Перспективы применения КМОП-матриц с фильтром Байера в аппаратуре ДЗЗ

Перспективы применения КМОП-матриц для решения задач дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) связаны с их преимуществами, такими как низкое энергопотребление, низкая стоимость и возможность выборочного чтения.
КМОП-матрицы успешно конкурируют с ПЗС-сенсорами и находят применение в различных сферах, включая мобильные устройства, автомобильный рынок, системы наблюдения, промышленное техническое зрение и медицинское оборудование [1].
В последнее десятилетие расширилось использование КМОП-матриц в области ДЗЗ, особенно в сегменте малых космических аппаратов (МКА) благодаря открывающимся возможностям миниатюризации оптико-электронных камер и перспектив внедрения в кристалл КМОП-матриц микросхем предобработки изображений
Современные кадровые КМОП сенсоры можно разделить на панхроматические и цветные. Преимуществами панхроматических сенсоров является более высокая квантовая эффективность и простой биннинг пикселей матрицы. Однако, реализация мультиспектральной съёмки потребует применения полосовых интерференционных светофильтров. Недостатком интерференционных светофильтров является потребность в реализации временной задержки между кадрами фотозон, чтобы получить корректную пространственную сшивку. Также возникают технологические сложности в изготовлении и креплении светофильтров к сенсору. В частности, при несъёмном защитном стекле фотоприёмника требуется разнесение разных спектральных зон на значительное расстояние для предотвращения попадания пучков лучей из синего фильтра в выделенную под зелёный канал часть фотоприёмника и т.д.
Цветные сенсоры на основе фильтра Байера исключают эти недостатки. Данная принцип организации спектральных зон обеспечивает одновременность съёмки местности во всех главных трёх спектральных каналах. Однако из-за своей шахматной структуры пиксели цветных каналов будут прорежены, что говорит о снижении пространственного разрешения в 2 раза [2]. Для улучшения пространственного разрешения существуют алгоритмы интерполяции фильтра Байера (демозаика). В результате применения данных алгоритмов пространственное разрешение синтезированного изображения ухудшается незначительно по сравнению со съёмкой тремя отдельными фотоприёмниками со своим светофильтром каждый. В данной работе рассмотрены Функции передачи модуляции интерполяции в зависимости от алгоритма демозаики [3].
Отдельное внимание необходимо уделить ближнему инфракрасному диапазону. Для его реализации в цветном сенсоре в некоторых аппаратах применяются дополнительно полосовые светофильтры для разделения видимого и инфракрасного участка сенсора. Так как красный пиксель в байеровской сетке сенсора имеет спектральный диапазон чувствительности от 600 нм до 900нм, то за счёт наклейки двух полосовых фильтров на половины матрицы (видимый фильтр 450...700 нм и инфракрасный фильтр 750...900 нм) можно из части исходных красных пикселей сделать сетку инфракрасных пикселей и организовать четвёртый (инфракрасный) канал съёмки [4,5].
В сочетании с развитием алгоритмов "Цифрового ВЗН" фотоприёмники на основе байеровских сеток светофильтров позволяют создавать оптико-электронные камеры ДЗЗ на 4 спектральных канала (R, G, B +NIR) разрешением до 2 метров, что раньше было возможно только на основе дорогостоящих и сложных матриц ПЗС-ВЗН.