Приборы ночного видения на базе CMOS (КМОП) сенсора

Сложность задач, решаемых современной техникой ночного видения, непрерывно возрастает. И если при гражданском применении можно ограничиться самым простым устройством, то военные предъявляют к технике очень серьезные требования. Она должна функционировать в условиях крайне низкой освещённости (менее 0,001 лк) и быть устойчивой к электронным помехам.

В настоящее время для производства приборов ночного видения применяют два типа сенсоров: CCD (ПЗС) и CMOS (КМОП).

Долгое время камеры CMOS не могли конкурировать со своими ПЗС-аналогами по качеству изображения и стоимости. Но сейчас уровень развития технологий позволяет создавать матрицы с разрешением в десятки миллионов пикселей (на данный момент рекордный показатель составляет 152 млн пикселей при размере пикселя 3,2 мкм), что обеспечивает превосходную четкость изображения. В сочетании с другими преимуществами CMOS-сенсоров, они стали более предпочтительны при выборе устройства ночного видения, чем ПЗС-матрицы.

Устройство CMOS (КМОП) сенсора

Чтобы понять, почему камеры на базе КМОП-сенсоров смогли потеснить своих конкурентов, рассмотрим устройство чувствительного элемента матрицы.

КМОП (CMOS) расшифровывается как комплементарная структура металл-окисел-полупроводниковая. Ее фоточувствительность была открыта в конце 1960-х годов, но технологии того времени не позволяли составить достойную конкуренцию CCD-сенсорам.

Однако с начала 1990-х годов технология производства и характеристики CMOS-сенсоров существенно улучшились.

Пиксель КМОП-матрицы представляет собой сложный элемент, включающий не только саму CMOS-структуру, но и схему управления, АЦП, систему цифровой обработки сигнала, микролинзу и цветофильтр. В общем случае блок-схема устройства пикселя выглядит следующим образом:

Как правило, для приборов ночного видения формирование цветного изображения не требуется, поэтому с целью повышения компактности и лучшей чувствительности цветофильтры в предназначенных для ночного видения матрицах не используются.

Изготовление КМОП-сенсоров по интегральным технологиям дает возможность снабдить каждый из пикселей матрицы собственным усилителем, что позволяет считывать данные как со всей матрицы, так и с отдельной ее области.

Благодаря наличию дополнительных схем, интегрированных непосредственно в чувствительный элемент, КМОП-сенсору требуется меньше внешних электронных блоков для обработки сигнала. Пример архитектуры CMOS-матрицы приведен на рисунке 2:

С другой стороны, дополнительные элементы занимают полезную площадь, которую можно было бы использовать для приема сигнала. Именно низкая чувствительность была одним из существенных факторов, задержавших широкое распространение КМОП-матриц на рынке.

Но в 2007 году компанией SONY были предложены так называемые «матрицы с обратной засветкой», позволившие увеличить площадь светочувствительной поверхности пикселей при тех же размерах матрицы, что сделало КМОП-сенсоры конкурентоспособными по отношению к ПЗС-матрицам.

Благодаря совершенствованию технологий производства интегральных компонентов удалось достичь размера отдельного элемента матрицы в 6 мкм, что открыло широкие перспективы по конструированию компактных приборов ночного видения с разрешением свыше 2 млн пикселей.

КМОП-матрицы чаще всего создаются на базе кремния и обладают чувствительностью в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Максимум чувствительности приходится на видимый диапазон:

Поэтому при низком уровне освещения необходима дополнительная подсветка. Но благодаря наличию чувствительности в ИК-диапазоне можно использовать инфракрасный источник излучения.

Преимущества КМОП-сенсоров

Благодаря особенностям конструкции КМОП-сенсоры по ряду характеристик оказались намного лучше приборов с зарядовой связью. Поначалу им в достоинство вменялась даже существенно более низкая стоимость производства — за счет массовости и использования уже готовых мощностей для интегральных схем. На самом деле и КМОП, и ПЗС-сенсоры имеют примерно одинаковую стоимость, так как стандартные технологии не позволяют добиться от КМОП-матриц сравнимого с ПЗС качества изображения.

Рассмотренная выше архитектура КМОП-сенсора дает возможность осуществлять произвольный доступ к каждому пикселю, что, в свою очередь, позволяет применить параллельные алгоритмы считывания данных и существенно ускорить обработку видеоинформации.

Использование интегральных технологий обеспечивает хорошую совместимость чувствительных элементов с другими электронными компонентами камеры. Мало того, чувствительные элементы и вспомогательная обвязка могут располагаться на одном кристалле кремния с высокой плотностью элементов. Поэтому приборы на базе КМОП-сенсоров отличаются высокой компактностью и низким энергопотреблением.

Усилительные схемы на КМОП-датчиках последних поколений практически нивелировали один из основных недостатков этих устройств — низкую чувствительность при малой освещенности, и сейчас низкоуровневые камеры на КМОП-сенсорах не являются большой редкостью.

Недостатки ПНВ на базе КМОП-сенсоров

Было бы несправедливо обойти стороной недостатки КМОП-матриц и собранных на их основе устройств.

1. Качество изображения. Несмотря на то, что КМОП-сенсоры в настоящее время не уступают ПЗС-матрицам по разрешению и размеру пикселя, соотношение сигнал/шум, а также квантовая эффективность матрицы у них ниже. Поэтому в ситуациях, когда эти параметры критичны, предпочтительнее сделать выбор в пользу ПЗС-сенсора.
2. Наличие собственных шумов. Каждый пиксель КМОП-матрицы содержит большое количество элементов, каждый из которых имеет собственный шум. В результате для каждого пикселя получается своя характеристическая кривая, а матрица в целом имеет разброс по шумам.

Эти недостатки свойственны первым поколениям КМОП-матриц и недорогим современным моделям. Но качественные CMOS-сенсоры способны справиться с большинством стоящих перед приборами ночного видения задач.

Применение приборов ночного видения

Долгое время приборы ночного видения (ПНВ) ассоциировались прежде всего с военным применением. Но сейчас область их использования существенно шире и включает в том числе и гражданскую сферу:

• военное применение;
• системы круглосуточного видеонаблюдения;
• строительство;
• охота;
• наблюдение за живой природой;
• развлечения;
• беспилотные аппараты;
• навигация.

ПНВ используются в тех ситуациях, когда освещённость недостаточна для ведения наблюдения стандартными методами. Это не только ведение, например, разведки на открытой местности, но и работа в закрытых помещениях, подвалах, шахтах и прочих объектах при невозможности использовать электрическое или иное освещение.

На какие характеристики устройства стоит обратить внимание

Приборы ночного видения, как и другие оптические устройства, обладают рядом характеристик, на которые стоит обратить внимание при выборе модели.

1. Разрешение матрицы. От этого параметра напрямую зависит частота и контрастность формируемого изображения. Современные фотоприемные модули, используемые в том числе и в ПНВ, имеют разрешение до 152 млн пикселей. Но следует иметь ввиду линейную связь между разрешением и стоимостью прибора. ПНВ с высоким разрешением могут стоить свыше миллиона рублей.
2. Светочувствительность. Этот параметр определяет, при какой минимальной освещенности возможна работа прибора. Современные ПНВ способны работать при освещенности 0,0001 лк или оснащены ИК-подсветкой.
3. Соотношение сигнал/шум. Влияет на качество изображения в условиях плохой видимости и измеряется в дБ. В современных моделях может достигать нескольких десятков дБ, обеспечивая обнаружение целей даже в трудных для наблюдения условиях.
4. Спектральная чувствительность. Приборы ночного видения на базе КМОП-матриц имеют чувствительность в диапазоне 0,4-1,1 мкм.
5. Увеличение/поле зрения. Эти два параметра взаимосвязаны между собой. Чем больше увеличение, тем меньше будет поле зрения и наоборот. Какой вариант выбрать — зависит от ваших целей. Например, для ночного прицела целесообразнее обратить внимание на увеличение, а для камеры наружного наблюдения — на поле зрения.
6. Энергопотребление. От этого параметра напрямую зависит время автономной работы прибора. У ПНВ на базе CMOS-сенсоров этот показатель один из лучших: рабочее напряжение составляет единицы вольт, а потребляемая мощность — немногим более 1 Вт.
7. Габариты и вес. Эти параметры особенно важны в переносных устройствах: излишняя громоздкость может осложнить использование оружия, а при длительных переходах чувствуется каждый килограмм лишней массы. Но ПНВ на базе КМОП-сенсоров имеют компактные размеры и небольшой вес, что выгодно отличает их от устройств, изготовленных на базе других технологий.

Заключение

Современные приборы ночного видения на базе КМОП-сенсоров способны справиться с большинством стоящих перед ними задач. В науке, медицине и других областях, требующих высочайшего качества изображения и высочайшей чувствительности, они по-прежнему не могут составить конкуренцию ПЗС-сенсорам. Но в системах наблюдения, ночных прицелах, при ведении строительных работ или разведке в условиях малой освещённости их возможностей более чем достаточно.

Мало того, за счет малого веса, компактности и низкого энергопотребления их применение в этих областях даже более предпочтительно, чем использование устройств на базе ПЗС.

Следует отметить, что в наиболее технологичных моделях размер пикселя КМОП-матрицы достиг 3,2 мкм, что является технологическим пределом. Поэтому дальнейшее увеличение разрешения возможно только с увеличением габаритов матрицы, что не всегда оправдано.

Для изготовления КМОП-датчиков необходимы специальные технологические процессы, поэтому производить их на линиях, предназначенных для сборки микросхем высокой плотности, не представляется возможным. Это делает КМОП-матрицы высокого разрешения дорогими в производстве и ведет к необходимости компромисса между качеством изображения и стоимостью оборудования.

Специалистами ООО «Лазерные компоненты» накоплен богатый опыт работы с оптоэлектронными приборами и компонентами, в том числе с приборами ночного видения и комплектующими к ним. Свяжитесь с нами по телефону или e-mail, чтобы получить подробную консультацию и рекомендации по выбору подходящего оборудования.