要な電子機器の構築には使用できません。この機能セットは、マルチプレクサまたは読み出し集積回路(ROIC) と呼ばれるチップ上に実装され、通常は標準の CMOS プロセスを使用してシリコンで製造されます。次に、検出器アレイは、通常はインジウム バンプ ボンディングを使用して ROIC にハイブリッド化または結合され、結果として得られるアセンブリは FPA と呼ばれます。

一部の材料（およびそれらから製造された FPA）は極低温でのみ動作しますが、その他の材料（抵抗性アモルファス シリコン（a-Si）や VOxマイクロボロメータなど）は非冷却温度で動作します。一部のデバイスは、熱雑音によって検出信号がかき消されてしまうため、極低温でのみ動作可能です。デバイスは、通常は液体窒素（LN2）または液体ヘリウムによって蒸発冷却するか、熱電冷却器を使用して冷却できます。

ほぼすべての IR FPA に特有の特徴は、特定のデバイス上のピクセルの電気応答が不均一になる傾向があることです。完璧なデバイスでは、適切な波長の光子の数が同じであれば、すべてのピクセルが同じ電気信号を出力します。実際には、ほぼすべての FPA で、ピクセル間のオフセットとピクセル間の光応答不均一性(PRNU) の両方が顕著です。照明が当たっていない場合、各ピクセルの「ゼロ信号」レベルは異なり、照明が当たっている場合、信号のデルタも異なります。この不均一性により、結果として得られる画像は、光応答を正規化するように処理されるまで使用できません。この補正プロセスには、制御された条件下で特定のデバイスから収集された、既知の特性データ セットが必要です。データ補正は、ソフトウェア、カメラ エレクトロニクスのDSPまたはFPGA、または最新のデバイスの ROIC で実行できます。

IR FPA は、生産量が少なく、材料が希少で、製造と使用に複雑なプロセスが伴うため、同等のサイズと解像度の可視イメージャーよりもはるかに高価です。

スターリングプレーンアレイは、AIM-9Xサイドワインダー、ASRAAMなどの現代の空対空ミサイルや対戦車ミサイルに使用されている^[1]

クロストークはピクセルの照明を妨げる可能性がある。^[2]

焦点面アレイ（FPA）は3D LIDARイメージングに使用されることが報告されている。^{[2] [3] [4]}

2003 年、FPA 間のクロストークを抑制する機能を備えた 32 x 32 ピクセルのブレッドボードが報告されました。米国陸軍研究所の研究者は、コリメータを使用してブレッドボードのレーザー光線を集め、個々のピクセルに向けました。点灯しないピクセルでは依然として低レベルの電圧が観測されたため、クロストークによって点灯が妨げられていることがわかりました。このクロストークは、マイクロストリップ線路間と FPA の内部導体間の容量結合に起因していました。ブレッドボードの受信機を焦点距離の短いものに交換することで、コリメータの焦点が下がり、システムの信号認識のしきい値が上がりました。これにより、クロストークがキャンセルされ、画像の品質が向上しました。^[2]

もう一つの方法は、FPAに平らに薄くした基板膜（厚さ約800オングストローム）を追加することでした。これにより、FPAイメージングアプリケーションでピクセル間のクロストークが排除されると報告されています。^[5]アバランシェフォトダイオードFPAの別の研究では、隣接するピクセル間に溝をエッチングすることでクロストークが削減されました。^[6]

• 焦点面アレイ（電波天文学）