Ontwikkeling van nachtzichtsensoren

De afgelopen jaren hebben CMOS-beeldsensoren met laag geluidsniveau veel nieuwe mogelijkheden en toepassingen op de markt voor nachtzicht gebracht. Hoewel weinig ruis van cruciaal belang is, is dit niet de enige parameter waarmee u rekening moet houden als u te maken heeft met zicht bij weinig licht. Gevoeligheid is ook van cruciaal belang voor de algehele prestaties van de sensor.

 

Recente ontwikkelingen op het gebied van CMOS-beeldsensortechnologie (CIS) hebben veel aandacht getrokken van ontwerpers van apparaten bij weinig licht. Hoewel CMOS-beeldsensoren nog niet rechtstreeks kunnen concurreren met traditionele nachtkijkers zoals beeldversterkers, demonstreren ze een aantal interessante mogelijkheden die ze tot de beste oplossing voor sommige markten maken.

 

De technologie ontwikkelt zich snel en zal naar verwachting de komende jaren spannende prestaties leveren. De sleutel tot nachtzichttoepassingen is het geluidsniveau, dat op grote schaal wordt geadverteerd als de belangrijkste prestatiemaatstaf, maar het is niet de enige factor waarmee rekening moet worden gehouden. Recente ontwikkelingen hebben pixelarchitecturen met hoge gevoeligheid gecombineerd met benaderingen met weinig ruis en een uitgebreide golflengterespons.

 

Beeldversterkers domineren al jaren de markt voor nachtkijkers. Ze bieden goede prestaties dankzij de hoge versterkingsversterking en het lage stroomverbruik, maar ze zijn puur analoog. Bij de digitale versie wordt een CCD of CIS aangesloten op een beeldversterker.

 

Electronic Bombardment CMOS (EB-CMOS) ontpopt zich nu als een serieuze concurrent van draagbare digitale beeldversterkers met weinig licht.

 

Elektronenvermenigvuldigende CCDS (EMCCD's) zijn meer gericht op niet-draagbare toepassingen vanwege de behoefte aan koeling; CMOS bij weinig licht is een nieuwe oplossing voor toepassingen die niet inherent over een vermenigvuldigingsmechanisme beschikken. Dit is een nadeel voor fotonenarme omgevingen, omdat er zeer weinig ruis nodig is om onderscheid te maken tussen relevante signalen, maar dit maakt het een perfect apparaat voor dag- en nachtgebruik.

 

In tegenstelling tot beeldversterkers of EB-CMOS (die niet kunnen werken zonder versterkingsversterking), kunnen CMOS-beeldsensoren werken bij fel licht, en functies zoals pixels met een hoog dynamisch bereik maken ze beter geschikt voor deze omstandigheden. Ze bieden ook unieke voordelen, zoals lage kosten, een langere levensduur dan andere oplossingen, geen verandering van belangrijke parameters in de loop van de tijd, een kleinere pixelgrootte (en dus lagere integratiekosten) en een hoge resolutie.

 

Er zijn twee parameters die de prestaties van sensoren bij weinig licht bepalen: de modulatieoverdrachtsfunctie (MTF) en de signaal-ruisverhouding (SNR).

 

MTF is een gebruikelijke manier om het vermogen van een sensor of systeem om een ​​goed scènecontrast te bieden te karakteriseren. Het is deze parameter die ervoor zorgt dat het CIS bij weinig licht beter presteert op nachtniveau (tot nachtniveau 3) dan beeldversterkers, omdat het een beeld met een hoger contrast oplevert.

 

Het effect van verslechtering van de modulatieoverdrachtsfunctie (MTF) op het beeld. Afbeelding met dank aan e2v Technologies

 

Het voordeel van CIS ten opzichte van EB-CMOS-sensoren in deze parameter is ook aangetoond, maar het verschil tussen de twee CMOS-beeldsensoren is over het algemeen niet erg groot.

 

De signaal-ruisverhouding is een andere belangrijke factor die bepaalt of een sensor bruikbare beelden kan opleveren. Figuur 2 laat zien dat het verminderen van de signaal-ruisverhouding een soortgelijk visueel effect heeft als het verminderen van het beeldcontrast. In dit beeld kan het oog contrastverschillen van slechts 1/64 waarnemen, maar ruis heeft een aanzienlijke invloed op het waargenomen beeld.

 

Het verminderen van de signaal-ruisverhouding (SNR) heeft een soortgelijk visueel effect als het verminderen van beeldcontrast

 

Op het eerste gezicht produceert de sensor een beeld van acceptabele kwaliteit bij SNR=10 en een uitstekend beeld bij SNR=40. Boven dit niveau kan het menselijk oog geen verbetering meer waarnemen.

 

Voor omgevingen met weinig licht zijn er twee voor de hand liggende manieren om de signaal-ruisverhouding te verbeteren: het verminderen van ruis, wat de aanpak is voor alle sensoren met weinig ruis; Verhoog het signaal om de respons van de sensor te optimaliseren in termen van kwantumefficiëntie of QE (ratio), de conversie tussen invallende fotonen en gemeten elektronen, evenals de spectrale respons.

 

Rekening houdend met de ruisfactor van de CMOS-beeldsensor en de inherente respons van de pixel, wordt het concept van ruis-equivalente verlichtingssterkte (NEI) verkregen. Het vertegenwoordigt de minimale verlichtingssterkte of lichtstroom die op een oppervlak invalt per oppervlakte-eenheid waaruit een bruikbaar beeld kan worden gegenereerd (SNR=1).