Kuvakenno – mitä ovat CCD- ja CMOS-kuvantunnistimet?

Kuvakenno on elektroninen laite, joka voi tallentaa kuvan. Yleensä kuvantunnistimet toimivat havaitsemalla valon tason ja voimakkuuden. Useimmat anturit toimivat näkyvän valon ja infrapunavalon avulla. On olemassa erityisiä antureita, jotka voivat havaita röntgen- ja gammasäteilyä. Tällaisia antureita voidaan rakentaa eri tavoin: Vuonna 2020 yleisimmät anturitekniikat olivat CCD ja CMOS.

Mitä kuvakenno tekee ja miten se toimii

Kuvakennon perusperiaate on yksinkertainen: fotonit osuvat kennon pikseleihin, joissa ne muuttavat fotodiodin tai muun valoaottavan elementin materiaalia siten, että syntyy sähkövaraus. Tämä varaus muutetaan myöhemmin jännitteeksi ja digitaaliseksi arvoksi, jonka kuva- tai videoprosessori muodostaa kuvaksi. Kennot mitataan yleensä kvanttitehokkuudella (quantum efficiency), joka kertoo, kuinka suuri osa saapuvista fotoneista tuottaa mitattavan signaalin.

CCD vs. CMOS — peruserot

• CCD (Charge-Coupled Device): CCD-kennoissa valon synnyttämät varaukset siirretään riviltä toiselle ja luetaan ulos yhdestä tai useammasta ulostulopisteestä. Tämä arkkitehtuuri antaa usein tasaista kohinan hallintaa ja hyvän kuvalaadun erityisesti heikossa valossa. CCD:t saattoivat kärsiä "blooming"-ilmiöstä, jossa kirkkaat kohdat vuotavat viereisiin pikseleihin.
• CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor): CMOS-kennossa jokaisella pikselillä on oma vahvistin ja lukupiiri, jolloin lukunopeus voi olla suurempi ja virrankulutus pienempi. CMOS on integroitu helpommin muuhun elektroniikkaan, mikä tekee siitä edullisen mobiili- ja kuluttajakäytössä. Alkuvaiheen CMOS-kennoilla oli kohinaa ja epätasaisuutta verrattuna CCD:hen, mutta myöhemmät tekniikat (esim. BSI, täyden kontrastin vahvistimet) ovat kurovat eron umpeen ja usein ohittaneet CCD:n monilla osa-alueilla.

Keskeiset erot käytännössä

• Kuvalaatuus ja kohina: CCD:t olivat perinteisesti parempia vähäisessä valossa ja tarjosivat alhaisemman kohinan tietyissä sovelluksissa. Nyky-CMOS-kennot ovat kuitenkin saavuttaneet tai ylittäneet CCD:n kohinanhallinnan ja dynamiikan monissa käyttötarkoituksissa.
• Nopeus ja virrankulutus: CMOS on yleensä nopeampi ja kuluttaa vähemmän virtaa, mikä tekee niistä sopivia videoon ja mobiililaitteisiin.
• Hinta ja integrointi: CMOS-kennoja voidaan valmistaa samaan tuotantoprosessiin muiden piirien kanssa, mikä laskee kustannuksia ja mahdollistaa monipuoliset lisäominaisuudet (esim. AD-muunnin kennon yhteydessä).
• Sulku (shutter) -tekniikat: CCD-kennossa on usein globaali suljin (global shutter), jolloin kaikki pikselit mittaavat samaa aikaväliä. CMOS-kennoissa yleisempi on rullausuljin (rolling shutter), joka voi aiheuttaa säröjä nopeasti liikkuville kohteille; globaalit CMOS-ratkaisut ovat kuitenkin yleistyneet teollisissa ja ammattikäytön sensoreissa.

Teknologinen kehitys ja parannukset

Uudet kehitysaskeleet ovat parantaneet molempia tekniikoita: back-illuminated (BSI) -rakenteet lisäävät valonkeruukykyä, suuremmat pikselikoot ja paremmat mikrolinssit parantavat herkkyyttä, ja kohinan vähennysalgoritmit sekä parantunut piirtotekniikka nostavat dynamiikkaa. Lisäksi on olemassa hybridiratkaisuja, esimerkiksi CMOS-lukupiirit yhdistettynä erityisiin fotodetektoreihin lääketieteellisissä ja tieteellisissä sovelluksissa.

Sovellukset

• Kuluttajakamerat ja älypuhelimet: pääasiassa CMOS-kennolla saavutettu tasapaino laadun, hinnan ja virrankulutuksen välillä.
• Astronomia ja tieteellinen kuvaus: CCD-kennoilla on pitkään ollut vankka asema tieteellisissä vaatimuksissa, mutta korkean suorituskyvyn CMOS-anturit ovat yleistymässä myös näillä aloilla.
• Teollisuus, koneellinen näkö ja kameraohjaus: tarvitaan usein globaalin sulkimen CMOS-tekniikoita tai erikois-CCD:tä riippuen nopeuden ja tarkkuuden vaatimuksista.
• Lääketiede ja röntgenkuvaus: erikoisanturit, mukaan lukien epäsuorat ja suorat detektorit, joilla mitataan korkeampien energioiden säteilyä.

Miten valita oikea kennotyyppi?

Valintaan vaikuttavat käyttötarkoitus, valaistusolosuhteet, nopeusvaatimukset, budjetti ja energiatehokkuus. Jos tarvitset parasta mahdollista herkkyyttä ja tasalaatuista lähivalotusta tieteellisessä mittauksessa, CCD voi yhä olla vaihtoehto. Useimpiin kuluttaja- ja ammattisovelluksiin nykyaikainen CMOS tarjoaa parhaan kokonaisarvon.

Yhteenvetona: sekä CCD- että CMOS-tekniikat muuttavat valon sähköisiksi signaaleiksi, mutta niiden arkkitehtuurit ja käytännön ominaisuudet eroavat. Tekniikan kehitys on tasoittanut eroja, ja nykyään CMOS on vallitseva tekniikka monilla markkinoilla, kun taas CCD:llä on yhä paikkansa erikoissovelluksissa.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on kuvakenno?

K: Millaisella valolla useimmat sensorit toimivat?

K: Voivatko anturit havaita röntgen- ja gammasäteilyä?

K: Miten kuva-anturit toimivat?

K: Mitkä ovat kaksi yleisintä anturitekniikkaa vuonna 2020?

K: Mitä eri tapoja on rakentaa kuvakenno?

K: Voiko kuvakenno tallentaa kuvaa?

Hae kirjaimella