{"id":302,"date":"2017-06-29T08:15:00","date_gmt":"2017-06-29T08:15:00","guid":{"rendered":"https:\/\/framos.com\/articles\/was-hat-es-eigentlich-genau-mit-sonys-exmor-technologie-auf-sich\/"},"modified":"2024-04-24T21:19:59","modified_gmt":"2024-04-24T21:19:59","slug":"was-hat-es-eigentlich-genau-mit-sonys-exmor-technologie-auf-sich","status":"publish","type":"articles","link":"https:\/\/framos.com\/de\/fachartikel\/was-hat-es-eigentlich-genau-mit-sonys-exmor-technologie-auf-sich\/","title":{"rendered":"Was hat es eigentlich genau mit Sonys Exmor Technologie auf sich?"},"content":{"rendered":"

Ein pers\u00f6nliches CMOS-Tutorial von FRAMOSianer Darren Bessette<\/em><\/p>\n

Als mir zu Ohren kam, dass Sony seine CCD-Sensorreihe einstellen wird, war ich genauso \u00fcberrascht wie alle. Seit ich 2003 den ICX205-Sensor zum ersten Mal sah, war ich immer ein gro\u00dfer Fan der Sony CCDs. Die k\u00fcrzliche Einf\u00fchrung ihrer EXview HAD II-Technologie begeisterte mich noch mehr und ich war \u00fcberzeugt, das Sony die CCD-Technologie auf ein ganz neues Level bringen w\u00fcrde.<\/p>\n

Aufgrund der CCD-End of Life Ank\u00fcndigung stellten sich mir viele Fragen zur CMOS-Produktreihe von Sony. Wie k\u00f6nnen sie f\u00fcr den Ersatz der Sony CCD-Sensoren verwendet werden k\u00f6nnen, die zurzeit im Einsatz sind? Eine der wichtigsten Fragen \u00fcberhaupt ist: \u00e2\u20ac\u017eWie funktioniert die Exmor-Technologie von Sony?\u201c<\/p>\n

Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung der Exmor-Technologie und erl\u00e4utert einige ihrer Vorteile. Er wird Sie bei der Entscheidung unterst\u00fctzen, wie Sie Ihr aktuelles CCD-Design auf einen Sony Exmor CMOS-Sensor umr\u00fcsten k\u00f6nnen.<\/p>\n

Exmor – 1. Generation<\/h2>\n

Die erste Generation der Exmor-Technologie war eine Revolution in der CMOS-Pixelarchitektur. Die herk\u00f6mmliche CMOS-Architektur rauschte sehr stark. Die Art und Weise wie der Sensor die analogen Pixeldaten innerhalb des Chips zur Digitalisierung transportierte, verursachte ein gro\u00dfes Ma\u00df an St\u00f6rungen. Die Entwickler von Sony untersuchten dieses Design und nutzten ihre Erfahrungen im CCD-Bereich, um dem Rauschen entgegenzuwirken. So wurde der Grundstein f\u00fcr die Exmor-Technologie gelegt.<\/p>\n

Durch die fr\u00fche Digitalisierung von Pixeldaten im Transferprozess, wie in Abbildung 1 beschrieben, konnte das Rauschen, das beim Transport der Bilddaten durch den Sensor zus\u00e4tzlich entsteht, erheblich minimiert werden. Die digitalen Daten k\u00f6nnen mit sehr hohen Geschwindigkeiten durch den Sensor transportiert werden, ohne dass die Gefahr von erh\u00f6htem Rauschen besteht. Um das Rauschverhalten des Sensors weiter zu optimieren, verwendeten Sie auf beiden Seiten der A\/D-Wandlung eine korrelierte Doppelabtastung (CDS, Correlated Double Sampling), um das Signalrauschen auszul\u00f6schen und somit die Genauigkeit der digitalisierten Daten sicherzustellen.<\/p>\n

Das Silizium des Sensors ist f\u00fcr frontseitige Belichtung (FSI, Front Side Illumination) ausgelegt und verwendet \u00fcber der Pixelarchitektur verlaufende Aluminiumbahnen, um die Daten und Signale durch den Sensor zu f\u00fchren. Die Metalldr\u00e4hte und Transistoren wurden oben auf dem lichtempfindlichen Siliziumsubstrat aufgebracht, wo sich die Pixel befinden, und absorbieren die Photonen, um sie in Elektronen umzusetzen. So wurden CMOS-Sensoren der ersten Generation hergestellt. Dies ist einer der Bereiche, der sich bis heute ge\u00e4ndert hat.<\/p>\n

\"exmor-figure1\"<\/p>\n

Abbildung 1: Herk\u00f6mmliche und Exmor-Sensorstrukturen<\/em><\/p>\n

Exmor – 2. & 3. Generation<\/h2>\n

In der zweiten und dritten Generation der Exmor-Technologie konzentrierte Sony sich auf die Tiefenreduktion von Metalldraht- und Transistorstrukturen auf der Oberfl\u00e4che des Siliziumsubstrats, die die einzelnen lichtempfindlichen Pixel darstellen. Der erste gro\u00dfe Schritt bestand darin, die Aluminium-Metallverdrahtung durch eine d\u00fcnnere Kupferverdrahtung zu ersetzen. Dies verringerte die Tiefe von der R\u00fcckseite der Mikrolinse zur Oberfl\u00e4che des Siliziumsubstrats um 40 %. Im n\u00e4chsten gro\u00dfen Schritt wurde die Dicke der Kupferverdrahtung und Transistoren weiter reduziert, was eine zus\u00e4tzliche, in Abbildung 2 dargestellte Tiefenverringerung um 22 % erm\u00f6glichte.<\/p>\n

Diese Verkleinerung der Metallverdrahtung und der Transistorstruktur war sehr f\u00f6rderlich, da sie die Lichtempfindlichkeit der Sensoren dieser Technologien im Vergleich zu Ihren Vorg\u00e4ngern stark verbesserte. In der Vergangenheit wurden Photonen, die in steilen Winkeln oder mit kurzen Wellenl\u00e4ngen (blau-gr\u00fcnes Spektrum) eintrafen, entweder von der Metallverdrahtung reflektiert oder im Bereich der Transistoren gestreut und konnten daher nicht vom Siliziumsubstrat erfasst und gemessen werden. Die Reduktion dieser Tiefe erh\u00f6ht die Wahrscheinlichkeit, dass eintreffende Photonen die Pixel erreichen und vom Sensor korrekt erfasst werden. Somit werden die Sensoren f\u00fcr das gesamte sichtbare Licht, insbesondere aber gegen\u00fcber dem blauen und gr\u00fcnen Spektrum empfindlicher, was wiederum die Kombination mit einer gr\u00f6\u00dferen Auswahl an Optiken erm\u00f6glicht.<\/p>\n

Exmor – 4. Generation<\/h2>\n

Seit l\u00e4ngerem war bekannt, dass CMOS-Sensoren im Nah-Infrarotbereich (NIR) sehr leistungsf\u00e4hig im Vergleich zu CCDs sind. Aufgrund kleiner Pixelgr\u00f6\u00dfen und verrauschtem Sensor-Design war ihre Empfindlichkeit jedoch begrenzt. Da das Problem der Pixel bzw. des Sensorrauschens mit der ersten Generation der Exmor-Technologie eliminiert wurde, lag es auf der Hand, dass die vierte Generation der Exmor-Technologie die NIR-Empfindlichkeit erh\u00f6hen w\u00fcrde und mit tieferen Pixeln die l\u00e4ngeren Wellenl\u00e4ngen besser erfassbar zu machen. Tiefere Pixel erm\u00f6glichen nicht nur einen gr\u00f6\u00dferen m\u00f6glichen Dynamikbereich (d. h. die Pixel k\u00f6nnen mehr Daten in Elektronen erfassen und halten, bevor sie ges\u00e4ttigt sind), sondern sie erh\u00f6hen auch die Wahrscheinlichkeit, mit der Photonen im h\u00f6heren Wellenl\u00e4ngen- bis zum NIR-Bereich erfasst werden. Sensoren der 4. Generation profitieren im NIR-Wellenl\u00e4ngenbereich zwischen 800 und 1200 nm von einem besseren Quantenwirkungsgrad (QE, Quantum Efficiency). Au\u00dferdem werden ihre Pixelwerte mit h\u00f6heren Bittiefen digitalisiert. Diese beiden Verbesserungen waren das Ergebnis der erh\u00f6hten Pixeltiefe.<\/p>\n

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Abbildung 2: Entwicklung der Exmor-Pixelarchitektur<\/em><\/p>\n

Exmor R – 5. Generation (Der Durchbruch)<\/h2>\n

Die Einf\u00fchrung der Exmor R-Technologie markiert den Punkt, ab dem die CMOS-Technologie in fast jeder Bildverarbeitungsanwendung zur ernsthaften Konkurrenz f\u00fcr CCDs wurde. Der gr\u00f6\u00dfte Vorteil, den dieser technische Fortschritt mit sich brachte, war der Wechsel von FSI- zu BSI-Pixeln (frontseitige Belichtung vs. r\u00fcckseitige Belichtung, Back Side Illumination). Dabei stellten die Entwickler von Sony die Siliziumkonstruktion des Sensors buchst\u00e4blich auf den Kopf. Die Mikrolinsen und die Farbfilteranordnung (CFA, Color Filter Array) des Sensors befinden sich nun auf der Oberseite des Siliziumsubstrats, d. h. auf der lichtempfindlichen Fl\u00e4che des Sensors, w\u00e4hrend sich die nicht lichtempfindliche Elektronik wie Transistoren und die Metallverdrahtung auf der R\u00fcckseite des Siliziumsubstrats befindet, wie in Abbildung 3 gezeigt.<\/p>\n

Dieser neue Konstruktionsaufbau bedeutet eine erhebliche Verbesserung des Anspracheverhaltens und der Empfindlichkeit dieser Sensoren. Zwei wesentliche Gr\u00fcnde, warum diese Konstruktions\u00e4nderung die Leistung der Sensoren erh\u00f6ht, sind folgende: Wie zuvor erw\u00e4hnt, werden k\u00fcrzere Wellenl\u00e4ngen m\u00f6glicherweise nicht erfasst, wenn sie das Pixel nicht erreichen und somit kein Elektron erzeugen. Da die f\u00fcr Photonen unempfindlichen Teile nun aus dem Weg ger\u00e4umt sind, trifft das zuvor nicht erfasste oder aus dem Sensor reflektierte Licht nun auf die Pixel, was diese in lichtarmen Umgebungen empfindlicher macht (siehe Abbildung 4).<\/p>\n

Au\u00dferdem trifft in steilen Winkeln auftreffendes Licht nun auf den empfindlichen Sensorbereich, w\u00e4hrend es zuvor u. U. zu einem anderen Bereich des Sensor gebeugt wurde. Dies ist insbesondere f\u00fcr Farbsensoren wichtig, da es die Auswirkungen von Farb\u00fcberspr\u00fcngen minimiert, wenn beispielsweise rotes Licht zu einem nahe gelegenen gr\u00fcnen oder blauen Pixel gebeugt wird. Letztendlich erm\u00f6glicht dies eine erheblich bessere Farbtreue, ohne dass eine umfangreiche Nachbearbeitung des Farbverhaltens in den erfassten Bildern erforderlich ist.<\/p>\n

Exmor RS – 6. Generation<\/h2>\n

Als Sony seine ersten Sensoren mit der Exmor R-Technologie entwickelte, basierten diese auf der Pixeltiefe der dritten Generation. Obwohl diese Sensoren eine erhebliche Verbesserung der Empfindlichkeit und Eigenschaften im sichtbaren Spektrum markierten, reichte ihre Leistung im NIR-Spektrum nicht an die der Exmor-Sensoren aus der vierten Generation heran. Die Exmor RS-Technologie wirkt dieser Einschr\u00e4nkung mit einer gr\u00f6\u00dferen Pixeltiefe entgegen, w\u00e4hrend alle anderen verbesserten Eigenschaften, die mit Exmor R eingef\u00fchrt wurden, beibehalten wurden (siehe Abbildung 4).<\/p>\n

Eine weitere \u00c4nderung ist die Positionierung der zugeh\u00f6rigen Schaltkreise unter dem Siliziumsubstrat, die zuvor daneben angeordnet waren. Dies erh\u00f6ht den F\u00fcllfaktor der Pixel um ca. 80-100 % erheblich, was f\u00fcr noch mehr Empfindlichkeit und gutes Anspracheverhalten bei geringerem Pixelabstand sorgt. Typische CMOS-Sensoren haben einen F\u00fcllfaktor von 20 bis 50 % und sind zur Erh\u00f6hung der Pixelempfindlichkeit auf die Mikrolinsen angewiesen. In der RS Sensortechnologie kommt eine gestapelte Pixelarchitektur wie in Abbildung 5 gezeigt zum Einsatz, was die Unterbringung von Sensoren mit h\u00f6herer Aufl\u00f6sung in kleineren Bauformen erm\u00f6glicht. Daraus folgt, dass diese Sensoren viel kleinere und weniger komplizierte Optiken nutzen k\u00f6nnen, was ihren Einbau in Ger\u00e4ten wie z.B. modernen Mobiltelefonen kosteng\u00fcnstiger macht.<\/p>\n

\"exmor-figure3x2mjJc5iIzqvG\"<\/em><\/p>\n

Abbildung 3: Exmor R- vs. RS-Pixelarchitektur<\/em><\/p>\n

\"exmor-figure4pnwGdeyQayoIM\"<\/em><\/p>\n

Abbildung 4: FIS- vs. BIS-Pixelstruktur<\/em><\/p>\n

Was bedeutet das f\u00fcr Sie?<\/h2>\n

Mit der neuesten Generation der Exmor-Technologien haben Entwickler von Kameras und Bildverarbeitungssystemen nun die M\u00f6glichkeit, in ihren Projekten kosteng\u00fcnstigere CMOS-Sensoren zu verwenden, die im Vergleich zu CCD-basierten Anwendungen auch leichter zu integrieren sind. Die Empfindlichkeit und das Anspracheverhalten k\u00f6nnen es mittlerweile mit vielen CCDs aufnehmen und die einfache Integration machen sie zur idealen Wahl f\u00fcr weniger erfahrene Techniker. Die geringeren Kosten der Exmor Technologie k\u00f6nnen erfahrenen Technikern dabei helfen, ihre Kostenvorgaben bei bestehenden oder neuen Anwendungen besser zu erreichen. Mit den neuesten Exmor R- und RS-basierten Sensoren muss aus Kostengr\u00fcnden nicht mehr auf Leistung verzichtet werden.<\/p>\n

\"exmor-figure53s759vrpaAtrP\"<\/em><\/p>\n

Abbildung 5: Pixel-F\u00fcllfaktor des neuen Exmor RS im Vergleich zu fr\u00fcheren Generationen<\/em><\/p>\n

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Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung der Exmor-Technologie und erl\u00e4utert einige ihrer Vorteile. Er wird Sie bei der Entscheidung unterst\u00fctzen, wie Sie Ihr aktuelles CCD-Design auf einen Sony Exmor CMOS-Sensor umr\u00fcsten k\u00f6nnen.<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":308,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"inline_featured_image":false},"article-category":[],"article-tag":[],"class_list":["post-302","articles","type-articles","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/articles\/302","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/articles"}],"about":[{"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/articles"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=302"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media\/308"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=302"}],"wp:term":[{"taxonomy":"article-category","embeddable":true,"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/article-category?post=302"},{"taxonomy":"article-tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/article-tag?post=302"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}