Kuinka ottaa kuvia pimeässä? Kuva-anturien tekniikka kehittyy nopeasti. ON Semiconductorin IT-EMCCD-kennoilla voidaan tallentaa näkymiä, jotka muilta kennoilta jäävät hämärään.
| Artikkelin on kirjoittanut ON Semiconductorin tuotemarkkinointipäällikkö Michael DeLuca. Hän on työskennellyt aiemmin kameravalmistaja Kodakilla markkinoinnissa ja kuva-anturituotteiden markkinoinnista vastaavana johtajana. ON Semille DeLuca tuli TrueSense Imagingin kautta vuonna 2014. |
Valaistus on kriittinen osa hyvän kuvan ottamista markkinasta tai sovelluksesta riippumatta. Studiossa työskentelevät ammattikuvaajat ja teollisuuden kuvantamissovelluksia kuten konenäköä suunnittelevat voivat usein hallita täysin käytettyä valaistusta, oli tavoite sitten kehittää yhtenäisesti valaistu näkymä tai erittäin suuri kontrasti. Valaistusta voidaan säätää, lisätä ja muokata tarpeen mukaan, jotta kuvauksen kohde voidaan optimoida.
Tilanteesta tulee paljon monimutkaisempi, jos valaistusta ei voi kontrolloida, kuten ulkoilmassa. Vaikka tämä ei ole iso ongelma kirkkaana, aurinkoisena päivänä, voi kuvan ottaminen tulla erittäin vaikeaksi illalla, kun valaistusta e voida kontrolloida. Mikäli kamera ei havaitse riittävän hyvin, pimeät varjot pysyvät pimeinä, eikä ole mahdollista sanoa, josko kuvan taustalla lymyilee joku objekti tai henkilö.
Samanlainen tilanne voi tulla eteen lääketieteellisessä tai tieteellisessä mikroskopiassa, jossa solun rakenteet voivat olla niin kemikaalien peitossa, että ne heijastavat eri aallonpituuksia, kun niitä valaistaan ultraviolettivalolla. Fluoresenssi voi olla hyvin heikkoa, joten kuvan ottaminen näissä oloissa vaatii kameran, joka näkee ”varjoihin” ollen erittäin herkkä jopa alhaisimmille valotasoille.
Jotta kuva-anturi toimisi tällaisissa haastavissa olosuhteissa – näkisi pimeän kujan varjoihin tai fluoresenssimikroskopiassa – nousee kaksi anturin parametria kriittiseen asemaan. Ensimmäinen on herkkyys, joka määrittää alhaisimman valotason, jonka kamera voi havaita. Vaikka herkkyys on todellisuudessa usean eri parametrin – lukukohinan, vasteen, kvanttitehokkuuden ja jopa valotusajan – yhdistelmä, ne yhdessä määrittävät alhaisimman valotason, jonka kamera voi ”nähdä”. 30 fps (ruutua sekunnissa) -kuvauksessa standardi kuva-anturi voi omata herkkyyden, jossa voidaan havaita alle 10 luxin valoa, mikä vastaa iltahämärän tai täydenkuun valoa. Yllä kuvatuissa tilanteissa tämä ei välttämättä riitä, sillä on tarpeen laajentaa kuvauskykyä alle luksin tasolle, jotta kamera voi nähdä syvälle varjoihin.
Toinen avainparametri on dynaaminen ala, joka mittaa anturin kerrallaan sieppaavan valon tasojen skaalaa. Kontrolloimattomissa olosuhteissa, kuten pimeällä kujalla kuvaaminen vaatii sekä herkkyyttä että laajaa dynamiikkaa: herkkyyttä varjoihin näkemiseen ja dynaamista alaa laajentaakseen kuvan ottamiseen näkymän kirkkaimpiin osiin ilman, että kuvaan syntyy häiriöitä tai että kuvan yksityiskohtia menetetään.
Interline Transfer EMCCD eli IT-EMCCD -kennot vastaavat tarpeisiin, joita nämä haastavat alhaisen valotason kuvasovellukset esittävät. Se yhdistää kaksi tekniikkaa - Interline Transfer CCD ja Electron Multiplication CCD eli EMCCD – tavalla, joka säilyttää parhaat puolet molemmista. ITCCD on tekniikan suorituskykyinen perusta, jossa pitkälle viety yhtenäisyys ja globaali (tai elektroninen) suljin sieppaa liikkuvia objekteja ilman liikkeestä syntyviä häiriöitä. Tämä tekniikka skaalautuu hyvin suuriin resoluutioihin, joten tuotteita voidaan kehittää usean megapikselin antureiksi. EMCCD monistaa erittäin alhaisen valon lähteestä tulevat signaalit niin, että ne nousevat anturin luontaisen kohinarajan yläpuolelle. Tämä siirtää anturin tehollisen kohinarajan alle elektronin tasolla (sub-electron) ja mahdollistaa erittäin heikkojen signaalien havaitsemisen, siis erittäin pienten valomäärien havaitsemisen. Yhdistämällä nämä kaksi tekniikkaa IT-EMCCD-anturit tuovat joustavuuden, jonka ansiosta yhdellä kameralla voidaan samanaikaisesti kuvata näkymä, jossa yksi osa on hyvin tumma – alle luksin valaistusvoimakkuuksia – ja siitä erillinen osa kirkkaasti valaistu.
Kuvassa 1 demonstroidaan tekniikan suorituskykyä. Molemmat kuvat on otettu samoissa olosuhteissa 0,01 luksin valossa, mikä vastaa kuunsirpin valoa kirkkaana yönä. Standardilla CMOS-kuva-anturilla otetun kuvan yksityiskohdat hämärtyvät anturin tauskohinassa, mikä on hyvin yleistä alhaisilla valovoimakkuuksilla. Sen sijaan IT-EMCCD-kuva tallentaa paljon enemmän yksityiskohtia jopa tätä heikommissa valaistusoloissa.
Kuva 1. Standardin CMOS- ja IT-EMCCD-kennon kuvat. Molemmat kuvat on otettu 0,01 luksin valossa f2-linssillä 33 millisekunnin valotusajalla.
Kuva 2 laajentaa tätä esimerkkiä osoittamalla dynaamisen alan merkityksen alle luksin valaistusalueella. Näkymää valaisee vain kirkas valo vasemmalla ja valn määrä vähenee siirryttäessä kuvassa vasemmalta oikealle. Standardi CCD-kanno vangitsee kuvan kirkkaimman osan hyvin, mutta kuvan oikean reunan varjoissa on merkittävästi kohinaa (mikä näkyy ympyröidyssä suurennoksessa). Nämä varjot voitaisiin kuvata ilman ongelmia standardilla EMCCD-kennolla, utta vasemman reunan kirkas valo tuottaa elektronien kertolaskurekisterissä ylivuodon, joka tuhoaa kuvan eheyden. Kuva siis palaa puhki. Interline Transfer EMCCD yhdistää parhaat ominaisuudet molemmista tekniikoista ja yhdistää ne käyttäen standardi CCD-lähtöä kuvan kirkkaisiin osiin ja EECCD-lähteä kuvan tummempiin osiin. Tämä laajentaa kennon dynaamista alaa laajemmalle mihin kumpikaan tekniikka itsenään pystyy, minkä ansiosta yhdellä kuvalla voidaan siepata näkymän koko informaatiosisältö.
Kuva 2: Standardin CCD-, standardin EMCCD- ja IT-EMCCD-kennon ottamat kuvat.
Tämä laajemman dynamiikan IT-EMCCD-kennoissa mahdolistaa näkymien välinen kytkettävä vahvistus (intra-scene switchable gain). Tekniikka mahdollistaa yksittäisten pikselien varauksen lähettämisen joko standardina CCD-lähtösignaalina tai elektronit monikertaistavana lähtönä pikseli pikseliltä. Kun kuva-anturimatriisia luetaan (kuva 3), jokaisen pikselin varaus kulkee anturiosan läpi, jossa varauksen koko mitataan ilman, että se vaikuttaa varaukseen. Tämän informaation kameran ohjauselektroniikka voi lukea, jolloin saadaan alustava signaalintason mittaus jokaiselle yksittäiselle pikselille. Käytännössä pikselit ”tagataan” kirkkaiksi tai tummiksi. Tätä informaatiota voidaan sitten käyttää ajamaan kennon kytkintä, joka ohjaa varauspaketit jompaankumpaan lähtöön signaalitason perusteella.
Kuva 3: Kuvansisäinen kytkettävä vahvistus.
Korkean varaustason pikselit (jotka tulevat kuvan kirkkaista osista) reititetään standardiin CCD-lähtöön volttimuunnosta varten, kun alhaisen varaustason (kuvan tummemmista osista) pikselit reititetään EMCCD-lähtöön, jossa ne saavat lisävahvistusta ennen muunnosta jännitteeksi. Tämän jälkeen nämä kaksi dataa yhdistetään ja fuusioidaan tuottamaan lopullinen kuva, joka vangitsee sekä kirkkaat kohokohdat että hyvin tummat varjot samalla, kun estetään EMCCD-kennoissa tyypillinen lähtösignaalirekisterin ylivuoto, joka tuottaa kuvahäiriöitä (artifacts).
Interline Transfer EMCCD -teknologia tuottaa toimintojen yhdistelmän, joka ylittää kaikki yksittäiset kuvantamistekniikat. Elektronien kertorekisteri mahdollistaa kuvaamisen erittäin heikossa valossa siepaten kuviin selvästi alle luksin valovoimalla valaistua kohteita. Interline Transfer CCD -suunnittelu tuottaa tasalaatuisen kuvan arkkitehtuurissa, joka on helposti skaalattavissa suuriin resoluutioihin tai värikuviin. Kuvan kohteiden välillä kytkettävä vahvistus tekee anturin dynaamisesta alasta laajan lineaarisen – aina 92 dB asti, tai 40000:1 -suhteena. Tämän takia tähän tekniikkaan perustuvat laitteet sopivat erinomaisesti vähäisen valon sovelluksiin kuten valvontakameroihin tai älykkäisiin kuljetusjärjestelmiin, lääketieteen kuvantamiseen kuten silmänpohjan kuvaamiseen tai fluoresenssikuvaukseen tai tieteelliseen mikroskopiaan – mihin tahansa sovellukseen, joissa kuvia pitää pystyä tallentamaan erittäin alhaisilla valovoimilla tai kohteita, joissa valon määrä vaihtelee pimeästä erittäin kirkkaaseen.
ON Semiconductorin IT-EMCCD-tuotteiden valikoima perustuu neljään erilliseen kennoon, joiden resoluutio yltää 1080p:stä (eli 2 megapikselistä) aina 8 megapikseliin asti, ja jotka tuottavat still-kuvan lisäksi videota jopa 30 ruudun sekuntinopeudella. Valikoimaan sisältää optioita eri herkkyyksillä ja kameraintegrointivaihtoehdoilla, joten tiettyyn sovellukseen saadaan aina valittua sopivin kenno. Lisäksi valikoimassa on tarjolla kaksi eri pikselikokoa, joista suurempi parantaa valoherkkyyttä resoluution kustannuksella annetussa optisessa formaatissa. Tämä näkyy kuvassa 4.
Kuva 4: KAE-08151- (5,5 µm pikseli) ja KAE-04471-kennojen (7,4 µm pikseli) kuvat. Molemmat kuvat on otettu 0,1 luksin valovoimassa f1.4-linssillä 81,5 millisekunnin valotusajalla.
Lisäksi tarjolla on optiona pikselirakenne, joka parantaa lähellä infrapunaa olevien aallonpituuksien havaitsemista ilman, että kuvan terävyys kärsii (Modulation Transfer Function). Tämä kaksinkertaistaa anturin herkkyyden NIR-aallonpituuksilla (Near Infra Red) kuten 850 nanometrissä, mikä voi olla tärkeää NIR-aallonpituuksia havaitsemaan pyrkivissä sovelluksissa. Esimerkiksi kuvan 5 molemmat kuvat on otettu yöllä 850 nanometrin valaisussa näyttäen auton rekisterikilven ja keulan. Koska rekisterikilvet USA:ssa (ja suuressa osassa maailmaa) suunnitellaan heijastamaan NIR-valoa, ne ovat hyvä esimerkki osoittamaan tällä alueella toimivan kuva-anturin suorituskykyä. KAE-02152-kennolla kuvatun kuvan lisäkirkkaus tulee suoraan uuden pikselirakenteen tuomasta lisäherkkyydestä NIR-alueella. Koska nämä kaksi 1080p-piiriä ovat täysin keskenään vaihdettavia, kameranvalmistajat voivat helposti kehittää yhden suunnittelun tukemaan molempia vaihtoehtoja tällä resoluutiotasolla.
Kuva 5: KAE-02150- ja KAE-02152-kennojen otokset. Molemmat kuvat otettu kuunsirpin valossa 850 nanometrin valaistuksessa f1.4-linssillä ja 39 millisekunnin valotusajalla.
IT-EMCCD-kennot ovat tarjolla myös versioina, joihin on integroitu termosähkinen jäähdytin suoraan koteloon. Tämänkaltainen jäähdytys – joka laskee toimintalämpötilan -10 °C tai sen alle – voi olla kriittinen osa suorituskykyä kameroissa, jotka toimivat erittäin alhaisen valovoiman oloissa, koska se vähentää anturin tuottamien häiriösignaalien määrää. Tämä integroitu kotelorakenne yksinkertaistaa jäähdytetyn kameran suunnittelua, minkä ansiosta tuotteet saadaan markkinoille nopeammin ja parantavat kameran suorituskykyä ilman, että tarvitaan erityisestä jäähdytyksen suunnitteluosaamista. Tämä kaikki auttaa alentamaan kameran kustannuksia loppukäyttäjälle.
Interline Transfer EMCCD -valikoimaan kuuluu 30 erilaista tilattavaa komponenttia, joiden ominaisuuksiin kuuluu resoluutioita 1080p:stä 8 megapikseliin, suurempia pikselikokoja, parannettua NIR-herkkyyttä, integroitua jäähdytystä jne. Koska erityiset kuvausvaatimukset voivat vaihdella suuresti sovelluksesta toiseen, valikoimaan laajuus on erittäin tärkeää, jotta tietyn sovelluksen erityisiin vaatimuksiin löytyy kaikkein sopivin kuva-anturi.
Kuva 6: Jäähdytetyn kotelon rakenne.
Interline Transfer EMCCD -teknologia avaa uusia ovia alhaisen valovirran kuvantamiseen, tuottaen tarvittavan suuren herkkyyden alle luksin valovirran kuvausoloihin sekä joustavuuden ja laajan dynamiikka-alan, jotka laajentavat kuvausta aina kirkkaaseen valoon asti. Tämä uusi kuva-anturien luokan tekniikka mahdollistaa uusia vaihtoehtoja ja ratkaisuja kaikkein haastavimpiin heikon valovoiman kuvaussovelluksiin.
