Упродовж останніх років цифрова фототехніка переживає період стрімкого розвитку, що характеризується впровадженням новаторських рішень у різноманітних аспектах конструювання та функціональності фотоапаратів. Ці технологічні інновації охоплюють широкий спектр елементів — починаючи від фундаментальних принципів роботи сенсорів зображення й закінчуючи інтелектуальними алгоритмами обробки даних та можливостями бездротового зв’язку. Фотоапарати, як наслідок, стають повнофункціональними пристроями, що є незамінними інструментами в різних галузях.
Давайте більш детально розглянемо ключові інновації в технології сенсорів зображення, які виводять сучасні фотоприлади на проривний рівень своїх функціональних можливостей.
1. Розширення спектрального діапазону
Обмеження традиційних CMOS-сенсорів, які переважно фіксують світло у видимому спектрі, стають дедалі очевиднішими у контексті зростаючих вимог до функціональності фотоапаратів. Спостерігається значне зростання інтересу до технологій, що дозволяють отримувати зображення за межами діапазону, сприйнятого людським оком, зокрема у короткохвильовому інфрачервоному (SWIR) діапазоні (1000-2000 нм) та у сфері гіперспектральної візуалізації.
SWIR-зображення надає можливість розрізняти об’єкти та матеріали, які можуть виглядати ідентично у видимому спектрі. Крім того, воно менш схильне до розсіювання пилом і туманом, що є критично важливим для систем автономного керування транспортних засобів.
Розробляються також значно дешевші альтернативи дорогим InGaAs-сенсорам для SWIR-діапазону, включаючи гібридні сенсори зображення, де додатковий тонкий світлопоглинаючий шар з органічних напівпровідників або квантових точок розміщується поверх CMOS-схеми зчитування для розширення діапазону виявлення довжин хвиль у SWIR-область.
2. Підвищення роздільної здатності та щільності пікселів
Сучасні сенсори здатні фіксувати зображення з безпрецедентною деталізацією та винятковою чіткістю. Попит на вищу роздільну здатність стимулюється потребами систем промислової інспекції, де необхідно розрізняти найдрібніші дефекти, а також платформами аерофотозйомки та картографування, де важлива висока точність просторових даних. На сьогодні, діляться даними експерти «Техно Базар», доступні сенсори з роздільною здатністю понад 150 мегапікселів, що розміщені у корпусі з діагоналлю близько 60 мм.
3. Мініатюризація та енергоефективність
Значний акцент у розробці сенсорів робиться на їхній мініатюризації та зниженні енергоспоживання, що в першу чергу зумовлено попитом з боку споживчого ринку, включаючи смартфони, портативні пристрої та Інтернет речей, а також розвитком робототехніки. У цих галузях постійно зростає потреба в обробці більшого обсягу даних при одночасному обмеженні фізичних розмірів та енергетичних ресурсів пристроїв.
Платформи типу «система на чипі» (SoC) досягли значного прогресу, дозволяючи інтегрувати на одному кристалі сенсори з процесорами, пам’яттю та іншими периферійними пристроями.
4. Покращення продуктивності в умовах слабкого освітлення та в інфрачервоному діапазоні
Здатність сенсора ефективно вловлювати світло, або спектральна чутливість, вже давно є ключовим напрямком у розвитку сенсорних технологій. Що вища чутливість сенсора, то менше світла потрібно для отримання якісного зображення, і, відповідно, тим швидше може бути зроблено знімок. У таких важливих сферах, як безпека та спостереження, а також у технологіях автономного водіння, ці досягнення дозволяють отримувати якісні зображення навіть в умовах недостатнього освітлення, наприклад, у сутінках або вночі.
Важливу роль у покращенні чутливості сенсорів відіграла технологія зворотного засвічення (BSI). Так само, для сенсорів, призначених для зйомки в інфрачервоному діапазоні, останні розробки призвели до створення іміджерів із вищою роздільною здатністю, які забезпечують більший обсяг інформації про сцену та дозволяють виявляти дрібніші дефекти з більшої відстані.
5. Розвиток технології event-based vision
Технологія event-based vision, також відома як «динамічне сенсорне сприйняття» (DVS), є принципово новим підходом до отримання оптичної інформації порівняно з традиційною покадровою зйомкою. Автономні транспортні засоби, безпілотні літальні апарати (дрони) та високошвидкісні промислові застосування потребують сенсорного сприйняття зображень із винятково високою часовою роздільною здатністю для фіксації швидких рухів і динамічних сцен. Однак при традиційній покадровій зйомці досягнення високої часової роздільної здатності призводить до генерації величезних обсягів даних, що, у свою чергу, вимагає значних обчислювальних ресурсів.
DVS є перспективною технологією, яка безпосередньо вирішує цю проблему. Вона являє собою абсолютно новий спосіб отримання оптичної інформації, де кожен окремий піксель сенсора працює незалежно та повідомляє часові мітки, що відповідають змінам інтенсивності світла на цьому конкретному пікселі. Таким чином, DVS може поєднувати вищу часову роздільну здатність у швидкозмінних областях зображення зі значно зменшеними вимогами до передачі та подальшої обробки даних.
6. Розширена обробка сигналів на рівні сенсорів
Нині спостерігається тенденція до інтеграції розширених можливостей обробки сигналів безпосередньо на чіп сенсора. Це дозволяє здійснювати обробку та покращення зображень буквально «на льоту», знижуючи навантаження на зовнішні пристрої та забезпечуючи можливість обробки зображень із низькою затримкою або в реальному часі для таких застосувань, як медична візуалізація та автономні транспортні засоби.
