Digikameroiden kennotyyppien eroja

Halvempien järjestelmädigien tullessa markkinoille on esitetty toiveita järjestelmädigistä, jossa voisi tähdätä LCD-näytön kautta. Nykyisissä vaihdettavalla optiikalla varustetuissa järjestelmäkameroissa voi käyttää vain optista etsintä tähtäämiseen. Ensimmäisenä syynä näyttäisi olevan se, että optisen tähtäimen käyttämä peili on kennon edessä ja tämä estäisi liikkuvan videokuvan ottamisen. Syynä on kuitenkin myös digikameroiden kennotyyppien erot. Koetan käydä tässä näitä eroja hiukan läpi.

Tämä artikkeli vaatisi kuvia - jonkin verran havaintoesityksiä löytyy lopussa mainituista lähteistä. En ole alan asiantuntija, vaan olen pyrkinyt vain etsimään tietoa eri lähteistä. Otan mielläni vastaan kommentteja seuraavassa esitetyistä asioista.

Digikameroiden kennot voidaan jakaa tuotantotekniikan perusteella CCD (Charge-Coupled Device) ja CMOS (Complementary Metal-Oxide-Silicon) tyyppeihin. Toinen jako voidaan tehdä kennon elektroniikan perusteella ns. Interline Transfer ja Full Frame -kennoihin (Full Frame:lla ei tässä tarkoiteta kinofilmin kokoista kennoa). Kolmas merkittävä seikka on kennon vahvistimet ja niiden tuottama kohina.

Erikoistapauksia ovat Foveonin kolmikerroskenno, Fujin kahden anturin pikseli ja lisäksi Canonin ja Nikonin uudet CMOS-kennot, jotka sisältävät uudenlaisia teknisiä ratkaisuja.

CCD ja CMOS

Pohjimmiltaan CCD ja CMOS -tekniikat ovat samantyyppisiä. Valon määrää mitataan valoherkällä pinnalla (photodiodilla) ja se talletetaan varaukseksi. Varaukset voidaan lukea pikseli pikseliltä ja muuttaa numeeriseksi arvoksi. Yksi perusero näissä piireissä on tietenkin käytetty puolijohdetekniikka, mutta merkitsevät erot tulevat enemmänkin piirien tuotannon nykytilasta.

CCD on kehitetty jo 60-luvulla, alunperin muistivälineeksi (valoherkkiä pintoja ei ollut). Videokuvauksen myötä CCD-kennoja alettiin tuottaa korvaamaan videoputket. CCD:n perusidea on, että yksittäisessä pikselissä oleva varaus voidaan komentaa siirtymään rivillä seuraavaan pikseliin. Tätä käytetään hyväksi siirrettäessä kuvaa kennosta. Koko kennoa käsketään siirtämään informaationsa rivillä viereiseen pikseliin. Laitimmaisesta sarakkeesta varaukset otetaan pitkään rekisteriin, joka 'pudottaa' niitä alapäästään ulos kennosta. Arvot vahvistetaan ja siirretään ulkoiseen A/D-muuntimeen, joka luo näistä numeroarvot. Koko kennon kuvan siirtäminen vie n. 1/3 sekuntia nykyisillä 3-5 Mpikselin kennoilla.

CMOS-kenno voidaan rakentaa toimimaan täysin samanlailla kuin CCD-kennokin. Erona on se, että nykyään vain CCD-kennoja tehdään tällä puolijohdetekniikalla. CMOS-tekniikkaa käytetään taas kaikissa yleiskäyttöisissä piireissä, kuten mikroprosessoreissa ja muisteissa. Toiminta luodaan rakentamalla piirille 'komponentteja', jotka toteuttavat halutut toiminnot. Koska samalle piirille (varsinaisen kennon ulkopuolelle) voidaan rakentaa myös vahvistimet, A/D-muuntimet ja muut ohjauspiirit, CMOS kuluttaa kokonaisuutena vähemmän virtaa kuin CCD. Hyvinkin monimutkaisia toimintoja voidaan rakentaa myös suoraan kennon pikseleihin. CMOS-tekniikkaa kehitetään edelleen pienemmäksi ja piirien tuottajia on paljon. Sen sijaan kameroiden CCD:stä suuri osa tulee muutamasta Sony:n tehtaasta.

Interline ja Full Frame -kennot

Sekä CCD- että CMOS-kennojen toiminnot rakennetaan piirin pintaan. Jos kennolle halutaan lisätoiminnallisuutta, niin se vie tilaa valoherkältä pinnalta. Jos halutaan enemmän valoherkkää pintaa, niin toimintojen täytyy olla yksinkertaisia. Puhutaan ns. täyttöasteesta, jolla tarkotetaan valoa keräävän pinnan osuutta koko kennon pinta-alasta.

Ainoa välttämätön toiminto CCD:ssä valotiedon keräämisen lisäksi on kuvan saaminen kennolta pois. Jos pyritään maksimoimaan valoherkkä alue, niin puhutaan ns. full frame -kennoista. Näissä täyttöaste on parhaimmillaan n. 70 %.

Full frame -kennoissa varaus pidetään tallessa ja siirrellään valoakeräävässä osassa. Tämä aiheuttaa sen, että valotusaika on tehtävä ulkoisella sulkimella, sillä kuva ei onnistu, jos valoa päästetään kennolle, kun kuvaa luetaan pois. Suljin voidaan tehdä kennolle, lisäämällä pikseliin ylimääräinen 'rekisteri', johon varaus siirretään heti kun valotusaika loppuu. Tämän jälkeen valoherkän alueen muutokset eivät enää vaikuta kuvaan ja näitä ylimääräisiä rekistereitä voidaan käyttää kuvan siirtämiseen pois kennolta.

CCD-tekniikassa varauksen tallettava rekisteri tehtiin yksinkertaisesti peittämällä joka toinen photodiodirivi. Kuvan oton lopuksi valotustieto siirretään turvaan peitettyyn diodiin. Interline -nimi tulee tästä rakenteesta. CMOS:lla tieto voidaan tallettaa pikselin komponenteilla.

Toinen toiminto, missä full frame kennossa on säästetty, on jatkuvan videokuvan tuotto. Kuten yllä mainittiin, 3-5 megapikselin kennosta saadaan yksi kuva ulos n. 1/3 sekunnissa. Tämä nopeus ei riitä tähtäykseen tarvittavan LCD-kuvan tuottamiseen. Kuvien tuottamisen nopeutta voidaan lisätä ottamalla vain osa pikseleistä käyttöön. Esimerkiksi siirretäänkin kennolta vain joka neljäs pikseli vaaka- ja pystysuunnassa. Tällöin saadaan aikaan esim. 30 kuvaa sekunnissa, joka riittääkin jo LCD:n päivittämiseen. Tälläisen rajoitetun kuvan siirtoon tarvitaan omat 'johtonsa' ja pintaa joudutaan jälleen käyttämään lisää. Videokuvan muodostamiseen vaaditaan käytännössä myös ylläkuvattu elektroninen suljin.

Kolmas lisätoiminto on pikseleiden resetointi. Videokamerakäytössä riittää pelkästään jatkuvan kuvan otto. Esimerkiksi annetaan kennon kerätä 1/25 sekunnin ajan valoa ja siirretään tämä tieto ylimääräiseen rekisteriin. Nyt valoherkkä osa voi alkaa kerätä seuraavaa kuvaa, kun taas rekistereillä siirretään edellinen kuva pois. Toimintaan tarvitaan vain 1/25 sekunnin välein kellottuva kenno. Valokuvauskäytössä kennoa halutaan alkaa valottaa, kun kuvaaja painaa laukaisinta. Eli kennon pikseleiden keräämä 'valonmäärä' on nollattava erillisellä toiminnolla ja sitten aloitettava kuvan otto. Nollauksenkin toteuttamiseen tarvitaan lisää kytkentöjä, tosin resetointi alkaa olla kaikissa valokuvaukseen käytetyissä kennoissa.

Lisätoiminnot kuluttavat kennon pintaa ja niinpä pokkarikameroissa käytetyillä CCD-kennoilla täyttöaste on n. 30% luokkaa. Kennot ovat tästä syystä vähemmän herkkiä ja kohina/vaste -suhde on suurempi (eli suuremmilla ISO-herkkyyksillä tulee kuvaan enemmän kohinaa). Digijärjestelmäkameroiden kennot ovat full frame -tyyppiä, eivätkä siten pysty tarjoamaan LCD:stä tähtäämistä ja vaativat ulkoisen sulkimen. Toisaalta kennoista saadaan herkempiä.

CMOS-kennoissa komponentit vievät tilaa valoherkältä osalta, eikä täyttöastetta saada kovin isoksi millään tavalla. Asiaa onkin alettu ratkaista toiselta suunnalta käyttämällä ns. mikrolinssejä. Kunkin pikselin eteen rakennetaan linssi, joka kerää valoa pienemmälle alalle. Linssien täyttämä alue onkin sitten huomattavan suuri. Tekniikka on hankalaa, koska linssimatriisin täytyy kohdistua erittäin tarkkaan oikeisiin kennon kohtiin. Lisäksi mikrolinssi syö jonkin verran tulevaa valoa ja on herkkä sille, mistä suunnasta valo tulee. Kennon reuna-alueilla kuvaan tulee vähemmän valoa, mikäli optiikan polttopiste on kennon lähellä.

Vahvistimien kohina

Kennon valoherkän osan tieto pitää vahvistaa, ennen kuin se voidaan muuttaa numeroarvoksi ns. A/D-muuntimella. Elektroninen vahvistin kohisee, toisin sanoen sen tuottama lähtöarvo hieman vaihtelee satunnaisesti. Esimerkiksi, jos vahvistin saa signaalikseen 32 millivolttia ja sen pitäisi vahvistaa se 100-kertaiseksi eli tuottaa 3.2 V, niin tuotto voi ollakin satunnaisesti heilahdellen 3.19 V tai 3.22 V.

CCD-kennon valoherkän anturin tuottama varaus on siirrettävissä sellaisenaan kennon reunalle. Kennon tuottaessa pikseliarvoja riveittäin ja sarakkeittain yksi kerrallaan, tarvitaan kennossa vain yksi vahvistin, joka vahvistaa kaikki pikseliarvot. Jos tämä vahvistin on hyvä, se kohisee vähän ja näin CCD-kennosta voidaan tehdä kohtuullisen vähäkohinainen. Siirrossa kennon reunalle voi kuitenkin syntyä jonkinasteista kohinaa ja valoherkissä osissa on eroja.

CMOS-kennossa valoherkän anturin signaali ei ole kovin voimakas. Signaali vahvistetaankin jo pikselin tasolla. Vahvistimista on tehtävä pieniä, jotta ne eivät vie paljon kennon pintaa. Tälläisten vahvistimien kohinaa on vaikea hallita. Kohinaa voidaan poistaa ohjelmallisesti kameran omassa kuvankäsittelyssä.

Toinen ongelma on, että vahvistimista ja pikseleistä on vaikea tehdä täysin samanlaisia. Viereinen pikseli voikin antaa hiukan erilaista arvoa samalla valomäärällä. Puhutaan ns. staattisesta kohinasta, jossa täysin samanlaisella valolla valaistu kenno antaa erilaisia arvoja eri kohdissaan. Staattinen kohina on helppo poistaa ottamalla kuva pimeästä ja vähentämällä siitä saadut arvot varsinaisesta kuvista. Tämä tehdään useimmissa pokkareissa ottamalla varsinaisen kuvanoton jälkeen toinen kuva suljin kiinni. Kuvan luominen vie siis kaksinkertaisen ajan annettuun valotusaikaan nähden.

Canon kehitti omiin CMOS-kennoihinsa tekniikan, jossa (ilmeisesti) pikselissä on 'pimeässä kohdassa' valoherkkä alue, jonka arvo vahvistetaan myös pikselin vahvistimella ja vähennetään varsinaisesta kuvatusta arvosta. Näin normaali valotusaika riittää ja samalla saadaan myös valoherkässä pinnassa olevat erot huomioitua vahvistimen eron lisäksi.

Erikoistapaukset

Foveon julkaisi vuoden 2002 alussa uudenlaisen tekniikan kamerakennoon. Sinänsä tekniikka perustui CMOS-teknologiaan. Aiemmin kennossa oli ollut eri värialueita (punaisia, sinisiä, vihreitä) aistivia pikseleitä vierekkäin. Näistä alueista sitten interpoloitiin (laskettiin ikään kuin yhteen vierkkäisiä pikseleitä) varsinainen väri kullekin pikselille. Foveon kehitti kennon, jossa eri värejä aistivat kerrokset olivat päällekkäin ja pikselin väri saadaan suoraan samasta pisteestä. Tekniikka on tuoretta ja toistaiseksi ainakin kohinan kanssa on ollut ongelmia. Sinänsä tämä tekniikka ei liity siihen, voiko kennosta saada videokuvaa tai ei.

Fujilla on ns. SR SuperCCD, jossa kussakin pikselissä on kaksi anturia, toinen herkempi kuin toinen. Ideana on laajentaa kennon dynamiikkaa käyttämällä sen anturin mittausta, jonka mittausalue ei ole vielä ylitetty. Tekniikka on lupaavaa ja ensimmäiset tuotannossa olevat kamerat näyttävä antavan laajemman dynamiikan. Kennosta saadaan videokuvaa.

Canon tuottaa poikkeuksellisesti itse omat CMOS-kennonsa. He ovat kehittäneet huomattavasti kennon tekniikkaa, mm yllä mainitun staattisen kohinan poiston. Canonin mukaan uusimmissa kennoissa on A/D-muunnin siirretty jokaiseen pikseliin. A/D-muunnin on tähän asti vaatinut varsin suuren määrän komponentteja, eikä sitä ole uskottu voitavan rakentaa jokaiseen pikseliin erikseen. Mikäli tässä on onnistuttu, on tämä varsin suuri parannus, koska nyt kuvadata olisi numeerista heti pikselistä lähdettyään, eikä siihen enää vaikuttaisi analogiset kohinat tms. Lisäksi dataa voitaisiin siirtää huomattavan nopeasti kennosta ulos. Canon ei ole julkistanut tekniikan yksityiskohtia.

Nikon on uusimman D2H -kameransa yhteydessä puhunut LBCAST-kennonsa '2-kanavaisesta' kuvansiirrosta. Tätäkään ei ole kovin tarkkaan kuvattu, mutta ilmeisesti kyseessä on se, että kennosta ei tulekaan yksi pikseli kerrallaan ulos, vaan kennossa olisi kaksi rinnakkaista siirtoketjua ja kuvaa saataisiin kaksinkertaisella nopeudella ulos kennosta. Kennossa on myös uutta JFET-tekniikkaa CMOS:n MOSFET:ien sijaan.

LCD-etsimellä varustettu digijärjestelmäkamera

Mikrolinssien avulla voitaisiin saada aikaan CMOS Full Frame -kenno, joka osaisi siirtää videokuvaa kameran LCD:lle ja jossa olisi sähköinen suljintoiminnallisuus. Tämä olisi nykytekniikalla rakennettavissa, hintaa on vaikea arvioida. Ongelmat tulevatkin ehkä enemmän kameran muusta rakenteesta.

Tällä hetkellä LCD:n tarkkuus ei riitä kuvan tarkentamiseen ja LCD on aina hiukan jäljessä todelliseen näkymään nähden. Linssin läpi tähtäävä optinen tähtäin olisi luultavasti edelleen useimpien aktiiviharrastajien ja ammattilaisten vaatimuksena.

Toinen ongelma on etäisyyden- ja valotuksenmittaus, joka saadaan huomattavasti nopeammaksi, jos se tehdään erillisillä komponenteilla eikä kennon avulla (kuten nykyään digipokkareissa). Näidenkin vaatima kuvainformaatio tulee ottaa kennon edestä. Tällä hetkellä näille antureille viedään yleisimmin kuvaa siten, että tähtäinpeili läpäisee osittain valoa ja tähtäinpeilin takana on toinen peili, joka kääntää valon alaspäin kohti kameran pohjalla olevia antureita.

Näyttäisikin siltä, että tarvittaisiin puoliläpäisevä peili tai prisma kennon edessä, josta otettaisiin informaatio tähtämeen ja mitta-antureihin. Jos peili olisi kiinteästi paikallaan, niin joko kenno tai optinen tähtäin saisi selkeästi vähemmän valoisan kuvan. Jos peili nostettaisiin pois kuvauksen tai LCD:ltä tähtäämisen aikana, niin tämä hidastaisi kameraa, eikä valotuksen tai etäisyyden mittaus toimisi erillisillä antureilla. Niin tai näin, teknisiä ongelmia olisi. Ehkäpä tulevaisuudessa tarjotaan erilaisia ratkaisuja niitä haluaville.

Viitteitä

Seuraavat viitteet ovat kaikki englanninkielisiä.

10.9.2003