Interview: Der Trend geht zu CMOS-Bildsensoren

Daniel Diezemann, Senior Vision Consultant
In den vergangenen Jahren haben CMOS-Bildsensoren in Industriekameras stark an Marktanteil gegenüber CCD-Bildsensoren gewonnen. Daniel Diezemann, Senior Vision Consultant bei IDS Imaging Development Systems, informiert über Vor- und Nachteile sowie die Zukunft von CCD- und CMOS-Sensoren.
 
Markt&Technik: Sony als CCD-Marktführer hat angekündigt, die Produktion von CCD-Sensor-Wafern im März 2017 einzustellen, wobei der Assembly-Prozess für die in ihr Gehäuse gepackten Bausteine aber bis März 2020, für »High-Runner« und einige Medical-CCDs sogar bis Anfang 2026 weitergehen soll. Welche Ursachen hat Sonys Schritt, und wie begründet das Unternehmen ihn?

Daniel Diezemann: Sony ist der Marktführer für CCD-Sensoren, die Produktionszahlen aber stagnieren seit Jahren. Im CMOS-Sektor dagegen explodieren die Stückzahlen regelrecht. Dazu trägt nicht nur Apple als einer der Hauptabnehmer bei. Sony muss seine Produktionskapazitäten an diesen Wandel anpassen, und so liegt es nahe, die eigene CCD-Fertigung samt der dort tätigen Spezialisten auf CMOS umzurüsten statt ein neues Werk zu bauen. Diese Entwicklung überrascht uns aber nicht. Wir haben uns schon 2011 dazu entschlossen, in neue Kameramodelle nur noch CMOS-Sensoren zu integrieren.


Haben die anderen CCD-Sensorhersteller bereits in irgendeiner Form auf Sonys Schritt reagiert?

Kodak hat sein CCD-Sensor-Portfolio schon vor drei Jahren als »Truesense Imaging« ausgegliedert und an einen Finanzinvestor verkauft. Dieser hat Truesense Imaging im vergangenen Jahr an ON Semiconductor weiterveräußert.


Gibt es für CCD-Sensoren tatsächlich keine Zukunft mehr?

Sony selbst hat mit der neuen CMOS-Serie »Pregius« gezeigt, dass die seit Jahrzehnten bewährten Details eines CCD-Sensors durchaus auch in die CMOS-Welt passen. Der erste Sensor dieser Reihe, der IMX174, zeigt Eigenschaften, die wir schon beim Pixel-Aufbau von CCD-Sensoren gesehen haben. Sony hat es geschafft, ein fast rauschfreies Pixel zu entwickeln, in dem die Storage Node - die Speicherzelle für die Pixel-Spannung am Ende der Belichtungszeit - direkt an der Photodiode liegt. Ein Transistor dazwischen, der zusätzliches Rauschen verursacht, ist nicht mehr erforderlich. Zudem ist die Storage Node so tief vergraben und vom Licht abgeschirmt, dass hier eine exzellente Shutter-Effizienz erreicht wird.

Dies ermöglicht Außenaufnahmen bei hellstem Sonnenlicht ohne Geisterbilder sowie extreme Low-Light-Applikationen. Auch mit maximalem Gain sind die Bilder noch auswertbar. All das haben wir vermessen und dabei mit unseren CMOS-Kameras Werte erreicht, die die Modelle mit dem CCD-Referenzsensor ICX285 locker schlagen. Sony hat hier die gesamte CCD-Erfahrung in ein neues Produkt fließen lassen. Dank kostenloser Demo-Boards, einem zeitnahen Support und hervorragenden technischen Unterlagen konnte IDS in Rekordzeit einen lauffähigen Kamera-Prototypen mit dem neuen IMX174-Sensor entwickeln.


Welche Vorteile können CCD-Sensoren noch für sich in Anspruch nehmen, wenn man sie mit der modernsten Generation von CMOS-Sensoren vergleicht? Oder anders gefragt: Gibt es Anwendungen, für die Sie nach wie vor ein Kameramodell mit CCD-Sensor empfehlen würden?

CCD-Sensoren, das muss man leider sagen, haben bei den meisten neuen Projekten verloren. Dabei spielen nicht nur die absehbare Zeitspanne der Verfügbarkeit eine Rolle, sondern auch die höheren Herstellkosten, die niedrigere Geschwindigkeit und weitere bildtechnische Eckdaten. Vom technischen Aufwand der Ansteuerung mal ganz abgesehen. Mittlerweile sind Kameras mit CMOS-Sensoren so gut geworden, dass es für die meisten Anwendungen schlicht kein stichhaltiges Argument mehr für CCD-Kameras gibt. Lediglich in der Langzeitbelichtung oder wenn besonders homogene Bilder erforderlich sind, können sie noch punkten.

Zu den Nachteilen von CMOS-Sensoren zählen eine geringere Lichtempfindlichkeit und ein reduzierter Dynamikumfang. Die modernen Sensoren haben hier aber aufgeholt.


Inwieweit fallen die beiden genannten Nachteile bei der modernsten Generation von CMOS-Sensoren noch ins Gewicht?

Wir bauen momentan etwa 35 verschiedene CMOS-Sensoren in unsere Kameras ein. Jeder Sensor hat natürlich spezifische Stärken und Schwächen. Wenn Sie aber unsere EMVA-1288-Messergebnisse ansehen, schneiden die CMOS-Versionen im Vergleich zu den CCD-Varianten meist deutlich besser ab - sei es in der Dynamik, im Rauschverhalten oder in der Sensitivität. Auch die Quanteneffizienz, besonders im hohen IR-Bereich, erschließt viele neue Anwendungsgebiete.

Global-Shutter: Auch bei CMOS-Bildsensoren leistungsfähig

Dank Global-Shutter eignen sich CCD-Sensoren sehr gut für Applikationen mit schnell bewegten Objekten. Wie sieht es da bei CMOS-Sensoren aus? Worin unterscheidet sich der bei CCD-Sensoren per se vorhandene Global-Shutter vom in manchen CMOS-Sensoren integrierten Global-Shutter – technisch und von der Wirkung her?

Der Unterschied im Global-Shutter zwischen einem CCD- und einem CMOS-Sensor ist marginal. Am Ende jeder globalen Belichtung muss der Pixel-Wert im Pixel selbst gespeichert werden, weil ja letztlich immer sequenziell ausgelesen wird - bei CCD pixelweise, bei CMOS inzwischen durch die Spalten-A/D-Wandler zeilenweise. Der CMOS-Sensor kann die Information direkt adressieren, der CCD-Sensor muss alles über die Chipfläche bis zum Ausgang schieben. Und das ist bei viel Licht ein großer Nachteil, weil man hier nicht genügend abschirmen kann. Smear und Blooming sind die unerwünschten Effekte, die beim CMOS-Sensor nicht auftreten.

Mittlerweile verwenden manche Kunden auch Rolling-Shutter-Sensoren, wenn Bewegung im Spiel ist und besonders bei hohen Auflösungen. Meist ist das nur eine Aufgabe für unsere Systemberatungs-Abteilung, eine passende Lösung zu finden. CMOS-Sensoren werden immer schneller, und dank dem USB-3.0-Interface erreichen unsere Kameras sehr hohe Bildraten und entsprechend geringe Rolling-Shutter-Effekte.


Die zweite Hälfte der Kamera ist ja bekanntlich die Software. Welche Rolle spielt sie für den Erfolg der CMOS-Sensoren?

Der Erfolg eines Sensors hängt von vielen Faktoren ab, gerade auch von der Software. Erst mit einer leistungsstarken Treiber-Software lassen sich die Features eines Sensors voll ausschöpfen und das Einsatzspektrum erweitern.

Unser Ziel ist es daher, alle Sensor-Leistungsmerkmale, die einen Mehrwert für Kunden bieten, in unseren Kameras auch tatsächlich nutzbar zu machen. Im Gegensatz zu den meisten Wettbewerbern bieten wir daher neben den USB Video Class- und USB3 Vision-Versionen unsere Industriekameras auch mit dem klassischen Software Development Kit an, erhältlich für Windows, Linux und Linux Embedded. Nur damit lassen sich die Sensor-Features vollumfänglich implementieren, und wir sind damit auch deutlich schneller am Markt, als dies etwa mit USB3 Vision möglich wäre - sofern ein bestimmtes Feature überhaupt seinen Weg in den Standard findet.


Welche besonderen Features, die das Potential moderner CMOS-Sensoren erschließen, bietet die Treiber-Software von IDS denn?

Der Multi-Integration-Modus für Mehrfachbelichtungen innerhalb eines Bildes ist hier als Beispiel zu nennen. Er ermöglicht innerhalb der eingestellten Belichtungszeit sehr kurze Teilbelichtungszeiten, mit denen auch schnell bewegte Objekte erfasst werden können. Wir eröffnen CMOS-Kameras damit neue Anwendungsfelder in Intelligent Transportation Systems oder in Sport und Medizin, wo etwa bei Bewegungsanalysen bisher teure Highspeed-Kameras zum Einsatz kamen. IDS ist der erste Kamerahersteller weltweit, der mit dem 2-Megapixel-Sensor EV76C570 von e2v solche Mehrfachbelichtungen pro Aufnahme ermöglicht.

Auch einen Line-Scan-Modus haben wir für verschiedene CMOS-Modelle integriert. Mit ihm lässt sich eine Flächenkamera wie eine Zeilenkamera betreiben; es können also nicht nur Bilder, sondern auch Zeilen getriggert werden. CMOS-Kameras werden damit zur preisgünstigen Alternative für die Inspektion von Endlosbahnen.

Langzeitbelichtungen, eigentlich eine Domäne der CCDs, gelingen mit CMOS-Sensoren ebenfalls: Der IMX174 von Sony ermöglicht bis zu 30 Sekunden. Die Liste ließe sich noch weiter fortsetzen. Für Anwender ist außerdem wichtig, dass unsere Treiber-Software für alle unsere Kameras identisch ist, egal ob mit USB-2.0-, USB-3.0- oder GigE-Anschluss. Dies gestattet den Mischbetrieb von Kameras mit unterschiedlichen Schnittstellen, aber auch den Modellwechsel. Die Software ist abwärtskompatibel und Remote-Update-fähig. In dem SDK sind außerdem viele Demos und Tools zur optimalen Einrichtung und Parametrierung der Kameras enthalten.


Welche Innovationen bei CMOS-Industriekameras sind von IDS in naher Zukunft zu erwarten?

Sowohl von Sony als auch von ON Semiconductor dürfen wir mit weiteren Neuheiten an der Sensorfront rechnen. Auch die kleineren Sensorhersteller werden reagieren und mit interessanten Entwicklungen aufwarten. Als Kamerahersteller stehen wir mit allen Anbietern in engem Kontakt. Mehr möchten wir aber noch nicht verraten.

 
Dieses Interview führte Andreas Knoll, http://www.elektroniknet.de

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