CMOS модули

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. 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.

КМОП и ПЗС матрицы

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).

Изначально ПЗС матрицы  имеют более высокую светочувствительность, поскольку у них больше площадь сенсора, однако с появлением новых технологий таких как EXMOR CMOS и BSI CMOS параметры КМОП матриц значительно улучшились и в чём-то даже превзошли параметры ПЗС. Параллельно с увеличением чувствительности увеличился и спектральный диапазон КМОП сенсоров, который теперь простирается от ближнего ИК диапазона до среднего УФ диапазона с высокой квантовой эффективностью в разных точках спектральной кривой (от 200 до 1100 нм). Это позволяет существенно расширить сферу применения видеоматриц на основе КМОП сенсоров.

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.