Kameran sensoritekniikka

Transkriptio

1 Kameran sensoritekniikka T Kuvaus- ja näyttötekniikka Mikko Nuutinen, Luennon sisältö: Yleistä Varauksen keräys Varauksen siirto CCD-kamerassa CMOS-sensori & CMOS vs. CCD

2 Kuvauslaitetyyppejä Digitaaliset still-kamerat kompaktikamerat järjestelmäkamerat (single-lens reflect, SLR) kompaktien ja järjestelmien välimuodot (esim. micro four thirds standardi) studiokamerat tutkimuskäyttöön tarkoitetut laboratoriokamerat Mobiililaitteiden kamerat (kameramoduuli upotettu laitteeseen) kännykät kynäskannerit (tekstintunnistus) kannettavien tietokoneiden (ja tablettien) integroidut videopuhelukamerat Videokamerat, TV- ja elokuvakamerat Skannerit

3 Digitaalisen kuvauslaitteen pääkomponentit Optiikka (luento pe 14.9.) koostuu objektiivista ja optisista suotimista, projisoi 3D-kuvan 2Dtasolle, (toteuttaa värierottelun) Kuvasensori (luento ke 12.9.) muuntaa optiikan muodostaman optisen kuvan sähköiseen muotoon Ohjauselektroniikka ja signaalinkäsittely (luento ke 19.9.) ohjauselektroniikka ohjaa kuvaustoimintoja, kuten valotus- sekä tarkennussäätöjä signaalinkäsittely muuntaa kuvasensorin raakasignaalin sopivaan muotoon ulostuloa varten

4 Kameran kuvasensorin toiminnot Kuvasensori muuntaa optisen kuvan sähköiseen muotoon Yleiset kuvasensoritekniikat CCD (Charge Coupled Device) CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) Kuvasensorilla yleisellä tasolla viisi toimintoa: 1. absorboi tulevan valon fotonin, 2. tuottaa varauksen absorboituneesta fotonista, 3. kerää tuotetun varauksen, 4. siirtää kerätyn varauksen sekä 5. konvertoi siirretyn varauksen jännitteeksi Vaiheissa 1-3 ei periaatteellista eroa CCD- ja CMOS-sensorien välillä

5 Varauksen keräys Kuvasensorin perusrakenneaine on pii Valon fotoni: absorboituu/heijastuu pintamateriaalista tai virittää piin elektronin (fotoni-elektronikonversio) tai läpäisee piin Viritetty elektroni rekombinoituu tai vaeltaa keräysalueelle (ja jatkokäsittelyyn) CCD Primer MTD/PS-0217, Kodak

6 Varauksen keräys Fotoni-elektronikonversion ehto: E E E ph ph g E g (Fotonilla tulee olla riittävästi energiaa virittää piin elektroni) hc hv 1,12 ev ja 1,11 m c E E h v c c ph g fotonin energia fotoni-elektronikonversion kynnysenergia Planckin vakio taajuus valonnopeus fotonin aallonpituus raja-aallonpituus

7 Varauksen keräys Fotonin aallonpituus > 1110 nm (hv7) ei riittävästi energiaa virittää piin elektronia Fotonin aallonpituus nm (hv3-hv6) absorboituu joko keräysalueelle tai sen ulkopuolelle jos elektroni virittyy keräysalueella, syntyy suurella todennäköisyydellä fotovirtaa jos elektroni virittyy keräysalueen ulkopuolella, vaeltaa elektroni keräysalueelle tai rekombinoituu Fotonin aallonpituus < 500 nm (hv1 ja hv2) todennäköisyys absorboitua tai heijastua sensorin pintamateriaaleista kasvaa CCD Primer MTD/PS-0217, Kodak

8 Varauksen keräys Kuvasensoreita karakterisoidaan usein kvanttitehokkuuden mitalla (Quantum Efficiency, QE) Kvanttitehokkuus on fotovirtaa synnyttävien elektronien ja sensorille tulevien fotonien välinen suhde Käsitteellä fotovirta tarkoitetaan fotonin absorboitumisen ja elektronin virittymisen tuloksena keräysalueelle syntyvää varausta Joissakin tapauksissa mitattu QE saattaa olla yli 100 % QE elektronien luku fotonien luku 100 Interaction of photons with silicon: CCD Primer MTD/PS-0217, Kodak

9 Varauksen keräys Kvanttitehokkuus riippuu useasta tekijästä, kuten: Absorptiovakio ( ) Viittaa kuinka syvälle fotoni kulkee ennen kuin absorboituu ja virittää elektronin Rekombinaation elinaika ( ) Viritetyillä elektroneilla on tarkka aika, jolloin ne ovat mobiileja Diffuusiomatka (Ln) Keskimääräinen matka, jonka viritetty elektroni kulkee ennen rekombinaatiota (kvanttitehokkuutta voidaan parantaa ohjaamalla elektronia kohti varausaluetta piin douppauksella ja sähkökentän muodolla) Sensorin pintamateriaalit: suojamateriaalit, elektrodit, valosuotimet

10 Varauksen keräys Absorboitumissyvyys vs. kvanttitehokkuus 520 nm fotoneista 90% absorboituu keräysalueella 670 nm fotoneista 42 % absorboituu keräysalueella 520 nm 670 nm -Kuvassa keräysalue 2,2 m alapuolella Application Note, Solid State Image Sensors Terminology DS , Kodak CCD Primer MTD/PS-0217, Kodak

11 Varauksen keräys Fotodiodi (fotodiode) tai fotoportti (photogate) -detektori Fotodiodissa p-n-sidos sitoo elektroniaukkoparit keräysalueella Fotoportti tuottaa MOS-kondensaattorilla (Metal Oxide Semiconductor) potentiaalikuopan, jonne viritetyt elektronit jäävät loukkuun

12 Varauksen keräys Fotoporttitekniikalla korkea täyttöaste (fill factor) korkea varauskapasiteetti (full well capacity) täyttöaste: pikselin pinta-ala, joka on valolle herkkä (esim. 50%) varauskapasiteetti: pikselin maksimivaraus (esim. 1,2 milj. elektronia) Fotoporttitekniikalla pikselin herkkyys (sensitivity) kuitenkin matalampi johtuen elektrodeista (porteista) valolle herkän alueen päällä Fotodioditekniikka vaatii monimutkaisemman rakenteen ja täyttöaste on matalampi matalampi varauskapasiteetti Fotodioditekniikassa herkkyys erityisesti sinisen aallonpituuden valolle korkeampi Fotoporttitekniikan QE Fotodioditekniikan QE CCD Primer MTD/PS-0217, Kodak

13 Varauksen keräys: dynaaminen alue Dynaaminen alue, DR, karakterisoi pikselien kykyä mitata samanaikaisesti näkymän tummien sekä vaaleiden kohtien kirkkaus Korkea varauskapasiteetti + matala kohinataso = korkea dynaaminen alue Käytössä erilaisia määrittelyjä S max -S min L max -L min Mitä on S min tai L min? Varauskapasiteetti / kohina (elektroniyksiköissä) kohina fotonikohina + pimeävirta + lukukohina SNR 20 log10 S / N S N signaalin intensiteetti kohinan intensiteetti

14 Varauksen keräys: dynaaminen alue Korkea DR Matala DR

15 CCD formaatit Pisteskannaus (pistedetektori) Riviskannaus (viivadetektori) Matriisiskannaus (aluedetektori) CCD Primer MTD/PS-0218, Kodak

16 Varauksen siirto CCD-kamerassa 1. vaihe siirto riveittäin matriisin pinnan yli 2. vaihe luku sarjassa rekisteriin 3. vaihe vahvistus ja muunto jännitteeksi sekä digitointi Digital Color Image Handbook, CRC Press 2003

17 CCD:n varauksensiirtoarkkitehtuureja Varauksen siirron toteutuksessa erilaisia arkkitehtuureja Full Frame (FF) Kuva siirretään suoraan pikseleistä rekisteriin. Tehokas piin käyttö. Frame Transfer (FT) Erillinen valolta suojattu taltiointialue, josta kuva luetaan rekisteriin. Kasvattaa sensorin kokoa. Interline Transfer (IL) Taltiointialueet sarakkeittain pikselisarakkeiden välissä; vähentää valonherkän alueen pinta-alaa Split Frame Transfer Kuten Frame Transfer mutta taltiointialue on jaettu kahdeksi erilliseksi osaksi

18 Full Frame siirto (FF-siirto) Pikseli kerää sekä siirtää varauksen Täyttöaste lähes 100% Koska pikselit integroivat valoa siirron aikana, tarvitaan mekaaninen suljin (shutter), muuten integrointi aiheuttaa tahriintumista (blurring, smearing) Käytössä ensisijaisesti ammattikameroissa (ei video) Full Frame CCD operation: CCD Primer MTD/PS-0218, Kodak

19 Frame Transfer siirto (FT-siirto) Erona FF-siirtoon on erillinen, valolta suojattu varauksen taltiointialue Mahdollistaa jatkuvan kuvauksen, koska suljinta ei tarvita; nopea siirto taltiointialueelle josta hidas siirto uloslukuun Taltiointialue kasvattaa kustannuksia tai pienentää resoluutiota (tai valolle herkän alueen kokoa) Käyttö esim. elokuvakameroissa Frame Transfer CCD operation: CCD Primer MTD/PS-0218, Kodak

20 Interline-siirto (IL-siirto) Varauksen keräysalue sekä valolta suojattu siirtoalue samalla pikselisijainnilla Korkea kuvausnopeus Mikrolinssejä käyttämällä täyttöaste ~ 70 % (ilman %) Laajasti käytössä kuluttajatason still- ja videokameroissa Interline CCD operation: CCD Primer MTD/PS-0218, Kodak

21 Interline-siirto (IL-siirto) Varauksen keräysalue Valolta suojattu varauksen siirtoalue Nuclear Instruments and Methods in Physics Research! 565 (2006)

22 CCD:n varauksensiirtoarkkitehtuurit Siirtoarkkitehtuuri Full Frame Interline Transfer Pikselikoko (huom! suuntaa antava) 6x6 m - 16x16 m 2,5x2,5 m - 5x5 m Täyttöaste 100 % % (mikrolinssien avulla noin 70 %) Varauksen keräyskapasiteetti Korkea Matala Tarve mekaaniselle sulkimelle Kyllä Ei Käyttöalue Ammattitason still-kamerat Kuluttajatason still- ja videokamerat Detektori Fotoportti Fotodiodi

23 CCD:n varauksensiirtoarkkitehtuurit Esimerkki SLR-kameralle: Täyden koon FF-kenno (24x36 mm) saatu yhdistämällä neljä piiosaa Esimerkki TV-kameralle: FT-kenno totetutettu niin että voidaan käyttää kuvasuhteita 4/3 tai 16/9 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research! 565 (2006)

24 Varauksen siirtomekanismi Varauksen siirto toteutetaan porttien (elektrodien) avulla. Portteihin kohdistetaan jännite, mikä aiheuttaa potentiaalikuopan portin alle kerätty varaus liikkuu potentiaalikuoppien mukaan Jaottelu porttien pulssituksen jaksoluvun mukaan: Nelivaiheinen (Four-Phase) jokaisessa pikselissä on neljä porttielektrodia, joista jokainen tarvitsee erillisen tahdistussignaalin varauksen siirtämiseksi Kolmivaiheinen (Three-Phase) edelliseen nähden kolmeen porttielektrodiin/pikseli perustuva kolmivaiheinen kellotus mahdollistaa spatiaalisen resoluution kasvun ja nopeammat kuvataajuudet Kaksivaiheinen (Pseudo Two-Phase) jokaisessa pikselissä on neljä porttielektrodia vierekkäisten porttien ollessa kytketty pareiksi. Pareissa erilaiset ominaisuudet (douppauksella aikaansaatu) siten, että tietty kellopulssi aikaansaa erilaisen potentiaalin porttien yli Lisäksi todellinen kaksivaiheinen sekä virtuaalinen siirtomekanismi

25 Nelivaiheinen varauksensiirto Jokaisessa pikselissä neljä porttielektrodia (P(1)...P(4)), joilla oma tahdistussignaali korkea jännite aikaansaa potentiaalikuopan ja alhainen jännite potentiaaliesteen elektronien liikkeelle Kaksi porttielektrodia muodostavat aina potentiaalikuopan ja kaksi potentiaaliesteen Elektronit liikkuvat alhaisen jännitteen alueelta korkean jännitteen alueelle CCD clocking schemes:

26 Kolmivaiheinen varauksensiirto Jokaisessa pikselissä kolme porttielektrodia (P(1)...P(3)), joilla oma tahdistussignaali Yksi porttielektrodi muodostaa aina potentiaalikuopan ja kaksi potentiaaliesteen CCD clocking schemes:

27 Kaksivaiheinen varauksensiirto Jokaisessa pikselissä neljä porttielektrodia (Pseudo Two-Phase) Kaksi porttielektrodia kytketty samaan tahdistussignaaliin Jännitetason porrastuksella varaukset saadaan siirtymään kahden elektrodin yli jaksoa kohti CCD clocking schemes:

28 Yksivaiheinen varauksensiirto Yksivaiheisessa tai virtuaalivaihe (Virtual Phase) varauksensiirrossa pikselissä ainoastaan yksi elektrodi sekä ohjauspulssi Sijaintikohtaisesti erilainen potentiaali yksittäisen elektrodin alla CCD Primer MTD/PS-0217, Kodak

29 Erikoistekniikoita: Pikselien summaus Varauksen siirron kellotusmekanismi, joka yhdistää usean pikselin varauksen muodostaen superpikseleitä Kasvattaa varauskapasiteettia; vaikutus dynaamiseen alueeseen: S max -S min Pienentää spatiaalista näytteenottotaajuutta CCD pixel binning:

30 Erikoistekniikoita: Elektronien ylivuodon esto Portit muodostavat potentiaaliesteen kerääntyvälle varaukselle, joka on kuitenkin matalammalla tasolla kuin pikselien väliset potentiaaliesteet Kun pikselin varauskapasiteetti ylittyy, ylimääräinen varaus valuu pikselin alusmateriaaliin, eikä viereisiin pikseleihin Estoporttien haittapuoli ovat syntyvät kustannukset sekä matalampi varauskapasiteetti CCD blooming:

31 Erikoistekniikoita: Elektroninen suljin Elektronisen sulkimen toteuttava portti ohjaa valotusajan ulkopuolella syntyvän varauksen pikselin alusmateriaaliin Electronic shutters:

32 Mikrolinssit IL-siirron sensoreissa sekä sensoreissa, joissa käytetään ylivuodon estoportteja on matala täyttöaste Mikrolinsseillä voidaan kasvattaa täyttöastetta Mikrolinssi ohjaa tulevan valon sensorin valoherkälle alueelle Microlens arrays: CCD Primer MTD/PS-0217, Kodak

33 Mikrolinssit Mikrolinssit lisäävät sekä vaikeuttavat valmistusprosesseja Mikrolinssien toiminnan yhtenäisyys koko sensorialueella voi tuottaa ongelmia Mikrolinssit eivät kasvata varauskapasiteettia vaan ainoastaan täyttöastetta Mikrolinssipikselin vaste riippuu voimakkaasti linssin aukkoluvusta sekä valon tulokulmasta (vaikutusta minimoidaan signaalin jälkikäsittelyllä)

34 Mikrolinssit

35 Taustavalaistu CCD

36 Varauksen siirto: CCD vs. CMOS CMOS-sensoreissa siirrettävä pikselikohtainen signaali (jännite) valitaan rivi- ja sarakeohjaimien avulla CCD-sensoreissa signaali (varaus) siirretään rivikohtaisesti sarjassa siirtorekisteriin

37 Aktiivi- ja passiivipikselisensorit Passiivipikselisensorit (jäämässä historiaan) Vahvistimet pikselirivien alla Pikselissä valintaporttina toimiva transistori Aktiivipikselisensorit (APS) CMOS-sensori luokitellaan aktiivipikselisensoriksi, jos vahvistimet on integroitu pikselitasolla Jokaisessa pikselissä tyypillisesti kolme transistoria (pikselin nollaus, valinta sekä vahvistus) Monimutkaisemmissa rakenteissa enemmän transistoreita (4T ja 5T) Lisätoiminnallisuus liittyy esim. kohinan vähentämiseen

38 CMOS passiivipikseli Passiivipikseli koostuu fotodiodista sekä valintatransistorista (ts. pikselin kytkimestä) Valintatransistori valitsee pikselin uloslukua varten Vahvistimia yksi saraketta kohden tai yksi koko sensoria kohti Passiivipikselillä suuri täyttöaste verrattuna aktiivipikseliin, mutta kohina on ongelma Kohina johtuu pikselin pienestä varauskapasiteetistä verrattuna siirtotiehen Rivivalitsin Theuwissen, A. CMOS Image Sensors: State-Of-The-Art and Future Perspectives. 37th European Solid State Device Research Conference, 2007, IEEE 2007, s

39 CMOS aktiivipikseli (3T) Aktiivipikseli sisältää pikselikohtaisen vahvistimen (vaimentaa siirtokohinaa) Vahvistin muuntaa varauksen vahvistetuksi jännitteeksi Lisäksi aktiivipikseli (3T) sisältää ainakin pikselin nollaus- ja valintatransistorit Kolmen transistorin aktiivipikseli eliminoi signaalin siirrosta aiheutuvaa kohinaa, mutta kohinaa aiheuttaa edelleen pikselin nollaukseen liittyvä ktc kohinakomponentti Nollaus Vahvistin Rivivalitsin Theuwissen, A. CMOS Image Sensors: State-Of-The-Art and Future Perspectives. 37th European Solid State Device Research Conference, 2007, IEEE 2007, s

40 CMOS aktiivipikseli (pinned photodiode) Pikselin nollaukseen liittyvää kohinaa eliminoidaan korreloidun kaksoisnäytteistyksen avulla (correlated double sampling) Pikselin rakenne muistuttaa perinteistä aktiivipikseliä, mutta sisältää lisäksi ylimääräisen fotodiodin sekä siirtoportin, puhutaan valoporttiratkaisusta. Toiminta kaksivaiheinen: Ensimmäisessä vaiheessa fotonit konvertoidaan varaukseksi fotodiodissa (valoportissa). Lisäksi pikselin ulostulo nollataan nollaustransistorilla ja ulostulon jännite mitataan Toisessa vaiheessa varaus siirretään ulostuloon aktivoimalla siirtoportti ja ulostulon jännite mitataan uudelleen. Lopuksi ulostulon ensimmäinen mitattu signaali vähennetään ulostulon toisesta mitatusta signaalista. Nollaus Siirtoportti Vahvistin Rivivalitsin Valoportti Sarakeväylä Theuwissen, A. CMOS Image Sensors: State-Of-The-Art and Future Perspectives. 37th European Solid State Device Research Conference, 2007, IEEE 2007, s

41 CMOS jaettu aktiivipikseli Pikselien monimutkaisuus kasvaa nopeasti toiminnallisuuden lisääntyessä Jaetun pikselin konseptilla monimutkaisuutta voidaan vähentää Esimerkiksi 2x2-pikselin rakenne voidaan toteuttaa jakamalla transistoreja sekä uloslukuja pikselien kesken Tuloksena on pikselikohtaisesti 1,75 transisoria ja 2 liitosta (vrt. perinteinen ratkaisu: 4 transistoria ja 5 liitosta) Vahvistin Nollaus Rivivalitsin Theuwissen, A. CMOS Image Sensors: State-Of-The-Art and Future Perspectives. 37th European Solid State Device Research Conference, 2007, IEEE 2007, s

42 Analogi-digitaali-muunnin (analog-to-digital converter, ADC) ADC muuntaa analogisen input-signaalin Vin digitaaliseksi arvoksi CMOS-sensori voi sisältää ADC:n rivikohtaisesti tai jopa pikselikohtaisesti ADC vertaa Vin-signaalia analogiseen ramppisignaaliin Vramp, jonka digitaalilaskuri tuottaa Kun signaalit ovat yhtä suuret, niin indikaattorin tila muuttuu ja Vramp-signaalin digitaalinen vertailuarvo talletetaan muistiin Theuwissen, A. CMOS Image Sensors: State-Of-The-Art and Future Perspectives. 37th European Solid State Device Research Conference, 2007, IEEE 2007, s

43 Varauksen siirto: CCD vs. CMOS CCD- ja CMOS-sensoreilla omat vahvuudet ja heikkoudet CCD-pikseleissä suuri valonherkän alueen osuus (täyttöaste), koska ylimääräisten osien tarve minimaalista varauskapasiteetti samalla pikselikoolla suurempi (CMOS-pikseli sisältää yleensä 3-5 transistoria (APS)) CCD-sensorien varauksensiirto on passiivista eikä aiheuta pikselistä pikseliin vaihtelevaa kohinaa CCD-sensorien varauksenluku on sarjallista, jonka seurauksena lukunopeus on rajoittunutta ja vaatii paljon energiaa CMOS-sensorin pikselikohtainen luku voi olla erittäin nopeaa sekä mahdollistaa tiettyjen pikselien tai pikselialueiden luennan

44 3T CMOS pikselirakenne Mikrolinssi Värisuodin Transistorit Fotodiodi Täyttöaste ~ 30% Pikselikohtaisista transistoreista johtuen syntyy kiinteäkuvioista kohinaa (fixed pattern noise) Lukuprosessi: Pikselin nollaus (nollaustransistori) Varauksen keräys Uloslukusarakkeen valinta (saraketransistori) Varauksen vahvistus ja muunto jännitteeksi (vahvistintransistori) Ulosluku

45 CMOS vs. CCD Ominaisuus CCD CMOS Fotoni-elektroni-konversio pikselissä pikselissä varauksen muuntaminen jännitteeksi kennossa pikselissä vahvistus piirilevyllä Pikselissä A/D-muunnos piirilevyllä kennossa kennosta tuleva signaali analoginen digitaalinen piirilevyltä tuleva signaali digitaalinen digitaalinen kennon kompleksisuus matalampi korkeampi piirilevyn kompleksisuus korkeampi matalampi täyttöaste korkeampi matalampi Jännitetarve monijännite yksi virran kulutus korkeampi matalampi yksittäisen pikselin osoitus ei kyllä

46 CCD ja CMOS käyttö CMOS-sensoreiden osuus digitaalisten kuvasensorien volyymistä kasvava CCD:n valta-asema jatkuu etenkin video- (camcorders) ja kompaktikameroissa Järjestelmäkameroissa (sekä harrastaja- että ammattitason) esimerkiksi Canon käyttää CMOS-sensoria CMOS:in voimakkaan kasvun alueena mobiilit kamerat ja uutena sovellusalueena high-speed kuvaus (>500 fps) CCD-valmistajia: Sony, Sharp ja Matsushita CMOS-valmistajia: Agilent, Canon, Kodak, OmniVision, Photobit ja ST Microelectronics $1,500 $1,000 CMOS image Sensor Market Growth Toys Machine Vision Security/Biometrics Optical Mice Video Cameras Other PC Cameras Mobile Phones Digital Still Cameras CMOS CCD $ % 10 $ Vs. CCD Market Growth

47 Pikselit (Fuji): konventionaalinen vs. mehiläiskenno Konventionaalinen CCD:n pikselirakenne Mehiläiskennorakenne (Fuji) Mehiläiskennorakenne kaksinkertaistaa tuotetun kuvan resoluution, vaikka pikselimäärä ei kasva

48 Pikselit (Fuji): Super CCD SR (julkistus 2003) Fuji Super CCD SR sensoreissa yksittäinen pikseli rakentuu kahdesta alueesta, joiden valoherkkyys eroaa

49 Pikselit (Fuji): Super CCD SR (julkistus 2003) S-pikselit: korkea valoherkkyys (tuottaa informaation kohteen tummista kohdista) R-pikselit: matala valoherkkyys (tuottaa informaation kohteen kirkkaista kohdista) Analogiaa filmikameroiden eri muotoisille ja kokoisille valoherkille hopeahalidikiteille

50 Pikselit (Fuji): Super CCD SR (julkistus 2008) Conventional Super CCD color filter array layout Super CCD EXR color filter array layout Fuji FinePix F70EXR Super CCD EXR sensori sisältää ominaisuudet: korkea resoluutio, laaja dynamiikka, korkea herkkyys / matala kohina Korkea resoluutio hyödyntää sensorin kaikki pikselit (12 Mpix) Korkea herkkyys / matala kohina toteutetaan pikselien summauksella (6 Mpix). EXR värifiltterirakenne mahdollistaa spatiaalisesti tarkemman summatun värikuvan verrattuna perinteiseen värifillterirakenteeseen.

51 Pikselit (Fuji): Super CCD SR (julkistus 2008) teksti

52 Pikselit: fyysisen koon merkitys Mitä suurempia pikselit ovat sitä parempi herkkyys koska valoa kerätään suuremmalla pinnalla Vastaavasti varauskapasiteetti korkeampi Suuret pikselit vievät enemmän tilaa vaihtoehdot: pienempi kokonaispikselimäärä tai suurempi sensori Samalla teknologiatasolla pienten pikseleiden synnyttämä kohina on suhteessa (signaalitasoon) voimakkaampaa

53 Pikselit: fyysisen koon merkitys Fotonikohina (photon shot noise) Liittyy kuvasensorille tulevan valon fotonien lukumäärän satunnaisuuteen Kohinatasoa σph voidaan mallintaa Poissonin jakauman avulla, jonka perusteella (kun ph on keskimääräinen fotonien lukumäärä) ph ph Oletetaan että ph fotonia tuottaa e elektronia ja sovelletaan samaa yhteyttä Voidaan laskea ideaalisen kameran signaalikohinasuhde, joka vastaa signaaliarvon neliöjuurta! S N MAX e e e e e Maksimaalinen signaaliarvo riippuu pikselin varauskapasiteetistä, joka taas on riippuvainen pikselin fyysisestä koosta

54 ADC-muuntimeen liittyvä kvantisointikohina ja kvantisointitasojen optimointi ADC tuottaa signaalin kvantisointiin liittyvän kohinakomponentin, σadc Kun vertaa σadc ja fotonikohinaa, niin havaitaan että fotonikohinan takia kohinan pohjataso kasvaa, kun signaali kasvaa Tämän seurauksena voidaan käyttää suurempia kvantisointitasoja, kun signaali on suurempi, eikä sillä ole vaikutusta syntyvään kohinatasoon. Theuwissen, A. CMOS Image Sensors: State-Of-The-Art and Future Perspectives. 37th European Solid State Device Research Conference, 2007, IEEE 2007, s

55 Pikselimäärä, pikselikoko pikselimäärä, Mpix 15 Canon EOS-1Ds Mark III 10 5 Canon Powershot SD890 IS kuluttajakamerat Canon EOS 40D Canon EOS-1D Mark III ammattikamerat pikselikoko m Spot RT-SE6 (laboratoriokamera)