Globaalin sulkimen CMOS-kuva-anturit ovat konenäössä hallitsevassa asemassa hyvästä syystä: niiden optinen suorituskyky vastaa CCD-kennojen ja rullasulkimien suorituskykyä ja lisäksi niillä on puolellaan monia etuja.
| Artikkelin on kirjoittanut ams:n sovellusinsinööri Pieterjan Daelemans. Hän on vastannut yrityksessä globaalin sulkijan kuva-antureista kuuden vuoden ajan. |
CCD-kennojen ja rullasuljinanturien korvaaminen globaalilla tai täsmäsulkimella yleistyy monilla alueilla, myös alhaisemman resoluution markkinoilla. Erittäin suurissa resoluutioissa CCD-kennot ovat yhä hallitsevassa asemassa, mutta alhaisemman resoluution kameroissa on käynnissä selvä siirtymä CMOS-kennoihin, mikä johtaa yksinkertaisempiin kamerasuunnitteluihin ja niiden toimintaan samalla, kun kehys- tai ruutunopeus kasvaa. Samalla siirrytään globaaliin sulkimeen.
Kuva 1. CMV50000-kenno edestä.
Yksi esimerkki kehityksestä on ams:n CMV-tuoteperhe, joka käyttää patentoitua 8T-pikselirakennetta (8 transistoria/pikseli) todellisella CDS-tekniikalla (Correlated Double Sampling) ja liukuhihnoitetulla globaalilla sulkimella. Tämän kaltaiset globaalin sulkimen ratkaisut tarjoavat laajan valikoiman resoluutioita. CMV-perheen tapauksessa resoluutiot yltävät VGA:sta aina 20 megapikseliin. Perheen uusin jäsen on CMV50000, 47,5 miljoonan pikselin kuva-anturi, joka kykenee toimimaan jopa 30 ruudun nopeudella täydellä resoluutiolla 35 millin optisessa formaatissa (36,43 × 27,62 mm).
Käyttämällä 7920 × 6004 pikselin matriisia 4,6 mikrometrin 8T-pikselikoossa CDS-näytteistyksellä nämä uudet anturit tuovat kameroihin lisää suorituskykyä ja toiminnallisuutta. Jopa pienemmällä pikselikoolla päästään samanlaiseen ja jopa parempaa suorituskykyyn. Anturi on varustettu 12-bittisellä AD-muuntimella, sen kohinataso on hyvin alhainen (8,8e) ja yksittäisen pikselin korkea lineaarinen varaustaso (14500e) johtaa 64 desibelin dynaamiseen alaan. Pimeä virta (dark current) on alhainen (66e/s 60°C:ssa), millä yhdessä piirille integroidun mustan värin optisen lukituksen (clamp) ansiosta päästään pitkiin, joka useiden sekuntien valotusaikoihin, jopa ilman jäähdytystä.
Kennollaan ams tarjoaa suunnittelijalle piirille integroidun rivinkorjauksen, joka tuottaa puhtaan kuvan suoraan anturista. Pikseleitä yhdistämällä (binning) voidaan kasvattaa täyttä varaustasoa noin 58 tuhanteen elektroniin, jolloin signaali-kohina-suhde kaksinkertaistuu ja kirkkaissa kuvissa nähdään enemmän yksityiskohtia. ams:n anturi tarjoaa myös limitettyä (interleaved) HDR-valotusmoodia jopa 10 mittauspisteellä, tarkan piirille integroidun lämpötila-anturin, useita laukaisinmoodeja ja jopa nelinkertaisen analogisen vahvistuksen, joita kaikkia voidaan ohjata yksinkertaisilla SPI-rekistereillä. Tähän se yltää 30 ruudun nopeudella täydellä resoluutiolla, tai jopa nopeammin pienemmällä ruudulla.
35 millin optisen formaatin takia käyttäjät voivat hyödyntää standardeja objektiiveja, mikä yksinkertaistaa järjestelmän suunnittelua.
Kuva 2: CMV50000-lohkokaavio.
Sovellukset
Näiden seuraavan sukupolven CMOS-kuva-anturien suuri resoluutio, nopeus ja suorituskyky tekevät niistä ihanteellisia korkealaatuisiin konenäkösovelluksiin, litteiden näyttöjen tarkastukseen, turvasovelluksiin, ilmailusovelluksiin, älykkäisiin liikennejärjestelmiin ja vastaaviin.
Konenäkö
Globaalin sulkimen CMOS-anturin tekee ihanteellisiksi konenäkösovelluksiin suuri tarkkuus, globaali suljintekniikka ja nopeat kehysajat. Suuri resoluutio tarkoittaa, että käyttäjät voivat joko kasvattaa tarkistusaluetta tai saada enemmän yksityiskohtia näkyviin. Aiempiin antureihin verrattuna uudet versiot voivat parantaa joko aluetta tai yksityiskohtien näkemistä jopa 12-kertaiseksi.
Kun uusissa antureissa kohina on alhainen ja analoginen vahvistus 4-kertainen, pienet yksityiskohdat näkyvät jopa hankalissa valaistusoloissa. 35 millin optisen formaatin ansiosta kameroissa voidaan lisäksi käyttää standardia optiikkaa.
Litteiden näyttöjen tarkistus
Kun litteiden näyttöjen tarkistus tulee yhä automatisoidummaksi, tarvitaan prosessissa yhä enemmän suorituskykyisiä kuva-antureita. Televisioiden, älypuhelimien ja muiden laitteiden näyttöjen fyysinen koko kasvaa ja samoin resoluutio (eli 4K- ja 8K-tasoon) ja lisäksi pikselitiheys kasvaa, minkä takia tarve suuren resoluution tarkistusjärjestelmille kasvaa nopeasti.
Suurten näyttöjen lisäksi myös mikronäytöillä varustettujen laitteiden (älykellot, AR-lasit, IoT-laitteet) määrä on kasvamassa. Näissä pienissä näytöissä ei saa olla virheitä, sillä loppukäyttäjä huomaisi ne välittömästi. Lisäksi nykyaikaiset tekniikat (OLED, kvanttipistenäytöt, miniledit) ovat yleistymässä ja ne vaativat yhä enemmän suorituskykyä tarkistusjärjestelmältä.
Suuren resoluution CMOS-ratkaisut mahdollistavat yhä suurempien ja resoluutioltaan tarkempien näyttöjen tarkistamisen tai useiden pienten näyttöjen testaamisen samalla kertaa, mikä lyhentää testaukseen kuluvaa aikaa. Käyttäjät voivat testata kokonaiset 8K-näytön 1:1-suhteessa valon tasaisuuden osalta, ja testata kokonaisia 4K- tai 2K-näyttöjä 4:1- tai 16:1-näytteistyssuhteella tarkistaakseen yksittäisten pikselien toiminnan.
Verrattuna muihin saman resoluution kuva-antureihin ams:n CMV50000-piirin kehysnopeus on 30 ruutua sekunnissa (fps), mikä auttaa lyhentämään testausaikaa. Useampi alhaisemman resoluution kamera optiikoineen voidaan nyt korvata yhdellä suuriresoluutioisella kameralla, mikä alentaa järjestelmäkustannuksia.
Uusien kuva-anturien alhainen kohina, erinomainen dynaaminen ala ja korkea signaali-kohinasuhde tekevät niistä ihanteellisia valon tasaisuuden testaamisessa, jossa varjostumat ovat pienikonstrastisia ja esiintyvät asteittain koko näytöllä. Samoin OLED-pikselien valovoiman testaamiseen, jossa emittoitu valo vaihtelee pikselistä toiseen, uudet anturit sopivat hyvin.
Erinomainen kuvanlaatu erittäin alhaisella pimeällä virralla ja mustan lukituksella tekee pitkistä valotusajoista mahdollisia ja tämä yhdessä 4-kertaisen analogisen vahvistuksen kera tuo esiin jopa hienoimmatkin valon vuotamiset näytöstä. Pikseleitä yhdistämällä (tämä on optiona) CMV50000-anturi kaksinkertaistaa signaali-kohinasuhteen, mikä tekee vieläkin enemmän kirkkaiden kuvien variaatioista näkyviksi.
Ilmakuvaus
Toinen sovellusalue, missä nämä uuden globaalin sulkimen CMOS-kuva-anturit tulevat loistamaan, on ilmakuvaus. Suuren 35 millin formaatin ja suuren resoluution ansiosta antureilla päästään joko tarkempaan kuvaan (GSD eli Ground Sample Distance) tai korkeammalla lentävään droneen.
Rullasulkimen käyttö drone-lennokeissa aiheuttaa ns. hyllyvän videokuvan, koska suljin siirtyy valotusajan aikana ja saa kuvan vääristymään. Tämä häiriö vaikuttaa kuvan tarkkuuteen ja se pitää myöhemmin poistaa (tai korvata mekaanisella sulkimella). Globaali suljin, joka aloittaa ja lopettaa joaisen pikselin valottamisen samanaikaisesti, poistaa tämän ongelman kokonaan. Tämän ansiosta drone voi lentää nopeammin ja liikkua vapaammin ja silti tuottaa häiriöttömiä kuvia.
Tämänkaltaisissa CMOS-antureissa voidaan helposti hidastaa kehysnopeutta tehonkulutuksen, kaistanleveyden, tallennustilan ja kameran monimutkaisuuden vähentämiseksi, mikäli täyttä 30fps-tallennusta ei tarvita.
Anturin toimintalämpötila on -40°…+70°C, joten niitä voidaan käyttää ilmakuvauksen usein vaatimissa vaikeissa olosuhteissa.
Video/televisiolähetykset
Koska CMOS-kuva-antureissa on sekä harmaasävy- että RGB-vaihtoehtoja, yhdessä 35 millin formaatin ja suuren resoluution (> 8K UHD) kanssa ne ovat ihanteellisia video- ja yleisradiosovelluksiin. Esimerkiksi ans:n CMV50000 voi toimia 40 kehyksen sekuntinopeudella 8K-resoluutiolla (7680 × 4320).
Suuren resoluution ansiosta käyttäjät voivat joko skaalata 4H- (tai HD) -resoluution ja parantaa kuvan laatua lisää tai valita yhden tai useamman 4K-tai HD-rajauksen tuottaakseen kuvaan rajatun toiminta-alueen terävällä 4K- tai HD-tarkkuudella (digitaalisella suurennoksella).
Alhainen kohina, laaja dynamiikka-alue ja piirille integroidut korjaustekniikka tuotavat korkealaatuista kuvaa suoraan anturista samalla, kun globaali sulin varmistaa, että nopea liike kuvassa tallennetaan ilman häiriötä.
Evaluointipaketti
CMV50000-anturille on olemassa arviointipaketti. Sen avulla voidaan vangita ja tallentaa täyden resoluution kuvia täydellä nopeudella nopean kortille integroidun muistin ansiosta. Nämä raakakuvat voidaan siirtää PC:lle myöhempää tarkastelua varten. Evaluointikortti käyttää USB 3.0 -yhteyttä ja yhteensopiva USB3Vision-standardardin kanssa. Sen mukana tulee helppokäyttöinen ohjelmisto (joka pohjaa NI MAX -ohjelmistoon) ja se on helppo integroida testausjärjestelmään kuva-anturin lopullista arviointia varten.
Kuva 3. CMV50000 EVK -anturikortti.
Tulevat sukupolvet
Suurempien resoluutioiden vaatimus kasvaa koko ajan, samoin yhä pienempien ja kevyempien kameroiden tarve. Näihin vaatimuksiin voidaan päästä vain pienentämällä pikselikokoa. Pienemmän pikselikoon uskotaan kuitenkin pienentävän suorituskykyä. ams:llä me työskentelemme kutistaaksemme pikselikokoa samalla, kun pidämme suorituskyvyn korkeana. Tämä polku vie kohti suorituskykyisiä ja suuriresoluutioisia kameroita, jotka silti ovat pieniä ja kevyitä, eivät tarvitse suurta, kallista optiikkaa ja jotka voidaan asentaa yhä pienempiin tiloihin.
Nykyaikaisen avaruus- ja sotilaselektroniikan suunnittelijoita pyydetään luomaan yhä parempaa suorituskykyä yhä pienemmässä mekaanisessa koossa. Tämä onnistuu parhaiten pinoamalla elektroniikkaa kolmiulotteisesti. Fyysisten rakennevaatimusten lisäksi datansiirtonopeudet kasvavat jatkuvasti ja signaalien eheyden marginaalit kutistuvat.
Analogipiirien markkina käy nyt kuumana. Hinnat nousevat ja toimitusajat venyvät. Yhdysvaltalainen Silanna Semiconductor yrittää kääntää asetelman päälaelleen lupaamalla jotain poikkeuksellista. Yhtiö tarjoaa kahden vuoden hintalukon kaikille suorituskykyisille AD-muuntimilleen.
