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.

ETNtv

Watch ECF videos

TekoÀlyn avulla robotteja voidaan ohjata puheella

ETN - Technical article

Generatiivisen tekoälyn vallankumous, joka tuo chatbotit asiakaspalveluun ja mahdollistaa älykaiuttimien kaltaiset laitteet, on vasta alkua. Sama teknologia, joka ymmärtää ihmisten puhetta, siirtyy nyt robotiikkaan, missä se auttaa kehittämään algoritmeja robottien liikkeiden ohjaamiseen ja politiikkojen toteuttamiseen tärkeiden tehtävien suorittamiseksi.

Lue lisÀÀ...

SOM-ratkaisut ovat lÀÀketieteellisen elektroniikan luotettava tulevaisuus

Lääketieteellinen elektroniikka on yksi nopeimmin kasvavista teollisuudenaloista. Väestön ikääntyminen, erityisesti länsimaissa, ja terveydenhuollon teknologioiden jatkuva kehitys pitävät yllä kovaa kysyntää ja ohjaavat alan tutkimus- ja tuotekehitystä, kirjoittaa Digi Internationalin OEM-ratkaisuista Euroopassa vastaava johtaja Ronald Singh.

Lue lisÀÀ...

LATEST NEWS

NEW PRODUCTS

 

NEWSFLASH

 SPONSORS

 

Etteplan supports customers cross industries in digitalizing their business from requirement specifications to solution development and implementation. With over 30 years of experience, Etteplan has the needed expertise to develop a wide range of industrial applications, from large established companies to start-ups. We deliver complete turn-key solutions containing cross-discipline know-how.

 

CN Rood offers technical solutions in the field of testing and measurement. We aim to remain leaders in that regard. Our customers are often not looking for a product, but for a solution, and we all have the drive to work on that solution. What we love to do most is to continually work on the latest developments in the field of testing and measuring equipment. Now and in the future.

 


EBV Elektronik was founded in 1969 and is one of the leading specialists in European semiconductor distribution. This success is based on the underlying company philosophy, which was developed a long time ago and which still applies today: operational excellence, flexibility, reliability and execution – with the goal of achieving the highest degree of customer satisfaction.

 

Tria is a world leader in the design and manufacture of embedded computing for OEMs. We offer a broad range of off-the-shelf modules to fully customized systems built for our customers. With a global footprint and deep in-house expertise, we support innovators from design to delivery.

congatec is a rapidly growing technology company focusing on embedded and edge computing products and services. The high-performance computer modules are used in a wide range of applications and devices in industrial automation, medical technology, robotics, telecommunications and many other verticals.

 

Mespek was founded in 1989. Our main products are embedded electronic modules, industrial PCs with peripherals, KVM and server management products, as well as wireless solutions for IoT applications.

 

Since 1985, Digi International Inc. (Digi) has been a pioneer in wireless communication, forging the future for connected devices and responding to the needs of the people and enterprises that use them.

 

CVG Convergens is an ICT services company specialized in embedded systems, smart connected products and ICT systems and processes for SME businesses. Our mission is to help our clients, our team, and the society to improve and thrive by providing reliable and sustainable solutions, services, and products by creative and efficient application of technology.

 

BCC Solutions Oy is a Finnish company that, in addition to expert services, offers comprehensive equipment solutions for data transfer and telecommunication networks, as well as their analysis, testing and measurement. We broadly represent the industry's leading brands.

 

Acal BFi has trusted expertise in advanced electronics for 50 years. If you’re in search of a trusted technology solutions partner, your search ends here. Our extensive knowledge, cutting-edge portfolio, and worldwide capabilities are at your service to bring the future into reality.

 





ECF template