Мультиспектральные сенсоры

Как известно, спектральный диапазон, доступный невооружённому человеческому глазу, ограничивается длиной волны 350-750 нм. За пределами границ видимого света с одной стороны расположен инфракрасный диапазон, а с другой – ультрафиолетовый. Визуализация этих волновых интервалов способна дать ряд преимуществ наблюдателю в различных сферах деятельности, начиная от криминалистики и заканчивая спектральным анализом при исследовании астрономических объектов.

Для этих целей был создан целый ряд оптических приборов со специализированными сенсорами, каждый из которых работает в узко определённом диапазоне электромагнитных волн:

1. Рентгенографические системы - от 0,01нм до 10нм.
2. Камеры «солнечно-слепого» УФ диапазона - от 280нм до 320нм.
3. Камеры «видимо-слепого» УФ диапазона - от 320нм до 380нм.
4. Камеры видимого света - от 380нм до 780нм.
5. Коротковолновые ИК камеры (SWIR) - от 900нм до 2500нм.
6. Средневолновые ИК камеры (MWIR) - от 3000нм до 5000нм.
7. Длинноволновые ИК камеры (LWIR) - от 8000нм до 14000нм.

Однако с течением времени стали появляться технологические возможности для комплексной визуализации сразу нескольких спектральных диапазонов и реализация этих возможностей связана с развитием цифровых мультисенсорных видеоматриц. Рассмотрим эти технологии более подробно.

КМОП И ПЗС сенсоры

Сенсоры цифровых видеоматриц по своему принципиальному устройству подразделяются на два вида:

1. Сенсоры на основе ПЗС (устройство с последовательной зарядовой связью). В ПЗС сенсоре световой поток изначально собирается в каждом фотодатчике в виде электрического заряда, а лишь за тем эти заряды преобразуются в изображение согласно общей схеме считывания.
2. Сенсоры на основе КМОП (комплементарный металооксидный полупроводник). КМОП сенсор состоит из интегральной схемы, содержащей массив пиксельных датчиков, каждый из которых имеет свой фотодетектор, т.е. сигнал с каждого пикселя считывается и обрабатывается индивидуально в момент приёма.

Согласно международной системе классификации, ПЗС сенсоры принято именовать CCD (charge-coupled device), а КМОП сенсоры – CMOS (complementary metal oxide semiconductor).

Первоначально у обеих типов сенсоров сетка полупроводников, отвечающих за обработку видеосигнала, находилась поверх фотоэлементов, принимающих свет, и поскольку часть светового потока отражалась от этой сетки, то это обстоятельство снижало чувствительность сенсора в целом. Долгое время переместить полупроводники на тыльную сторону фотоэлементов не удавалось из-за того, что с ростом светочувствительности матрицы возрастал и уровень помех, препятствующих получению чёткого изображения. Первыми, кому удалось создать работоспособный «перевёрнутый» сенсор, благодаря применению эффективных алгоритмов подавления оптических шумов, стали специалисты компании SONY. Так появилась технология Exmor CMOS.

Параллельно с увеличением светочувствительности сенсора, обнаружилось, что расширился и спектральный диапазон принимаемого сигнала как в инфракрасную область, так и в ультрафиолетовую:

Следующим шагом в развитии мультиспектральной технологии стало создание сенсора BSI (backside Illumination) CMOS, т.е. КМОП с обратной засветкой.  Идея заключается в том, что за видеоматрицей установлена светоотражающая подложка, которая позволяет дополнительно усилить чувствительность фотодиодов. Это привело к росту квантовой эффективность в ближнем УФ диапазоне с сохранением возможности визуализации ближнего ИК диапазона:

Между тем, технологии изготовления ПЗС матриц также не стояли на месте, так например был создан сенсор  EMCCD (Electron Multiplying Charge-Coupled Device), т.е. иными словами, ПЗС матрица с электронным умножителем и задней подсветкой. Эффект электронного умножения состоит в усилении сигнала перед его считыванием до уровня, превосходящего шумы, что позволяет повысить чувствительность сенсора без потери качества изображения.

В целом характеристики сенсоров EMCCD, если не вдаваться в подробности, близки к характеристикам BSI CMOS, но с несколько большей квантовой эффективностью в ИК диапазоне и меньшей в УФ диапазоне.

Гибридные сенсоры

В настоящее время развиваются технологии по объединению разных видов сенсоров в одной видеоматрице. Характерным примером такой гибридной видеоматрицы  является сенсор sCMOS (Scientific CMOS – научный КМОП), который представляет собой слияние КМОП и ПЗС технологий. Таким образом мы получаем видеоматрицу с раздвоенной схемой считывания, где верхняя и нижняя часть сенсора считываются независимо друг от друга. Каждый столбец в каждой половине сенсора оснащен двумя усилителями и двумя аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). На финальном этапе обработки происходит комплексация двух видов видеосигнала.

Если при этом применить заднюю подсветку матрицы, то мы получим такой же расширенный спектральный диапазон как у BSI CMOS, но с улучшенными показателями:

1. Возможность увеличения формата сенсора до 5,5 Мп при размере пикселя 6,5 мкм.
2. Низкий шум считывания (1 е-) при высокой частоте кадров (до 100 Гц).
3. Высокий динамический диапазон (30000:1 при частоте 30 Гц).
4. Отсутствие мультипликативных шумов, характерных для сенсоров EMCCD.

Ещё одним гибридным сенсором является ICCD (Intensified Charge-Coupled Device). Данная матрица представляет собой сенсор, состоящий из электронно - оптического преобразователя (Image Intensifier - ЭОП), сопряжённого с ПЗС (CCD). В этом случае фотокатод ЭОПа играет роль фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), повышающего чувствительность ПЗС матрицы.

ICCD-камера лучше всего подходит, когда требуется сочетать высокую чувствительность с высокой скоростью обработки изображения. Это особенно актуально в таких применениях, как флуоресцентная микроскопия или сверхбыстрая спектроскопия.

Одним из ведущих мировых производителей мультиспектральных сенсоров на базе технологии CMOS, помимо SONY, на данный момент считается китайская компания Gpixel.

Сферы применения мультиспектральных сенсоров

С развитием технологии создания мультиспектральных сенсоров, они становятся всё более доступными на рынке оптоэлектронных приборов, однако наиболее востребованным по-прежнему остаётся их научное применение:

1. Электронная спектроскопия (молекулярная спектроскопия) - метод изучения химических процессов по энергетическим переходам между валентными молекулярными орбиталями, которые проявляются в диапазоне 200-750 нм.
2. Визуализация со сверхразрешением в микроскопии (пространственное разрешение 20-50 нм).
3. Флуоресцентная визуализация нейронов при изучении биологических процессов в живом организме.
4. Наблюдение явления полного внутреннего отражения световых волн (TIRF) при отслеживании динамических процессов внутри живой клетки.
5. Визуализация структуры и динамики цитоскелета клеток с помощью субдифракционной микроскопии.
6. Спектральный анализ при исследовании астрономических объектов.
7. Секвенирование генома (определение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК).
8. Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия (КЛСМ).
9. Криминалистика (визуализация отпечатков в УФ диапазоне).
10. Наблюдательные системы различного типа и назначения (например, приборы ночного видения).

О последнем применении хотелось бы сказать отдельно. Дело в том, что сейчас уже имеются ПНВ (приборы ночного видения) на основе сенсора BSI CMOS, которые по своим спектральным характеристикам близки к ЭОП 3-го поколения, но при этом имеют гораздо более компактный размер и малый вес, а также, в отличие от ЭОПа, обладают возможностью цифрового вывода сигнала, при этом их стоимость намного меньше чем у тепловизионных ПНВ.

По-прежнему не утихает спор между специалистами, какие технологии (КМОП или ПЗС) станут в результате лидирующими при изготовлении мультиспектральных сенсоров. Ответ на этот вопрос способно дать только дальнейшее развитие этой сферы оптоэлектронной техники.