مصفوفة التحديق

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

المصفوفة الثابتة ، والمعروفة أيضًا باسم مصفوفة المستوى الثابت أو مصفوفة المستوى البؤري ( FPA )، هي مستشعر صور يتكون من مصفوفة (عادةً ما تكون مستطيلة) من وحدات البكسل الحساسة للضوء في المستوى البؤري للعدسة . تُستخدم مصفوفات المستوى البؤري بشكل شائع لأغراض التصوير (مثل التقاط الصور أو تسجيل الفيديو)، ولكن يمكن استخدامها أيضًا لأغراض أخرى غير التصوير مثل قياس الطيف ، وتقنية الليدار ، واستشعار جبهة الموجة .

في علم الفلك الراديوي ، تقع مصفوفة البؤرة البؤرية (FPA) في بؤرة التلسكوب الراديوي . عند الأطوال الموجية الضوئية والأشعة تحت الحمراء، قد تشير إلى أنواع مختلفة من أجهزة التصوير، ولكن في الاستخدام الشائع، تشير إلى أجهزة ثنائية الأبعاد حساسة في طيف الأشعة تحت الحمراء . أما الأجهزة الحساسة في أطياف أخرى، فيُشار إليها عادةً بمصطلحات أخرى، مثل جهاز اقتران الشحنة (CCD ) ومستشعر الصور CMOS في الطيف المرئي. تعمل مصفوفات البؤرة البؤرية عن طريق الكشف عن الفوتونات عند أطوال موجية محددة، ثم توليد شحنة كهربائية أو جهد أو مقاومة تتناسب مع عدد الفوتونات المكتشفة في كل بكسل. بعد ذلك، تُقاس هذه الشحنة أو الجهد أو المقاومة، وتُحوّل إلى بيانات رقمية، وتُستخدم لإنشاء صورة للجسم أو المشهد أو الظاهرة التي انبعثت منها الفوتونات.

تشمل تطبيقات مصفوفات البؤرة بالأشعة تحت الحمراء أجهزة استشعار توجيه الصواريخ أو الأسلحة ذات الصلة، وعلم الفلك بالأشعة تحت الحمراء، وفحص التصنيع، والتصوير الحراري لمكافحة الحرائق، والتصوير الطبي، وظواهر الأشعة تحت الحمراء (مثل مراقبة الاحتراق، وتأثير الأسلحة، واشتعال محركات الصواريخ، وغيرها من الأحداث المهمة في طيف الأشعة تحت الحمراء).

مقارنة بمصفوفة المسح

تختلف المصفوفات الثابتة عن مصفوفات المسح الضوئي وأجهزة التصوير بتقنية TDI في أنها تُصوّر مجال الرؤية المطلوب دون مسح ضوئي. تتكون مصفوفات المسح الضوئي من مصفوفات خطية (أو مصفوفات ثنائية الأبعاد ضيقة جدًا) تُمسح ضوئيًا عبر مجال الرؤية المطلوب باستخدام مرآة دوارة أو متذبذبة لتكوين صورة ثنائية الأبعاد بمرور الوقت. يعمل جهاز التصوير بتقنية TDI بطريقة مشابهة لمصفوفة المسح الضوئي، إلا أنه يُصوّر عموديًا على حركة الكاميرا. تُشبه المصفوفة الثابتة الفيلم في الكاميرا التقليدية؛ فهي تلتقط مباشرةً صورة ثنائية الأبعاد تُسقطها العدسة على مستوى الصورة. تُشبه مصفوفة المسح الضوئي تجميع صورة ثنائية الأبعاد من صور مُلتقطة عبر شق ضيق. يُشبه جهاز التصوير بتقنية TDI النظر عبر شق رأسي من النافذة الجانبية لسيارة متحركة، وتكوين صورة طويلة متصلة أثناء مرور السيارة بالمنظر الطبيعي.

طُوّرت مصفوفات المسح الضوئي واستُخدمت نظرًا للصعوبات التاريخية في تصنيع مصفوفات ثنائية الأبعاد ذات حجم وجودة كافيين للتصوير ثنائي الأبعاد المباشر. تتوفر مصفوفات البؤرة البؤرية الحديثة بدقة تصل إلى 2048 × 2048 بكسل، وتعمل شركات تصنيع متعددة على تطوير أحجام أكبر. كما تتوفر مصفوفات بدقة 320 × 256 و640 × 480 بكسل بأسعار معقولة حتى للتطبيقات غير العسكرية وغير العلمية.

البناء والمواد

تكمن صعوبة تصنيع مصفوفات البؤرة البؤرية عالية الجودة والدقة في المواد المستخدمة. فبينما تُصنع أجهزة التصوير المرئي، مثل مستشعرات الصور CCD وCMOS، من السيليكون باستخدام عمليات ناضجة ومفهومة جيدًا، يجب تصنيع مستشعرات الأشعة تحت الحمراء من مواد أخرى أكثر تخصصًا، لأن السيليكون حساس فقط في نطاقي الطيف المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة. تشمل المواد الحساسة للأشعة تحت الحمراء الشائعة الاستخدام في مصفوفات كاشفات الأشعة تحت الحمراء: تيلوريد الزئبق والكادميوم (HgCdTe)، وأنتيمونيد الإنديوم (InSb)، وأرسينيد الإنديوم والغاليوم (InGaAs)، وأكسيد الفاناديوم (VOx). كما يمكن استخدام مجموعة متنوعة من أملاح الرصاص، ولكنها أقل شيوعًا اليوم. لا يمكن تنمية أي من هذه المواد إلى بلورات بحجم بلورات السيليكون الحديثة، كما أن الرقائق الناتجة لا تتمتع بتجانس السيليكون. علاوة على ذلك، لا يمكن استخدام المواد المستخدمة في بناء مصفوفات البكسلات الحساسة للأشعة تحت الحمراء في بناء الدوائر الإلكترونية اللازمة لنقل الشحنة أو الجهد أو المقاومة الناتجة عن كل بكسل إلى دوائر القياس. تُنفذ هذه الوظائف على شريحة تُسمى مُضاعِف الإشارات ، أو دوائر القراءة المتكاملة (ROIC)، وتُصنع عادةً من السيليكون باستخدام عمليات CMOS القياسية. بعد ذلك، تُدمج مصفوفة الكاشف مع دائرة القراءة المتكاملة، عادةً باستخدام تقنية ربط نتوءات الإنديوم، ويُطلق على التجميع الناتج اسم مصفوفة البؤرة البؤرية (FPA).

بعض المواد (ومصفوفات البؤرة المصنّعة منها) لا تعمل إلا في درجات حرارة منخفضة للغاية ، بينما يمكن لمواد أخرى (مثل السيليكون غير المتبلور المقاوم (a-Si) ومقاييس الإشعاع الحراري الدقيقة المصنوعة من أكسيد الفاناديوم (VOx) ) العمل في درجات حرارة غير مبردة. بعض الأجهزة لا يمكن تشغيلها عمليًا إلا في درجات حرارة منخفضة للغاية، وإلا فإن الضوضاء الحرارية ستطغى على الإشارة المكتشفة. يمكن تبريد الأجهزة بالتبخير، عادةً باستخدام النيتروجين السائل (LN2) أو الهيليوم السائل، أو باستخدام مبرد كهروحراري .

من السمات المميزة لمعظم مصفوفات البؤرة البصرية بالأشعة تحت الحمراء (IR FPA) عدم انتظام الاستجابات الكهربائية للبكسلات في الجهاز الواحد. ففي الجهاز المثالي، يُفترض أن يُخرج كل بكسل الإشارة الكهربائية نفسها عند تعرضه لنفس عدد الفوتونات ذات الطول الموجي المناسب. أما في الواقع، فتُعاني معظم مصفوفات البؤرة البصرية من انحراف ملحوظ بين البكسلات، بالإضافة إلى عدم انتظام في الاستجابة الضوئية بينها . فعندما يكون الجهاز غير مُضاء، يكون لكل بكسل مستوى "إشارة صفرية" مختلف، وعند إضاءته، يكون الفرق في الإشارة مختلفًا أيضًا. هذا التباين يجعل الصور الناتجة غير عملية للاستخدام حتى تتم معالجتها لتطبيع الاستجابة الضوئية. تتطلب عملية التصحيح هذه مجموعة من بيانات التوصيف المعروفة، والتي يتم جمعها من الجهاز نفسه في ظل ظروف مُحكمة. يُمكن إجراء تصحيح البيانات برمجياً، أو باستخدام معالج الإشارات الرقمية (DSP) أو مصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGA) في إلكترونيات الكاميرا، أو حتى على شريحة قراءة الإشارة (ROIC) في أحدث الأجهزة.

إن الكميات المنخفضة والمواد النادرة والعمليات المعقدة التي ينطوي عليها تصنيع واستخدام مصفوفات البؤرة البؤرية بالأشعة تحت الحمراء تجعلها أغلى بكثير من أجهزة التصوير المرئي ذات الحجم والدقة المماثلة.

تُستخدم مصفوفات الطائرات الثابتة في الصواريخ الحديثة جو-جو والصواريخ المضادة للدبابات مثل AIM-9X Sidewinder و ASRAAM [ 1 ].

يمكن أن يؤدي التداخل بين الإشارات إلى إعاقة إضاءة وحدات البكسل. [ 2 ]

التطبيقات

التصوير ثلاثي الأبعاد بتقنية الليدار

أُفيد باستخدام مصفوفات المستوى البؤري (FPAs) في التصوير ثلاثي الأبعاد بتقنية الليدار . [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

التحسينات

في عام ٢٠٠٣، تم الإبلاغ عن لوحة تجارب مكونة من ٣٢ × ٣٢ بكسل ، تتمتع بقدرات على كبح التداخل بين مصفوفات البؤرة البصرية (FPA). استخدم باحثون في مختبر أبحاث الجيش الأمريكي مُجمِّعًا ضوئيًا لتجميع شعاع الليزر من لوحة التجارب وتوجيهه نحو كل بكسل على حدة. ونظرًا لملاحظة مستويات منخفضة من الجهد في البكسلات غير المضيئة، فقد دلّ ذلك على أن التداخل الضوئي هو ما يمنع الإضاءة . وعُزي هذا التداخل إلى الاقتران السعوي بين خطوط الميكروستريب وبين الموصلات الداخلية لمصفوفة البؤرة البصرية. وباستبدال جهاز الاستقبال في لوحة التجارب بآخر ذي بُعد بؤري أقصر،  تم تقليل تركيز المُجمِّع الضوئي، وارتفع عتبة النظام للتعرف على الإشارة. وقد ساهم ذلك في تحسين جودة الصورة عن طريق إلغاء التداخل الضوئي. [ ٢ ]

تمثلت طريقة أخرى في إضافة غشاء ركيزة رقيق ومسطح (بسماكة 800 أنغستروم تقريبًا) إلى مصفوفة البؤرة المستوية. وقد ذُكر أن هذه الطريقة تقضي على التداخل بين البكسلات في تطبيقات التصوير باستخدام مصفوفة البؤرة المستوية. [ 5 ] وفي دراسة أخرى على مصفوفة البؤرة المستوية باستخدام الصمام الثنائي الضوئي الانهياري ، أدى حفر أخاديد بين البكسلات المتجاورة إلى تقليل التداخل. [ 6 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ أسلحة جو-جو - سلاح الجو الملكي
  2. 1 2 3 غولدبيرغ، أ.؛ ستان، ب.؛ غوبتا، ن. (يوليو 2003). "أبحاث التصوير متعدد الأطياف، وفائق الأطياف، وثلاثي الأبعاد في مختبر أبحاث الجيش الأمريكي" (ملف PDF). وقائع المؤتمر الدولي السادس حول الاندماج الدولي . 1: 499-506.
  3. ↑ مارينو، ريتشارد م.؛ ستيفنز، تيموثي؛ هاتش، روبرت إي.؛ ماكلولين، جوزيف ل.؛ موني، جيمس ج.؛ أوبراين، مايكل إي.؛ رو، غريغوري س.؛ آدامز، جوزيف س.؛ سكيلي، لوك (21 أغسطس/آب 2003). "نظام رادار ليزري تصويري ثلاثي الأبعاد صغير الحجم باستخدام مصفوفات APD في وضع جايجر: النظام والقياسات" . في كامرمان، غاري و. (محرر). تكنولوجيا وتطبيقات رادار الليزر، المجلد الثامن. المجلد  5086. الصفحات 1-15 . doi : 10.1117/12.501581 . S2CID 110267445 .  
  4. ↑ مارينو، ريتشارد م.؛ ديفيس، ويليام ريت (2004). "جيغسو : نظام رادار ليزري ثلاثي الأبعاد لاختراق أوراق الشجر". S2CID 18046922 .  {{cite web}}: مفقود أو فارغ |url=( مساعدة )
  5. ↑ غونابالا، إس دي؛ باندارا، إس في؛ ليو، جيه كيه؛ هيل، سي جيه؛ رافول، إس بي؛ مومولو، جيه إم؛ ترينه، جيه تي؛ تيدرو، إم زد؛ ليفان، بي دي (1 مايو 2005). "مصفوفات المستوى البؤري QWIP للأشعة تحت الحمراء متوسطة وطويلة الموجة بدقة 1024 × 1024 بكسل لتطبيقات التصوير" . مجلة علوم وتكنولوجيا أشباه الموصلات . 20 (5): 473-480 . doi : 10.1088/0268-1242/20/5/026 . ISSN 0268-1242 . تاريخ الاسترجاع: 6 يونيو 2026 . 
  6. ↑ إيتزلر، مارك أ.؛ إنتويستل، مارك؛ أوينز، مارك؛ باتيل، كيتان؛ جيانغ، شودونغ؛ سلومكوفسكي، كريستينا؛ رانغوالا، صابر؛ زالود، بيتر ف.؛ سينكو، توم (19 أغسطس 2010). ديرينياك، يوستاس ل.؛ هارتكي، جون ب.؛ ليفان، بول د.؛ سود، أشوك ك.؛ لونغشور، راندولف إي.؛ رازغي، مانيجه (محررون). "تصميم وأداء مصفوفات المستوى البؤري لثنائيات الفوتون المفردة لتصوير LADAR ثلاثي الأبعاد" . أجهزة الكشف والتصوير: الأشعة تحت الحمراء، المستوى البؤري، الفوتون المفرد . 7780. SPIE: 77801M. Bibcode : 2010SPIE.7780E..1MI . دوى : 10.1117/12.864465 . S2CID 120955542 .