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Mit der Abk\u00fcndigung der bis dahin wegweisenden CCD Technologie hat SONY 2015 eine neue \u00c4ra eingel\u00e4utet: Verglichen mit der Menschheitsgeschichte ist die analoge CCD Technologie der Neandertaler unter den Bildsensoren. Digitale CMOS Sensoren<\/a> stehen f\u00fcr den modernen Homo Sapiens. Diese erreichen mit der 3. Generation einen neuen H\u00f6hepunkt der Evolution.<\/p><\/blockquote>\n
Es waren haupts\u00e4chlich wirtschaftliche Gr\u00fcnde, die SONY zur Aufgabe seiner CCD-Produktionslinien und der komplexen CCD-Herstellung bewogen haben. Doch Darwins Evolutionsgesetz greift auch bei Bildsensoren: Die \u00fcberlebensf\u00e4higste und st\u00e4rkste Art setzt sich durch. Qualitativ haben CMOS Sensoren die CCD Technologie in Teilen bereits sogar \u00fcberholt<\/a> – mit geringem Rauschverhalten, hoher Empfindlichkeit und hohen Bildraten erreichen sie auch f\u00fcr anspruchsvolle Applikationen vergleichbare oder bessere Werte. Die g\u00fcnstigeren Produktionsbedingungen schlagen sich in einem deutlich verbesserten Preis-Leistungsverh\u00e4ltnis nieder. Zus\u00e4tzlich bieten CMOS Sensoren eine h\u00f6here Funktionsvielfalt, einen geringeren Energieverbrauch und sind flexibler im industriellen Einsatz.<\/p>\n
1. Direktes Ausleseverfahren ebnet CMOS den Weg<\/h2>\n
Die evolution\u00e4re Weiterentwicklung der CMOS Sensoren liegt im Auslesemechanismus der Pixel begr\u00fcndet. Jeder Fl\u00e4chensensor besteht aus einem Matrix Array mit Fotodioden, in denen die auftreffenden Photonen in Elektronen umgewandelt werden. Bei CCD Sensoren werden die Ladungen der einzelnen Fotodioden \u00fcber horizontale und vertikale Shift-Register zu einem Ausleseverst\u00e4rker au\u00dferhalb des aktiven Bereichs geleitet. Dort werden die Pixelladungen zentral ausgelesen und zu einer analogen Spannung gewandelt. Die CMOS Technologie dagegen liest jeden Pixel direkt \u00fcber am Pixel liegende Transistoren aus. Das Signal wird \u00fcber den Read Out Circuit umgewandelt, rauscharm digitalisiert und schlie\u00dflich \u00fcber LVDS Dr\u00e4hte (Low Voltage Differential Signaling) parallel \u00fcbertragen.
\nDas dezentrale Auslesen der CMOS-Pixel war lange ein Nachteil: der genaue Auslesewert am Pixel ist von der physikalischen Auspr\u00e4gung der pixelindividuellen Transistoren abh\u00e4ngig. Da diese aber in der fr\u00fcheren CMOS-Geschichte immer leichte Unterschiede aufwiesen, wurde ein hohes \u00e2\u20ac\u017eFixed Pattern Noise\u201c erzeugt. Das erh\u00f6hte Grundrauschen sorgte au\u00dferdem f\u00fcr eine schlechte Empfindlichkeit. Zus\u00e4tzlich waren die Transistoren im Vergleich zur Pixelgr\u00f6\u00dfe relativ gro\u00df. Bei 3 notwendigen Transistoren um einen Rolling Shutter und 5 bis 6 Transistoren um einen Global Shutter zu realisieren, f\u00fchrte dies zu einer relevanten Verringerung der aktiven Pixelfl\u00e4che und somit zu einer wesentlichen Verringerung der Lichtleistung. Der hohe Platzbedarf der Transistoren ging zu Lasten der Bildqualit\u00e4t und Empfindlichkeit. Lange lag der Entwicklungsfokus daher auf schnellen Rolling Shutter Sensoren. Aber genau hier lag die evolution\u00e4re Begrenzung der damaligen CMOS Technologie und teilweise auch der Bildverarbeitung f\u00fcr den Machine Vision Einsatz. In der industriellen Produktion und Anwendungen im Automotive Bereich, der Medizintechnik sowie in vielen Applikation der Virtual Reality braucht es hochwertige Global Shutter Sensoren ohne Artefakte f\u00fcr schnell bewegte Prozesse in Echtzeit und eine hervorragende Bildqualit\u00e4t.<\/p>\n2. CMOS schafft den n\u00e4chsten Entwicklungsschritt mit Bildqualit\u00e4t und Geschwindigkeit<\/h2>\n
Der entscheidende Schritt f\u00fcr die CMOS Evolution lag in der Kombination der Bildaufnahme nach dem Global Shutter Prinzip und deutlich gesteigerter Geschwindigkeit sowie hervorragender Bildqualit\u00e4t. Mit der Entwicklung seiner 1ten Global Shutter Generation, dem IMX174, hat SONY erstmalig diesen Durchbruch geschafft und damit die Voraussetzungen f\u00fcr das CMOS Zeitalter im industriellen Bereich und die Entwicklung der Bildverarbeitung zum Auge der Automatisierung geschaffen. Mit der zeitgleichen Belichtung und Entleerung aller Pixel tritt im Gegensatz zum Rolling-Shutter-Verfahren keine zeitliche Aufnahme-Verz\u00f6gerung zwischen den Pixellinien auf. Sich schnell bewegende Objekte k\u00f6nnen durch die gleichzeitige Bildaufnahme mit Global Shutter ohne Artefakte und mit hoher Sch\u00e4rfe abgebildet werden.
\nNicht nur die parallele Aufnahme aller Pixel ist ein Vorteil: Basierend auf Ihrer Architektur und der parallelen Auslese aller Pixel sind CMOS Sensoren um ein Vielfaches schneller als die herk\u00f6mmlichen CCD Sensoren. W\u00e4hrend fr\u00fcher die zu erreichenden Frames per second (fps) die Anwendung limitierten, sind mit der CMOS Technologie sehr hohe Bildraten m\u00f6glich und die Schnittstellen stellen die Hauptbegrenzung f\u00fcr die maximale Geschwindigkeit dar.
\nDie fortschreitende Miniaturisierung der Transistoren in Verbindung erm\u00f6glicht zudem ein stark verbessertes Verh\u00e4ltnis zwischen Sensorgr\u00f6\u00dfe und aktiver Pixelfl\u00e4che (Full-Well-Kapazit\u00e4t oder Fill Faktor), und einer maximalen Verwertung des einfallenden Lichts, also der Maximierung des Verh\u00e4ltnisses zwischen der Anzahl der auf den Sensor treffenden und tats\u00e4chlich umgewandelten Photonen. Heute k\u00f6nnen CMOS Sensoren auch in lichtarmen Applikationen eingesetzt werden und erreichen eine sehr gute Bildqualit\u00e4t. Ein wichtiger Vorteil der CMOS Technologie zeigt sich zudem bei extrem hohen Lichteinfall, z.B. im direkten Sonnenlicht oder bei Reflexionen. CCD-Pixel geben \u00fcbersch\u00fcssig umgewandelte Elektronen an ihre Nachbarpixel ab (\u00c3\u0153berlauf) oder reichen diese auch nach bereits erfolgter Belichtung weiter. So entstehen f\u00fcr die Bildanalyse negative Blooming- oder Smearing-Effekte. CMOS-Sensoren mit ihrer direkten Pixel-Auslese lassen diese Effekte nicht zu. Zudem ist der fr\u00fchere Nachteil des hohen Grundrauschens verschwunden und CMOS Sensoren erreichen mit bis zu 1 – 2 e- ein hervorragend niedriges Dark Noise, also ein sehr niedriger Dunkelstrom sowie eine hohe Pixelhomogenit\u00e4t. Weitere technologische Innovationen wie die r\u00fcckseitige Belichtung des Sensors (Backside Illumination) und auf dem Chip aufgebrachte Mikrolinsenarrays zur Verst\u00e4rkung des einfallenden Lichts bewirken zus\u00e4tzlich, dass CMOS Sensoren im Vergleich zu CCD Sensoren heute bereits h\u00f6here Empfindlichkeiten erreichen. Aus dem Verh\u00e4ltnis der S\u00e4ttigung des Pixels und seiner Empfindlichkeit ergibt sich der Dynamikbereich eines Sensors und auch in diesem Bereich \u00fcbertreffen CMOS Sensoren mittlerweile die CCD Technologie mit Werten bis zu 80dB. Die hohe Empfindlichkeit im Zusammenspiel mit der um ein Vielfaches gesteigerten Geschwindigkeit ergibt eine deutliche Durchsatzsteigerung in Bildverarbeitungsanwendungen mit CMOS Sensoren.<\/p>\n3. Die dritte CMOS Generation bringt viele neue Vorteile<\/h2>\n
Nachdem Sony in seiner 2ten Global Shutter Generation weitere Verbesserungen in der Pixelarchitektur erreicht hat und zus\u00e4tzliche f\u00fcr Machine Vision Anwendungen relevante Funktionalit\u00e4t implementiert hat, gibt es in der neuen, 3ten Generation vor allem eine wesentliche Neuerung: Sony f\u00fchrt mit SLVS-EC (Scalable Low Voltage Signaling with Embedded Clock)<\/a> ein neues Sensor-Interface ein, das den stetig steigenden Anforderungen an Aufl\u00f6sung und Geschwindigkeit Rechnung tr\u00e4gt. Laut Brancheninsidern k\u00f6nnen die neuen Sensoren damit wahrscheinlich die doppelte eine Bandbreite im Vergleich zu den Sub-LVDS basierten Sensoren der 2ten Generation erreichen.<\/p>\n
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Mit ihren deutlich verbesserten Bildqualit\u00e4ten, Geschwindigkeiten und erweiterten Funktionalit\u00e4ten haben sich die modernen CMOS Sensoren zu dem grundlegenden digitalen Baustein eines Vision Systems entwickelt. Als Integrated Circuits k\u00f6nnen sie relativ einfach eindesignt und verbaut werden. Die Herausforderung f\u00fcr die Applikation liegt aber weniger im konkreten Einbau als in der Erreichung der bestm\u00f6glichen Bildqualit\u00e4t. F\u00fcr die korrekte Sensor-Auswahl und die Ausnutzung der vollen Sensorfunktionalit\u00e4t mit seinen Detail-Einstellungen k\u00f6nnen Entwickler und Ingenieure ![\"ccd_cmos_sensoren\"\/](\"https:\/\/framos.com\/wp-content\/uploads\/2024\/04\/ccd_cmos_sensoren-scaled.jpg\")
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Im Zusammenspiel mit der allgemeinen Miniaturisierung von Sensoren und elektronischen Bauteilen ist die CMOS Technologie zum Treiber der Bildverarbeitung avanciert. F\u00fcr die Zukunft ist weiter mit einem Mehr an Geschwindigkeit, Aufl\u00f6sung und vor allem einem h\u00f6heren Integrationsgrad der CMOS Sensoren in die Bildverarbeitungssysteme auszugehen. Sensoren werden bei steigender Bildqualit\u00e4t und Geschwindigkeit noch weniger Platz ben\u00f6tigen. Die Marktf\u00fchrer SONY, ON Semiconductor und auch Anbieter wie e2V arbeiten daran zus\u00e4tzliche Funktionalit\u00e4ten direkt auf dem Sensor zu integrieren. Je weniger Processing nachgelagert stattfinden muss, desto schneller kann die Applikation auf fertige Bilddaten zugreifen und Anlagen und Prozesse mit geringerem Aufwand steuern. Auch der Strombedarf und damit die Hitzeentwicklung werden weiter sinken. Die CMOS Technologie mit Ihren technischen Vorteilen und Weiterentwicklungen ist damit ein Treiber f\u00fcr Embedded Vision, neue industrielle Anwendungsfelder und die Integration der Bildverarbeitung in Robotik und Automatisierung, die Smart Factory und die digitalisierten Prozesse der Industrie 4.0.Entwickler und Anwender d\u00fcrfen gespannt sein, mit welche technischen Innovationen die Hersteller die n\u00e4chste Evolutionsstufe einl\u00e4uten.<\/p>\n