{"id":883,"date":"2018-10-14T22:00:00","date_gmt":"2018-10-14T22:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/framos.com\/articles\/cmos-sensoren-sind-jetzt-auch-ein-ausgezeichneter-ersatz-fuer-hochaufloesende-ccds\/"},"modified":"2024-04-24T21:20:25","modified_gmt":"2024-04-24T21:20:25","slug":"cmos-sensoren-sind-jetzt-auch-ein-ausgezeichneter-ersatz-fuer-hochaufloesende-ccds","status":"publish","type":"articles","link":"https:\/\/framos.com\/de\/fachartikel\/cmos-sensoren-sind-jetzt-auch-ein-ausgezeichneter-ersatz-fuer-hochaufloesende-ccds\/","title":{"rendered":"CMOS-Sensoren sind jetzt auch ein ausgezeichneter Ersatz f\u00fcr hochaufl\u00f6sende CCD\u00e2\u20ac\u02dcs"},"content":{"rendered":"

CMOS-Sensoren sind jetzt auch in extrem hohen Aufl\u00f6sungen bis zu 150 MP erh\u00e4ltlich. Entwickler profitieren von h\u00f6herer Qualit\u00e4t, Geschwindigkeit, besseren Preisen und einer beschleunigten Entwicklungszeit.<\/h3>\n

CMOS-Bildsensoren sind in der Bildverarbeitung l\u00e4ngst die neue Normalit\u00e4t. Nun ja, fast… F\u00fcr High-End-Anwendungen mit einer Aufl\u00f6sung von \u00fcber 50\u00a0Megapixeln ben\u00f6tigten Anwender nach wie vor CCD-Bildsensoren, um hochqualitative Bilder zu erfassen. Inzwischen sind jedoch auch CMOS-Sensoren in solch hoher Aufl\u00f6sung verf\u00fcgbar – und bieten Entwicklern anspruchsvoller Anwendungen zahlreiche Vorteile in puncto Qualit\u00e4t, Geschwindigkeit, Preis und Time-to-Market.<\/p><\/blockquote>\n

Die Abk\u00fcndigung der Sony-CCD-Sensoren erm\u00f6glichte erstmals einen risikofreien Umstieg auf CMOS-Sensoren in allen Anwendungen mit einem zuverl\u00e4ssigen 10-Jahres-\u00c3\u0153bergangsfenster. Diese Entwicklung hat die CMOS-Entwicklung auf ein neues Level gehoben und die gesamte Vision-Branche ver\u00e4ndert. Im Laufe der Jahre verbesserte sich die CMOS-Qualit\u00e4t hinsichtlich s\u00e4mtlicher Sensorkriterien stetig, so dass sie als vollwertiger CCD-Ersatz einsetzbar wurden. Nur f\u00fcr Anwendungen ab 50 Megapixel oder dar\u00fcber gab es bisher kein \u00c4quivalent. Nun ist die Zeit reif, dass auch Vision-Ingenieure f\u00fcr extrem hohe Aufl\u00f6sungen die CMOS-Vorteile hinsichtlich Implementierung und Leistung nutzen k\u00f6nnen.<\/p>\n

Neue hochleistungsf\u00e4hige CMOS-Bildsensoren<\/strong><\/p>\n

Die k\u00fcrzlich vorgestellte hochaufl\u00f6sende Sensorreihe von SONY, die in Abbildung 1 dargestellt ist, bietet eine Aufl\u00f6sung von bis zu 150 Megapixel. Mit Pixelgr\u00f6\u00dfen von 3,76\u00b5m und 4,6\u00b5m k\u00f6nnen Bildraten von 6 fps@14bit bei voller Aufl\u00f6sung erreicht werden, bei 4K sind bis zu 30 fps m\u00f6glich. Die hochaufl\u00f6senden Bildsensoren verwenden Mikrofabrikationstechnologien zur Verbesserung der Bildqualit\u00e4t, verf\u00fcgen \u00fcber eine High Dynamic Range Funktion (HDR) und bieten eine sehr genaue Abbildung der Farbabstufung basierend auf einem hochaufl\u00f6senden AD-Wandler mit bis zu 16 Bit. Im Vergleich zu CCD-Sensoren bieten die neuen Sensoren eine hohe Bildgleichm\u00e4\u00dfigkeit, was f\u00fcr High-End-Inspektionsaufgaben entscheidend ist; eine Anwendung, bei der CCDs in der Vergangenheit Vorteile zeigten.<\/p>\n

\"IMX\"<\/p>\n

Abbildung 1: Format und Aufl\u00f6sung der extrem hochaufl\u00f6senden SONY-Sensoren<\/p>\n

Der IMX161 und der IMX211 verf\u00fcgen \u00fcber einen LVDS-Ausgang mit 8 Lanes, w\u00e4hrend die weiteren hochaufl\u00f6senden Sensoren Sony\u2018s neueste Schnittstelle SLVS-EC, um die gro\u00dfe Menge an erfassten Daten mit Hochgeschwindigkeit zu \u00fcbertragen. Die maximale Ausgangsleistung betr\u00e4gt dabei 18,4\u00a0Gbps auf 8\u00a0Lanes respektive 2,3\u00a0Gbps pro Kanal. SLVS-EC (Scalable Low Voltage Signaling with Embedded Clock) unterscheidet sich von den meisten aktuellen Schnittstellen durch die Taktintegration in die Datenleitung. Die seriell \u00fcbertragenen Daten werden von der Hardware, einem ASIC, FPGA oder \u00e4hnlichem Logikblock empfangen, der die Taktung aus dem Signal zur\u00fcckgewinnt und anschlie\u00dfend auf den urspr\u00fcnglichen Datenstrom anwendet, um diesen korrekt abzutasten. Dies f\u00fchrt zu einer verbesserten Zeitsteuerung und erlaubt in Verbindung mit einem FPGA die schnelle Onboard-Verarbeitung f\u00fcr intelligente Bildverarbeitungsaufgaben.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n\n
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\u00a0<\/strong><\/p>\n<\/td>\n

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IMX211<\/strong><\/p>\n<\/td>\n

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IMX411<\/strong><\/p>\n<\/td>\n

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IMX461<\/strong><\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n

Format<\/strong><\/td>\n\n

Type 4.2 (66.7mm)<\/p>\n<\/td>\n

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Type 4.2 (66.7mm)<\/p>\n<\/td>\n

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Type 3.4 (55mm)<\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n

Pixelanzahl<\/strong><\/td>\n\n

100M pixels<\/p>\n<\/td>\n

\n

150M pixels<\/p>\n<\/td>\n

\n

100M pixels<\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n

Pixelgr\u00f6\u00dfe
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4.6 \u00b5m<\/p>\n<\/td>\n

\n

3.76 \u00b5m<\/p>\n<\/td>\n

\n

3.76 \u00b5m<\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n

Bildrate<\/strong><\/td>\n\n

All-pixels\/2.0fps@14bit
\n4k2k\/30fps@12bit<\/p>\n<\/td>\n

\n

All-pixels\/4.0fps@14bit
\n4k2k\/30fps@12bit
\n8k4k\/16fps@12bit<\/p>\n<\/td>\n

\n

All-pixels\/6.0fps@14bit
\n4k2k\/30fps@12bit
\n8k4k\/18fps@12bit<\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n

Interface<\/strong><\/td>\n\n

LVDS<\/p>\n<\/td>\n

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SLVS-EC<\/p>\n<\/td>\n

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SLVS-EC<\/p>\n<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Abbildung 2: Merkmale der extrem hochaufl\u00f6senden SONY-Sensoren<\/p>\n

Diese extrem hochaufl\u00f6senden Sensoren eignen sich ideal f\u00fcr High-End-Anwendungen im ITS-Sektor sowie f\u00fcr die Verkehrs\u00fcberwachung, zur Robotersteuerung, f\u00fcr eine extrem pr\u00e4zise industrielle Inspektion (wie z.\u00a0B. die Qualit\u00e4tspr\u00fcfung von Displays) und die Aufnahme von Luftbildern mit Drohnen. Die genauere Bilderfassung spart Zeit und Ressourcen bei s\u00e4mtlichen Inspektionsaufgaben. Dies senkt nicht nur die Kosten, sondern erh\u00f6ht auch die Sicherheit. Und diese kann nun auch mit High-End-CMOS-Ger\u00e4ten erzielt werden.<\/p>\n

CMOS-Implementierung spart Zeit und Aufwand
\n<\/strong>Die Implementierung von CMOS-Bildsensoren ist weniger zeitaufwendig und kompliziert als die Implementierung von CCD-Sensoren. Der technische Aufbau zwischen CCD- und CMOS-Sensoren unterscheidet sich grundlegend. Ein CMOS-Bildsensor ist ein All-in-one-Produkt, das \u00fcber einen A\/D-Wandler, korrelierte Doppelabtastung, digitale Schnittstellen und eine integrierte Sensorsteuerung verf\u00fcgt\u00a0– und das alles auf einem einzigen Chip. In der CCD-Welt sind dies jeweils separate Komponenten, die von einem Fachmann zusammengestellt werden m\u00fcssen. Daher erfordert die CCD-Bildverarbeitung spezielle Kenntnisse, Zeit und entsprechende F\u00e4higkeiten. Die CMOS-Implementierung geht schneller und einfacher. Im Prinzip sollte jeder fundiert ausgebildete Ingenieur in der Lage sein, eine CMOS-Kamera zu bauen. Dies verk\u00fcrzt die Entwicklungszyklen und die Time-to-Market f\u00fcr Ger\u00e4te auf CMOS-Basis. Machen wir uns nichts vor: Im digitalen Zeitalter mit seinen kurzen Produktlebenszyklen und Entwicklungszeiten bedeutet dies das Aus f\u00fcr CCD-Sensoren.<\/p>\n

Technologische Trends beschleunigen den Erfolg der CMOS-Sensoren. Die kleineren Pixel erlauben miniaturisierte Designs, die wiederum zum Erfolg von Embedded-Vision-L\u00f6sungen in s\u00e4mtlichen industriellen und Consumer-Anwendungen beitragen. Dar\u00fcber hinaus punkten CMOS-Sensoren mit besonders g\u00fcnstigen Preisen\u00a0– und preiswerteren Objektiven und Zubeh\u00f6rteilen obendrein. Allerdings fragt man sich unweigerlich, welchen Pferdefu\u00df das Ganze denn nun hat. Keinen! Denn CMOS-Bildsensoren bieten gleichzeitig enorme Verbesserungen f\u00fcr die Bildqualit\u00e4t.<\/p>\n

Leistung ohne Wenn und Aber
\n<\/strong>Leistung ist das wichtigste Merkmal von CMOS-Sensoren. Der entscheidende Schritt bei der Weiterentwicklung der CMOS-Technologie bestand darin, Pixel mit der Global-Shutter-Technologie auszulesen und diesen Prozess mit einer wesentlich h\u00f6heren Geschwindigkeit und einer au\u00dfergew\u00f6hnlichen Bildqualit\u00e4t zu kombinieren. Bewegte Objekte k\u00f6nnen damit gleichzeitig erfasst werden\u00a0– ohne Artefakte und mit verbesserter Sch\u00e4rfe. Au\u00dferdem sind CMOS-Sensoren aufgrund ihrer Architektur und dem parallelen Pixel-Readout um ein Vielfaches schneller als ihre konventionellen CCD-Pendants. Die CMOS-Technologie erlaubt sehr hohe Bildraten und definiert heutzutage die maximal erreichbare Geschwindigkeit.<\/p>\n

Durch die Fortschritte in der Fertigung ist zus\u00e4tzlich ein deutlich besseres Verh\u00e4ltnis zwischen Sensorgr\u00f6\u00dfe und lichtaktiver Pixelfl\u00e4che (Fill Factor) m\u00f6glich und somit indirekt eine maximale Nutzung des einfallenden Lichts. In Verbindung mit anderen Faktoren wie der r\u00fcckseitigen Beleuchtung zeichnen sich CMOS-Sensoren daher durch eine hohe Aufl\u00f6sung, Empfindlichkeit und Quanteneffizienz, einen hohen Dynamikbereich und ein extrem geringes Rauschen aus. CMOS-Sensoren k\u00f6nnen inzwischen sogar in Anwendungen mit schwachen Lichtverh\u00e4ltnissen eingesetzt werden und bieten auch dort eine sehr gute Bildqualit\u00e4t. Au\u00dferdem weisen CMOS-Sensoren ein sehr viel breiteres Funktionsspektrum auf, sie haben einen geringeren Energieverbrauch und sind in industriellen Anwendungen deutlich flexibler. CMOS-Bildsensoren erzielen mittlerweile bessere Ergebnisse als CCD-Sensoren, selbst bei anspruchsvollen Anwendungen.<\/p>\n

Trotz all dieser Vorteile mussten Vision-Ingenieure bei Anwendungen, die extrem hohe Aufl\u00f6sungen erfordern, bislang den besonderen Implementierungsaufwand f\u00fcr CCD-Sensoren auf sich nehmen und deren Grenzen akzeptieren. Jetzt haben CMOS-Sensoren alle Aspekte der CCD-Technologie \u00fcbernommen und bieten viele Vorteile, die dar\u00fcber hinaus die Performance extrem steigern und die Weiterentwicklung der gesamten Vision-Industrie beeinflussen.<\/p>\n

Werkzeuge und Support f\u00fcr eine erfolgreiche CMOS-Implementierung
\n<\/strong>Mit ihrer enorm verbesserten Bildqualit\u00e4t, der maximierten Geschwindigkeit und den erweiterten Funktionen haben sich moderne CMOS-Sensoren zur wichtigsten digitalen Komponente s\u00e4mtlicher Vision-Systeme entwickelt. Inzwischen gilt dies sogar f\u00fcr Einsatzbereiche mit extrem hohen Aufl\u00f6sungen. Wie bereits erw\u00e4hnt wurde, lassen sich die integrierten Schaltungen relativ einfach konzipieren und entwickeln. Die Herausforderung bei der Anwendung besteht jedoch darin, mit den Einstellungen der bestehenden Ger\u00e4te und Komponenten eine bestm\u00f6gliche Bildqualit\u00e4t zu erzielen\u00a0– insbesondere wenn es darum geht, die extrem hohe Aufl\u00f6sung f\u00fcr das Erzielen bestm\u00f6glicher Analyseergebnisse zu nutzen. Evaluation-Boards und Reference Design Kits (RDKs) helfen, den richtigen Sensor auszuw\u00e4hlen und mithilfe seiner Detaileinstellungen dessen vollst\u00e4ndigen Funktionsumfang zu nutzen. RDKs mit Gerber-Dateien, Sensor-Boards mit vorgefertigten Designs und fertige IP-Bl\u00f6cke erlauben es, direkt auf dem Sensor zu arbeiten und dessen Eignung f\u00fcr die gew\u00fcnschte Anwendung und die erforderliche Bildqualit\u00e4t zu pr\u00fcfen.<\/p>\n

Zudem gibt es weitere Tools, um g\u00e4ngige Fehler zu vermeiden: Um die Entwicklungszyklen zu verk\u00fcrzen und somit eine schnellere Implementierung und Time-to-Market zu erzielen, verbinden unmittelbar einsatzbereite IP-Pakete wie das FRAMOS SLVS-EC IP-Core SLVS-EC-Bildsensoren mit Xilinx FPGAs und SoCs. Hersteller oder OEM\u2018s, deren Kernkompetenz nicht im Bereich der Bildverarbeitung oder Kameratechnologie liegt, k\u00f6nnen sich damit auf ihre Kernkompetenzen fokussieren, auf die Unterst\u00fctzung externer Fachleute zur\u00fcckgreifen und so dennoch ausgereifte Bildverarbeitungsl\u00f6sungen in ihre Ger\u00e4te implementieren.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

CMOS-Bildsensoren sind in der Bildverarbeitung l\u00e4ngst die neue Normalit\u00e4t. F\u00fcr High-End-Anwendungen mit einer Aufl\u00f6sung von \u00fcber 50 Megapixeln jedoch ben\u00f6tigten Anwender nach wie vor CCD-Bildsensoren, um hochqualitative Bilder zu erfassen. Jetzt sind auch CMOS-Sensoren in solch hoher Aufl\u00f6sung verf\u00fcgbar – und bieten Entwicklern anspruchsvoller Anwendungen zahlreiche Vorteile in puncto Qualit\u00e4t, Geschwindigkeit, Preis und Time-to-Market.<\/p>\n","protected":false},"author":6,"featured_media":885,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"inline_featured_image":false},"article-category":[],"article-tag":[],"class_list":["post-883","articles","type-articles","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/articles\/883","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\/6"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=883"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media\/885"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=883"}],"wp:term":[{"taxonomy":"article-category","embeddable":true,"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/article-category?post=883"},{"taxonomy":"article-tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/framos.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/article-tag?post=883"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}