Einführung
Global Shutter Sensoren ermöglichen eine schnelle und hochauflösende Erfassung des gesamten Sichtfeldes. Alle Pixel werden gleichzeitig zur gleichen Zeit und Länge belichtet. Das ermöglicht es, in den aufgenommenen Bildern Bewegungen einzufrieren. Jeder Pixel hat die gleiche Integrationszeit, und alle Pixel des Sensors beginnen zur gleichen Zeit mit der Signalverarbeitung. Durch diese Art der Aufnahme ist es einfacher, einen Global Shutter Sensor mit einem Blitz oder mit externen Ereignissen zu synchronisieren.
Ganz anders sind die Rolling Shutter Sensoren: Sie belichten nacheinander einzelne Pixelreihen. Jede Pixelreihe hat die gleiche Belichtungszeit, jedoch beginnt die Belichtung der ersten Reihe vor der letzten Reihe des aufgenommenen Bildes. Deshalb sind diese Sensoren anfällig für Bewegungsartefakte während der Aufnahme von sich bewegenden Objekten. Deswegen sind sie oft kostengünstiger und vorteilhafter für Anwendungen mit langsamen Bewegungen, oder wenn Abläufe vorübergehend gestoppt sind.
- Sensorauflösung (Höhe und Breite)
- Pixelgröße
- Geschwindigkeit
- Bildrate
- Chromatik (farbig oder monochrom)
Bei anspruchsvolleren Anwendungen sind noch weitere Punkte wichtig:
- Sensorrauschpegel
- Dynamikbereich (wie HDR)
- Quanteneffizienz
- Empfindlichkeit
- Triggeroptionen
- Wellenlängenspektrum (sichtbares Licht, Nahinfrarot, Infrarot)
Bei der Entwicklung eines Systems zur optimalen Bildaufnahme und -analyse ist die Bewertung dieser Kriterien und Eigenschaften von großer Bedeutung.
Global Shutter Pixel-Architekturen
Frontseitig belichtete (Front Side Illuminated, FSI) Global Shutter Sensoren
Global Shutter Sensoren mit Frontbeleuchtung (FSI) enthalten ein Siliziumsubstrat mit einer Verdrahtungsschicht zum Aufbau der Fotodiode. Diese Struktur fungiert als Schutzschild gegen Streulicht und verhindert, dass dieses die temporär gespeicherte Signalladung im Speicherbereich beeinflusst. Die FSI-Sensorstruktur hat zwei wesentliche Vorteile für Global Shutter Sensoren:
- Signalübertragung: Effiziente Signalübertragung durch den Sensor für eine akkurate Bildaufnahme.
- Abschirmung des Speichers: Verhindert, dass Streulicht den Speicher beeinflusst, und hilft den Global Shutter Sensoren, eine gleichmäßige Belichtung zu gewährleisten.
Aus diesen Gründen haben konventionelle CMOS-Bildsensoren häufig eine FSI-Pixelstruktur. Allerdings kann die Verdrahtung oberhalb der Fotodiode den Lichteinfall behindern, was beim Versuch, die Pixel zu miniaturisieren, eine Herausforderung darstellt.
Rückseitig belichtete (Back Side Illuminated, BSI) Global Shutter Sensoren
- Verbesserte Lichtaufnahme: Durch die Positionierung des Schaltkreises unterhalb des Pixelbereichs kann mehr Licht den Sensor erreichen. Dies führt zu einer höheren Empfindlichkeit und weniger Rauschen.
- Kompakte Größe: Diese Anordnung führt zu kleineren, kompakteren Sensoren, die mit kleineren optischen Formaten kompatibel sind und höhere Auflösungen bieten.
- Reduziertes Rauschen: Durch Trennung des Pixel- und Schaltungsabschnitts wird das durch ihre Nähe verursachte Rauschen minimiert.
Dank dieser Architektur erreichen Global Shutter Sensoren eine hohe Auflösung, eine präzise Bildgebung und eine zuverlässige Leistung in verschiedensten Anwendungen, die eine schnelle und hochwertige Bildaufnahme erfordern.
Zu den weiteren Vorteilen dieser Struktur gehören ein geringeres Übersprechen zwischen Pixeln, verbesserte Reaktionszeiten und eine genauere Farbwiedergabe. Photonen treffen im Sensor schnell auf den Pixelbereich, um sicherzustellen, dass sie erfasst und korrekt erkannt werden. Weiterhin sind der Füllfaktor der Pixel und das Verhältnis von lichtempfindlicher Fläche zur gesamten Pixelfläche viel größer. Damit verringern sich die Anforderungen an das Design der Mikrolinsen des Pixels (kaum Lichtbrechung bis zum Pixel), der Einfallswinkel des Hauptstrahls (Chief Ray Angle) wird verbessert und die Bayer-Filtermatrix kann näher an den Pixeln platziert werden. All diese Faktoren verbessern die Bildleistung des Sensors.
Sony Pregius® Global Shutter Bildsensoren
Pregius ist eine Global Shutter CMOS-Pixeltechnologie, die auf der rauscharmen CCD-Struktur von Sony basiert und auch bei schwierigen Lichtverhältnissen oder Umgebungen qualitativ hochwertige Bilder liefert.
Die Pregius Technologie kombiniert das geringe Rauschen von CCD-Sensoren mit der hohen Geschwindigkeit und Präzision eines Global Shutter (GS) Sensors. Somit ist sie ideal für die Anforderungen von Anwendungen in der Fabrikautomation.
Die Digitalisierung von Pixeldaten beginnt bereits in einem frühen Stadium der Datenübertragung – dies ist eines der wesentlichen Merkmale der Pregius Technologie. Diese Eigenschaft minimiert zusätzliches Rauschen in der digitalen Prozesskette im Sensor selbst bei hohen Bildraten. Die Doppel- und Mehrfachabtastung (Correlated Double Sampling, CDS) ist eine vom CCD-Design stammende Technik, die auf beiden Seiten des Analog-Digital-Wandlers eingesetzt wird, um das Rauschverhalten des Sensors weiter zu verbessern. Damit wird Rauschen im Signal unterdrückt und die Genauigkeit der digitalisierten Daten verbessert.
Funktionen und Merkmale der Sensoren
Polarisation
Die Polarisation ist eine kaum genutzte Eigenschaft des Lichts. Durch die Platzierung externer Filter vor der Kamera lassen sich Polarisationseffekte auf Oberflächen und Materialien normalerweise gut beherrschen. Bei dieser Methode – häufig zur Prüfung transparenter Verpackungen oder stark reflektierender Oberflächen eingesetzt – wird das einfallende Licht auf einen einzigen Polarisationswinkel beschränkt, weshalb die Kamera das Licht nicht bei unterschiedlichen Winkeln oder wechselhaften Bedingungen erfassen kann.
Eine Variante der Global Shutter Sensoren von Sony, darunter die Modelle IMX250, IMX253 und IMX264, verfügt an jedem Pixel über einen eigenen Polarisationsfilter. Diese Filter lassen das Licht nur in einer Polarisationsrichtung durch. Ein 2×2 Pixelblock erfasst Licht aus vier verschiedenen Richtungen – jeweils mit einem Polarisationswinkel von 45⁰. Durch diese Anordnung enthält jede Aufnahme vier Unterbilder.
Der Winkel und die Richtung der Polarisation des einfallenden Lichts können durch eine externe Datenverarbeitung berechnet werden. Gleichzeitig werden Mängel an komplexen Formen oder spiegelnden Oberflächen präzise erkannt – unabhängig von den Spiegelungen, die bei einer begrenzten Zahl von Polarisationswinkeln oftmals auftreten. Global Shutter Sensoren mit Polarisationsfiltern eignen sich optimal für Anwendungen, in denen es auf eine exakte Prüfung ankommt, wie etwa im Bereich der industriellen Bildverarbeitung, der Qualitätskontrolle und der Industrieautomation.
Kundenspezifische Optionen für Global Shutter Sensoren
Pyxalis® Global Shutter Sensoren
Pyxalis hat sich auf die Entwicklung und Herstellung kundenspezifischer Global Shutter Bildsensoren mit hoher Performance spezialisiert. Diese bieten einen sehr hohen Dynamikbereich, schnelle Bildraten und Farbtiefe. Die Sensoren eignen sich hervorragend für anspruchsvolle Anwendungen in den Bereichen Medizin, Wissenschaft, Überwachung und für die Industrie.
Pyxalis bietet folgende Global Shutter Sensor-Plattformen als Ausgangsbasis für kundenspezifische Semi-Custom-Designs an.
HDPYX 160-G und HDPYX 230-G Sensoren
Diese Global Shutter Sensoren verfügen über eine hochdynamische Pixel-Technologie mit einer sehr hohen Modulationsübertragung (MTF) und einem hohen Dynamikumfang (HDR) ohne Artefakte On-Chip. Zusätzlich sind sie mit CDS für eine gute Schwarzwertkonsistenz ausgestattet, ebenso mit zwei rauscharmen 11-Bit-Analog-Digital-Wandlern (ADC). Die Videoausgabe in 8, 10, 12, 14 oder 16 Bit ist möglich. Die Sensoren haben zudem einen MIPI CSI-2 Ausgang (4 Lanes / 800 Mbps) mit parallelem Ausgang (12 Bit / 100 MHz), eine serielle Kommunikationsschnittstelle und integrierte Temperatursensoren.
HDPYX 300 (Global/Rolling) Sensor
Die HDPYX 300 Sensoren verfügen über folgende Modi:
- Elektronischer Rolling Shutter mit CDS (ERS)
- Global Shutter, rauscharm mit CQS (GSLN)
- Global Shutter mit UDS (GS)
- Global Start Rolling Shutter (GRS)
Die Sensoren verfügen über einen hohen Dynamikbereich sowie On-Chip-Computing. Zu den Funktionen gehören eine In-Pixel Dual-Gain Technologie mit automatischer Umschaltung (Modus 1: 1-Frame-Auslesung, echtes Intra-Scene-HDR) sowie zwei Line-Interlace Integrationszeiten (Mode 2: ungerade/gerade bzw. mit konfigurierbarem Verhältnis). Weitere Funktionen sind digitale Korrekturen, die Auto-Column-Offset-Korrektur sowie eine Programmiermöglichkeit für die digitale Verstärkung und den Offset.
Möchten Sie weitere Details über die kundenspezifischen Optionen unserer Global Shutter erfahren? Sehen Sie sich einfach unser komplettes Portfolio der Pyxalis Sensoren an.
Die wichtigsten Anwendungen von Global Shutter Sensoren
Global Shutter Sensoren unterstützen die schnelle und hochauflösende Erfassung des gesamten Sichtfeldes. Daher eignen sie sich für Machine Vision und Industrie 4.0 Anwendungen, für Mess– und Prüfaufgaben, intelligente Verkehrssysteme (ITS), für den Automobilbereich, die Medizin und Forschung sowie für 3D–Anwendungen und Stereo-Vision-Anwendungen.