Sony Semiconductor Solutions hat vor Kurzem einen neuen Global Shutter Sensor mit einer einzigartigen neuen Pixelstruktur auf den Markt gebracht, die auf Basis der Pregius S™ Technologie entwickelt wurde. Bevor wir uns den besonderen Eigenschaften dieses Sensors widmen, schauen wir uns zunächst an, was es mit der Pregius S™ Technologie auf sich hat, da sie die Grundlage für die außerordentlich gute Performance dieses Sensors bildet.
Mit Pregius S™ fließt in diesen fantastischen, äußerst rauscharmen CMOS-Sensor Sonys jahrzehntelange Erfahrung in der Herstellung hochwertiger CCD-basierter Sensoren ein. Der neue Global Shutter Sensor eignet sich optimal für den Einsatz in Hochgeschwindigkeits- und Präzisionsanwendungen und kann beispielsweise die Automatisierung von Montagelinien, die Verkehrsüberwachung oder die Sportanalyse erleichtern. Es handelt sich um einen Back Side Illuminated (BSI) Sensor, der Chip wurde sozusagen umgedreht, um das Pixel-Array näher an das einfallende Licht zu bringen, wodurch eine rückseitig beleuchtete Pixelstruktur entstanden ist. Dies ermöglicht es, die Pixelgrößen zu verkleinern und höhere Bildraten zu erzielen. Für ein noch kompakteres Resultat wurde die Fotodiode in den Bereich über der Pixel- und Signalverarbeitungsschaltung verlegt. Das neue Design ermöglicht damit größere Pixel-Arrays in einem kleineren optischen Format. Durch all diese Faktoren wurde eine Global Shutter Sensorserie geschaffen, die Kameraherstellern und -anwendern hochwertige, rauscharme und außerordentlich schnelle Aufnahmen in höchster Auflösung bei zugleich geringeren Kosten beschert.
Dieser Bildsensor nutzt seine tiefere Pixelarchitektur zur Erzielung eines höheren Sättigungsgrads mit einer Full-well-Kapazität von ca. 10 ke und bietet eine verbesserte Empfindlichkeit im nahen Infrarotbereich durch eine Fotodiodenfläche mit größerer Dicke. In Verbindung mit der neuen Pixelarchitektur ergeben sich für Kameras, die diesen Sensor verwenden, erhebliche Verbesserungen hinsichtlich der Quantenausbeute und der parasitären Lichtempfindlichkeit.
Die verbesserte Winkelempfindlichkeit sorgt für mehr Flexibilität bei der Objektivwahl oder erlaubt größere Objektivöffnungen, um den Lichteinfall auf dem Sensor noch einmal deutlich zu erhöhen. Wird zum Beispiel das Objektiv um eine Blende verkleinert, verdoppelt sich der Lichteinfall in die Kamera, so dass die Belichtungszeit halbiert werden kann, was zu einer Verdoppelung der Bildrate (FPS) führt. Alternativ kann eine wesentlich bessere Leistung bei schwachen Lichtverhältnissen erzielt werden, ohne dass eine längere Belichtungszeit gewählt werden muss.
IMX900-Sensor: leistungsstark in der Fabrikautomation, in AGVs und in Highspeed-Anwendungen
Der IMX900-Sensor wurde speziell für den Einsatz in der Fabrikautomation, in fahrerlosen Transportfahrzeugen (AGVs) und autonomen mobilen Robotern (AMRs) und für Barcode-Lesegeräte entwickelt. Der kompakte 1/3,1-Typ-Sensor mit 3,2 Megapixeln ist als Monochrom- oder Farbsensor erhältlich und mit seiner 1/3“ Sensordiagonale mit C/CS- und S-Mount-Objektiven kompatibel. Der Sensor unterstützt Frameraten von bis zu 120 fps und bietet eine höhere Auflösung und eine doppelt so hohe Bildrate wie die Vorgänger-Generation IMX296. Dadurch ist ein kompaktes Kameradesign möglich, das sich ideal für Handheld-Applikationen eignet. Der Sensor bietet außerdem eine Reihe zusätzlicher Funktionen, die den Aufwand für die Bildbearbeitung in der Postproduktion verringern.
- Die On-Chip-Funktion „Fast Auto Exposure“ ermöglicht es dem Sensor, mit einer sehr schnellen Framerate die Berechnung der Bildintensität zu beschleunigen, so dass präzise Belichtungswerte eingestellt werden können, um die gewünschte Bildintensität zu erhalten. Durch Subsampling der Auflösung um 1/10 werden in diesem Modus die Bilder 10x schneller aufgenommen. Die Analyse der Lichtintensität erfolgt dabei auf dem Sensor. Sobald ein finaler Belichtungswert erreicht ist, kehrt der Sensor in den Full-Frame-Modus zurück, um die endgültigen Bilder aufzunehmen. Diese Funktion verkürzt die Zeit, die benötigt wird, um die Gesamtintensität des Bildes zu bestimmen und die Belichtungsanpassungen abzuschließen, um letztendlich gut ausgeleuchtete Bilder zu erhalten. Da die automatische Belichtung auf dem Sensor erfolgt, ist die Host-Plattform nicht in die komplexe Berechnung involviert, so dass die gesamte verfügbare Rechenkapazität für die Bildverarbeitung genutzt werden kann. Die Funktion kann on demand oder im „Free Run“ aktiviert werden. So kann etwa eine Kamera an einem fahrerlosen Transportfahrzeug (AGV = Automated Guided Vehicle) ihre Belichtung rasch an wechselndes Umgebungslicht anpassen.
- Die Funktion Quad Shutter Control ermöglicht die individuelle Einstellung des Belichtungsbeginns und der Belichtungszeit für jedes Quad-Pixel einer 2×2-Einheit innerhalb der Aufnahmezeit jedes Frames. Dadurch können bei monochromen Sensoren entweder 4 Bilder mit jeweils unterschiedlichen Belichtungszeiten aufgenommen werden, bei Farbsensoren können die Belichtungszeiten der Rot- , Grün- oder Blaupixel individuell gewählt werden um z.B. einen Weißabgleich vornehmen zu können. Interessant ist die Nutzung der Quad Shutter Funktion etwa bei Ultra-Highspeed-Aufnahmen, welche die Aufnahme von 4 Bildern mit bis zu 100.000 BpS ermöglichen.
- Die Funktion Quad HDR nutzt den Quad-Shutter-Modus, um individuelle Belichtungszeiten für die Pixel innerhalb der 2×2-Einheiten einzustellen und so bis zu 4 verschiedene Intensitäten für die aufgenommenen Bilder zu liefern. Applikationen können diese Werte anschließend prüfen und neue Werte interpolieren, um bei schwierigen Lichtverhältnissen Bilder mit hohem Dynamikbereich (HDR) zu erzeugen. Für diese Pixel können kurze und lange Belichtungszeiten eingestellt werden, um die Extraktion von Informationen sowohl in den dunklen als auch in den hellen Bereichen einer einzigen Aufnahme zu ermöglichen, ohne dass es zu Bewegungsartefakten kommt – ein Problem, dass bei anderen Multi-Image basierten HDR-Algorithmen häufig auftritt. Dies verbessert nicht nur die Bildleistung, sondern beschleunigt auch die Bildaufnahme, da nur ein Bild zur Berechnung des resultierenden HDR-Bildes benötigt wird.
IMX900-Pixelarchitektur
Es ist unschwer zu erkennen, dass die neuartige Pixelarchitektur des IMX900 den Aufbau von Bildsensoren revolutionieren, ganz neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnen und bestehende Implementierungen drastisch verbessern wird. Man darf davon ausgehen, dass es künftig weitere Sensorreihen auf Basis dieser Technologie mit noch höheren Auflösungen geben wird, wodurch noch größere Bildgrößen in Verbindung mit kleineren, konventionellen Objektiven und Mikrolinsen möglich sein werden. Dies wird zu einer Miniaturisierung im Kameradesign sowie einer weiteren Kostenreduktion führen. Folglich ist ein noch gezielterer Einsatz in Klein- und IoT-Applikationen mit geringem Gewicht sowie Drohnenanwendungen und Embedded Systemen möglich, in denen sehr schnelle, hochauflösende Aufnahmen gefordert sind.
