CMOS-Sensoren sind jetzt auch ein ausgezeichneter Ersatz für hochauflösende CCD‘s

CMOS-Sensoren sind jetzt auch in extrem hohen Auflösungen bis zu 150 MP erhältlich. Entwickler profitieren von höherer Qualität, Geschwindigkeit, besseren Preisen und einer beschleunigten Entwicklungszeit.

CMOS-Bildsensoren sind in der Bildverarbeitung längst die neue Normalität. Nun ja, fast… Für High-End-Anwendungen mit einer Auflösung von über 50 Megapixeln benötigten Anwender nach wie vor CCD-Bildsensoren, um hochqualitative Bilder zu erfassen. Inzwischen sind jedoch auch CMOS-Sensoren in solch hoher Auflösung verfügbar – und bieten Entwicklern anspruchsvoller Anwendungen zahlreiche Vorteile in puncto Qualität, Geschwindigkeit, Preis und Time-to-Market.

Die Abkündigung der Sony-CCD-Sensoren ermöglichte erstmals einen risikofreien Umstieg auf CMOS-Sensoren in allen Anwendungen mit einem zuverlässigen 10-Jahres-Übergangsfenster. Diese Entwicklung hat die CMOS-Entwicklung auf ein neues Level gehoben und die gesamte Vision-Branche verändert. Im Laufe der Jahre verbesserte sich die CMOS-Qualität hinsichtlich sämtlicher Sensorkriterien stetig, so dass sie als vollwertiger CCD-Ersatz einsetzbar wurden. Nur für Anwendungen ab 50 Megapixel oder darüber gab es bisher kein Äquivalent. Nun ist die Zeit reif, dass auch Vision-Ingenieure für extrem hohe Auflösungen die CMOS-Vorteile hinsichtlich Implementierung und Leistung nutzen können.

Neue hochleistungsfähige CMOS-Bildsensoren

Die kürzlich vorgestellte hochauflösende Sensorreihe von SONY, die in Abbildung 1 dargestellt ist, bietet eine Auflösung von bis zu 150 Megapixel. Mit Pixelgrößen von 3,76µm und 4,6µm können Bildraten von 6 fps@14bit bei voller Auflösung erreicht werden, bei 4K sind bis zu 30 fps möglich. Die hochauflösenden Bildsensoren verwenden Mikrofabrikationstechnologien zur Verbesserung der Bildqualität, verfügen über eine High Dynamic Range Funktion (HDR) und bieten eine sehr genaue Abbildung der Farbabstufung basierend auf einem hochauflösenden AD-Wandler mit bis zu 16 Bit. Im Vergleich zu CCD-Sensoren bieten die neuen Sensoren eine hohe Bildgleichmäßigkeit, was für High-End-Inspektionsaufgaben entscheidend ist; eine Anwendung, bei der CCDs in der Vergangenheit Vorteile zeigten.

Abbildung 1: Format und Auflösung der extrem hochauflösenden SONY-Sensoren

Der IMX161 und der IMX211 verfügen über einen LVDS-Ausgang mit 8 Lanes, während die weiteren hochauflösenden Sensoren Sony‘s neueste Schnittstelle SLVS-EC, um die große Menge an erfassten Daten mit Hochgeschwindigkeit zu übertragen. Die maximale Ausgangsleistung beträgt dabei 18,4 Gbps auf 8 Lanes respektive 2,3 Gbps 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 übertragenen Daten werden von der Hardware, einem ASIC, FPGA oder ähnlichem Logikblock empfangen, der die Taktung aus dem Signal zurückgewinnt und anschließend auf den ursprünglichen Datenstrom anwendet, um diesen korrekt abzutasten. Dies führt zu einer verbesserten Zeitsteuerung und erlaubt in Verbindung mit einem FPGA die schnelle Onboard-Verarbeitung für intelligente Bildverarbeitungsaufgaben.

Abbildung 2: Merkmale der extrem hochauflösenden SONY-Sensoren

Diese extrem hochauflösenden Sensoren eignen sich ideal für High-End-Anwendungen im ITS-Sektor sowie für die Verkehrsüberwachung, zur Robotersteuerung, für eine extrem präzise industrielle Inspektion (wie z. B. die Qualitätsprüfung von Displays) und die Aufnahme von Luftbildern mit Drohnen. Die genauere Bilderfassung spart Zeit und Ressourcen bei sämtlichen Inspektionsaufgaben. Dies senkt nicht nur die Kosten, sondern erhöht auch die Sicherheit. Und diese kann nun auch mit High-End-CMOS-Geräten erzielt werden.

CMOS-Implementierung spart Zeit und Aufwand
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 über einen A/D-Wandler, korrelierte Doppelabtastung, digitale Schnittstellen und eine integrierte Sensorsteuerung verfügt – und das alles auf einem einzigen Chip. In der CCD-Welt sind dies jeweils separate Komponenten, die von einem Fachmann zusammengestellt werden müssen. Daher erfordert die CCD-Bildverarbeitung spezielle Kenntnisse, Zeit und entsprechende Fähigkeiten. Die CMOS-Implementierung geht schneller und einfacher. Im Prinzip sollte jeder fundiert ausgebildete Ingenieur in der Lage sein, eine CMOS-Kamera zu bauen. Dies verkürzt die Entwicklungszyklen und die Time-to-Market für Geräte auf CMOS-Basis. Machen wir uns nichts vor: Im digitalen Zeitalter mit seinen kurzen Produktlebenszyklen und Entwicklungszeiten bedeutet dies das Aus für CCD-Sensoren.

Technologische Trends beschleunigen den Erfolg der CMOS-Sensoren. Die kleineren Pixel erlauben miniaturisierte Designs, die wiederum zum Erfolg von Embedded-Vision-Lösungen in sämtlichen industriellen und Consumer-Anwendungen beitragen. Darüber hinaus punkten CMOS-Sensoren mit besonders günstigen Preisen – und preiswerteren Objektiven und Zubehörteilen obendrein. Allerdings fragt man sich unweigerlich, welchen Pferdefuß das Ganze denn nun hat. Keinen! Denn CMOS-Bildsensoren bieten gleichzeitig enorme Verbesserungen für die Bildqualität.

Leistung ohne Wenn und Aber
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 höheren Geschwindigkeit und einer außergewöhnlichen Bildqualität zu kombinieren. Bewegte Objekte können damit gleichzeitig erfasst werden – ohne Artefakte und mit verbesserter Schärfe. Außerdem 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.

Durch die Fortschritte in der Fertigung ist zusätzlich ein deutlich besseres Verhältnis zwischen Sensorgröße und lichtaktiver Pixelfläche (Fill Factor) möglich und somit indirekt eine maximale Nutzung des einfallenden Lichts. In Verbindung mit anderen Faktoren wie der rückseitigen Beleuchtung zeichnen sich CMOS-Sensoren daher durch eine hohe Auflösung, Empfindlichkeit und Quanteneffizienz, einen hohen Dynamikbereich und ein extrem geringes Rauschen aus. CMOS-Sensoren können inzwischen sogar in Anwendungen mit schwachen Lichtverhältnissen eingesetzt werden und bieten auch dort eine sehr gute Bildqualität. Außerdem 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.

Trotz all dieser Vorteile mussten Vision-Ingenieure bei Anwendungen, die extrem hohe Auflösungen erfordern, bislang den besonderen Implementierungsaufwand für CCD-Sensoren auf sich nehmen und deren Grenzen akzeptieren. Jetzt haben CMOS-Sensoren alle Aspekte der CCD-Technologie übernommen und bieten viele Vorteile, die darüber hinaus die Performance extrem steigern und die Weiterentwicklung der gesamten Vision-Industrie beeinflussen.

Werkzeuge und Support für eine erfolgreiche CMOS-Implementierung
Mit ihrer enorm verbesserten Bildqualität, der maximierten Geschwindigkeit und den erweiterten Funktionen haben sich moderne CMOS-Sensoren zur wichtigsten digitalen Komponente sämtlicher Vision-Systeme entwickelt. Inzwischen gilt dies sogar für Einsatzbereiche mit extrem hohen Auflösungen. Wie bereits erwähnt wurde, lassen sich die integrierten Schaltungen relativ einfach konzipieren und entwickeln. Die Herausforderung bei der Anwendung besteht jedoch darin, mit den Einstellungen der bestehenden Geräte und Komponenten eine bestmögliche Bildqualität zu erzielen – insbesondere wenn es darum geht, die extrem hohe Auflösung für das Erzielen bestmöglicher Analyseergebnisse zu nutzen. Evaluation-Boards und Reference Design Kits (RDKs) helfen, den richtigen Sensor auszuwählen und mithilfe seiner Detaileinstellungen dessen vollständigen Funktionsumfang zu nutzen. RDKs mit Gerber-Dateien, Sensor-Boards mit vorgefertigten Designs und fertige IP-Blöcke erlauben es, direkt auf dem Sensor zu arbeiten und dessen Eignung für die gewünschte Anwendung und die erforderliche Bildqualität zu prüfen.

Zudem gibt es weitere Tools, um gängige Fehler zu vermeiden: Um die Entwicklungszyklen zu verkürzen 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‘s, deren Kernkompetenz nicht im Bereich der Bildverarbeitung oder Kameratechnologie liegt, können sich damit auf ihre Kernkompetenzen fokussieren, auf die Unterstützung externer Fachleute zurückgreifen und so dennoch ausgereifte Bildverarbeitungslösungen in ihre Geräte implementieren.