Kahta eri teknologiaa yhdistävä IT-EMCCD-kuvakenno näkee tarkasti sekä yön pimeydessä että kirkkaassa päivänvalossa. Laajan dynamiikan ansiosta yhdellä kameralla voidaan siten kuvata tarkasti näkymiä, jotka sisältävät sekä erittäin pimeitä että kirkkaita kohtia.
| Artikkelin kirjoittaja Michael DeLuca toimii ON Semiconductor -yhtiön kuva-anturiryhmässä uusien anturituotteiden markkinoille tuonnista vastaavana johtajana. Hän on työskennellyt digitaalisen kuvankäsittelyn parissa jo ensimmäisten digikameroiden kehittämisestä lähtien ja keskittyy nykyään CCD- ja CMOS-pohjaisten kuva-anturien markkinointitehtäviin. |
Erittäin niukassa valossa toimivien kuvantamisjärjestelmien suorituskyvylle ratkaisevan tärkeitä parametreja ovat kuvakennon herkkyys ja dynamiikka, olipa kyseessä sitten pimeälle kujalle sijoitettu valvontakamera tai vähäistä fluoresenssia havainnoiva mikroskooppi. Kuva-anturin herkkyys muodostuu itse asiassa useasta eri tekijästä kuten kohinasta, vasteesta, kvanttihyötysuhteesta ja kuvansieppausajasta. Ne yhdessä määrittävät pienimmän valomäärän, joka kameralla voidaan havaita.
Esimerkiksi 30 kuvan sekuntinopeudella tavanomainen kuvakenno kykenee sieppaamaan kuvia muutaman luksin valaistusvoimakkuuksilla, mikä vastaa täydenkuun tai iltahämärän valaistusta. Toinen määräävä parametri on kuva-anturin dynamiikka-alue, joka määrittää yhdellä kertaa mitattavissa olevan valomäärän koko vaihtelualueen pienimmästä suurimpaan. Jos kuvia halutaan saada hallitsemattomissa valaistusoloissa kuten pimeällä kujalla öiseen aikaan, tarvitaan sekä hyvää herkkyyttä että laajaa dynamiikkaa. Herkkyyttä tarvitaan, jotta päästään näkemään syvälle varjoisimpiin sopukoihin ja dynamiikkaa kirkkaimmin valaistujen kohtien sieppaamiseen kuvan yksityiskohtia menettämättä.
Tällaisten kohteiden asettamat vaatimukset voidaan täyttää IT-EMCCD-yhdistelmärakennetta hyödyntävällä kuva-anturilla. Siinä yhdistyvät IT-tyyppisen (Interline Transfer) CCD-kuvakennon ja elektronien monistusta hyödyntävän EMCCD-kennon (Electron Multiplication CCD) parhaat puolet. IT-CCD muodostaa kennolle suorituskykyisen alustan tarjoamalla yhtenäisen kuva-alan ja elektronisen suljintekniikan, jonka avulla kuvia voidaan siepata ja dataa lukea erittäin nopeasti. Tämän ansiosta myös nopeasti liikkuvien kohteiden kuvaaminen onnistuu ilman liikkeen aiheuttamia virheitä kuvassa. EMCCD puolestaan vahvistaa erittäin niukasti valaistuista kohteista siepatut signaalit niin, että ne nousevat luontaisen pohjakohinatason yläpuolelle. Tehollinen pohjakohinataso saadaan näin painetuksi alle yksittäisten elektronien aiheuttaman signaalitason, joten kuvainformaatiota voidaan siepata lähes pimeistä kohteista. Nämä kaksi teknologiaa yhdistävä IT-EMCCD tarjoaa siten joustavuutta, jonka ansiosta yhdellä kameralla voidaan kuvata samalla kertaa näkymää, josta osa on lähes pimeää (luksin murto-osia) ja osa kirkkaasti valaistua.
Kuva 1 havainnollistaa yhdistelmätekniikan suorituskykyä hyvin niukassa valossa. Kuva on siepattu 0,01 luksin valaistuksessa, joka vastaa noin neljäsosaa kuun antamasta valaistuksesta kirkkaana yönä. Tavallisen CMOS-kuvakennon tuottamassa kuvassa taustakohina peittää häiritsevästi yksityiskohtia. Sen sijaan IT-EMCCD-anturin tuottama kuva säilyttää yksityiskohdat paljon terävämpinä näinkin niukassa valaistuksessa.
Kuva 1. Tavanomaisella CMOS-kennolla ja IT-EMCCD-yhdistelmäanturilla siepattujen kuvien vertailu. Kuvat on otettu 0,01 luksin valaistuksessa käyttäen f2-objektiivia ja 33 millisekunnin valotusaikaa.
Tämän teknologiayhdistelmän tarjoama laajennettu dynamiikka-alue käy hyvin ilmi kuvasta 2. Siinä kohdetta valaistaan ainoastaan kirkkaalla valolla vasemmalta niin, että kuvan kirkkaus vähenee oikealle siirryttäessä. Tavanomainen CCD-kenno sieppaa kuvadataa kirkkaista kohdista hyvin, mutta kohina peittää kuvan varjokohtia oikeassa reunassa. Tavanomainen EMCCD-anturi puolestaan selviää varjokohdista hyvin, mutta kirkas valo vasemmalla aiheuttaa voimakasta yliohjautumista, joka rikkoo kuvan yhtenäisyyden. IT-EMCCD-kenno puolestaan selviää parhaiten näistä kolmesta kuva-anturista hyödyntämällä CCD:n tuottaman informaation kirkkaista kohdista ja EMCCD:n tuottaman datan kuvan pimeimmistä kohdista. Tämä laajentaa yhdistelmäkennon dynamiikka-aluetta merkittävästi verrattuna kumpaan tahansa tekniikkaan sellaisenaan. IT-EMCCD-anturilla koko laaja dynamiikka voidaan näin hyödyntää samassa kuvassa.
Kuva 2. Samasta kohteesta siepatut kuvat tavanomaisella CCD-kennolla, tavanomaisella EMCCD-anturilla ja IT-EMCCD-yhdistelmäanturilla.
Tämä yhdistelmä tarjoaa IT-EMCCD-anturille ominaisuuksia, joille ei löydy vertaa ainoastakaan yksittäisestä kuvantamistekniikasta. Elektroninmonistustekniikalla päästään kuvaamaan poikkeuksellisen niukkavaloisia kohteita ja sieppaamaan kuvainformaatiota reilusti alle yhden luksin valaistuksessa. IT-CCD-tekniikkka taas tarjoaa korkealuokkaisen ja yhtenäisen kuvainformaation arkkitehtuurilla, joka on helposti skaalattavissa myös suuriin resoluutioihin ja värikuvaukseen. Ja yhdessä nämä tekniikat tarjoavat laajan, jopa 92 dB dynamiikka-alueen (vastaa suhdetta 40000:1) kuten esimerkiksi ON Semiconductorin kehittämällä KAE-04471-anturilla. Tämä joustavuus tekee yhdistelmätekniikkaan perustuvista antureista erityisen sopivia niukkavaloisiin kuvauskohteisiin, jotka liittyvät esimerkiksi valvontaan, älykkäisiin kuljetusjärjestelmiin ja lääketieteelliseen kuvantamiseen muun muassa silmäsairauksien hoidossa, fluoroskopiassa ja tieteellisessä mikroskopiassa. Tai mihin tahansa kohteisiin, joissa on toimittava erittäin alhaisilla kuvasignaalitasoilla ja kuvansieppauksen halutaan jatkuvan tarkasti ja virheettömästi kuvattavan alueen lähes pimeistä kohdista kirkkaasti valaistuihin.
Tällä hetkellä tarjolla on lähes 30 erilaista anturia, jotka hyödyntävät IT-EMCCD-yhdistelmätekniikkaa. Valikoimassa on muun muassa resoluutioversioita 1080p-tasolta 8 megapikseliin, tavallista suurempia pikseleitä sisältäviä versioita, NIR-spektrialueelle herkkiä versioita ja jopa anturiin integroidun jäähdytysjärjestelmän sisältäviä versioita. Koska kuvantamiseen liittyvät erityisvaatimukset voivat vaihdella paljon sovelluksesta toiseen, valikoiman laajuus on kriittinen tekijä, jotta kuhunkin erityissovellukseen voidaan löytää juuri sopivin mahdollinen kuva-anturi. IT-EMCCD-teknologia tarjoaa näin uusia vaihtoehtoja ja ratkaisuja kaikkein haastavimpiinkin niukkavaloisiin sovelluskohteisiin.
Humanoidirobottien servokäyttöjen on ohjattava nivelten liikkeitä tarkasti ja nopeasti. Samalla niiden mikro-ohjaimilta vaaditaan yhä enemmän tiedonsiirtoa, diagnostiikkaa ja muita järjestelmätason toimintoja. Ratkaisuna on erottaa aikakriittinen moottorinsäätö muista prosessorin tehtävistä ja siirtää se erillisen laitteiston hoidettavaksi.