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FRAMOS Editorial: Warum Sony mit dem IMX174 alles richtig gemacht hat

FRAMOS Editorial: Warum Sony mit dem IMX174 alles richtig gemacht hat

Eine persönliche Empfehlung von Darren Bessette

Für Kamera-Entwickler und Unternehmen, die sich mit Bildverarbeitung befassen, stehen heutzutage eine Vielzahl von Sensoren zur Auswahl, welche entweder auf CCD- oder CMOS-Technologie basieren und die jeweiligen Vor- und Nachteile mit sich bringen. Mit der Einführung des IMX174 beginnt SONY nun die Linien zwischen diesen Technologien zu verwischen.

Darren_WebsiteA1JNK4zXW0L5lDer IMX174 ist ein 2.3 Megapixel Exmor basierter Global Shutter CMOS-Sensor (Pregius Serie), der mit einer sehr schnellen Bildrate von 164,5 fps bei 10 Bit und 128,2 fps bei 12 Bit arbeiten kann. Die mit 1920×1200 Pixel in HD-Qualität erzeugten Bilder (Seitenverhältnis 16:9), entsprechen von der Größe und Bildrate dem Großteil der heute erhältlichen Monitore und Fernsehgeräte. Entgegen dem Trend der mehrheitlich in Mobiltelefonen verwendeten kleinen CMOS-Sensoren, welche in Größen von 1/3“ und kleiner verfügbar sind und über eine 8MP Auflösung mit 1,5µm Pixeln verfügen, hat der IMX174 ein größeres optisches Format von 1/1.2″ (13,4 mm) Diagonale mit größeren quadratischen Pixeln (5,86 µm). Die Exmor-Technologie, mit ihren tieferen Pixeln und dem verbesserten Rauschverhalten, läßt den Sensor selbst unter schwachen Lichtbedingungen sehr gut performen. Das Bildrauschen beim Auslesen des IMX174 liegt mit <5 Elektronen deutlich unter vielen CCD-basierten Sensoren. Daher ist der Sensor ideal für Anwendungen, die sehr empfindlich auf Rauschen oder Bildaddierung reagieren, wie beispielsweise in der Astrofotografie.

Bei der Aufnahme von Planeten setzen Amateur- ebenso wie Profi-Astronomen auf Kameras, die schnell hintereinander tausende Bilder mit sehr geringem Rauschen aufnehmen können. Im Anschluss werden diese Bilder mithilfe von Spezialsoftware zusammengefügt um beispielsweise schöne Porträts des Mondes oder von Planeten wie Jupiter zu erhalten, in denen jeder Krater und jeder Berg im schärfsten Detail sichtbar ist. Kombiniert man diese Aufnahmegeschwindigkeit mit einem vollwertigen Global Shutter, erhält man einen Sensor, der es ohne zusätzlichen Aufwand ermöglicht, Objekte in bewegten Szenen stoppen zu können. Wenn mit bewegten Objekten, wie Autos auf einer Autobahn gearbeitet wird, sind traditionelle CMOS-Sensoren mit Rolling Shutter (Starvis Serie) nur wenig geeignet. Um diese Sensoren bei Verkehrs-/ANPR-Anwendungen zu verwenden, muss bei Rolling Shutter Sensoren die Blende optimal zugedreht, eine lange Belichtungszeit eingestellt und dann mit einem Blitzlicht das Auto genau in dem Moment beleuchtet werden, in dem der Shutter vollständig geöffnet ist. Dabei sieht die Kamera das Auto lediglich während dieses kurzen Moments, in welchem der Blitz aktiv ist. Eine Kamera mit Global Shutter beseitigt alle diese komplizierten Einstellungen und zudem können die Bilder schneller erfasst werden. Es müssen nur noch die passende Blende und der Blitz eingestellt werden, um die richtige Bildhelligkeit zu erhalten. Das Beste daran ist, dass dies bei der vollen Bildrate des Sensors geschehen kann, wodurch mehrere Bilder desselben Fahrzeugs mit verschiedenen Lichtquellen und unter verschiedenen Bedingungen aufgenommen werden können. Dadurch kann sichergestellt werden, dass mindestens ein Bild einen guten Blick auf das Nummernschild, die Insassen und die Farbe/Größe des Fahrzeugs liefert.

Die große Pixeltiefe dieses Sensors (32.000 Elektronen) in Verbindung mit den 12Bit des Analog-Digital-Wandlers (ADC) führen zu einem linearen dynamischen Bereich von 74dB. In der Realität ist das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) sogar näher bei 44,8 dB. Dies ermöglicht, dass fast 7,5 Bit für zusätzliche Bildbearbeitung zu Verfügung stehen, wenn das Rauschen entnommen wurde. Das ist wirklich exzellent für einen CMOS-Sensor und vorteilhaft für Anwendungen, bei denen die Belichtungszeiten sehr gering gehalten werden müssen. Sobald die Integrationszeit zu groß wird, macht sich normalerweise das Dunkelstromrauschen des Sensors bemerkbar. Die NIR-Reaktion des monochromen IMX174 ist sehr gut und bleibt selbst bei höheren Wellenlängen (20% QE bei 890nm) hoch. Damit arbeitet dieser Sensor selbst in heller Umgebung gut. Besonders die Farbtreue sticht hier mit guten Werten hervor. Die tieferen Pixel in Verbindung mit der großen Bit-Tiefe des ADC, machen den IMX174 zur perfekt Wahl, wenn kleinste Farb-Nuancen unterschieden werden sollen.

Seien wir ehrlich, SONY kennt sich mit Farberkennung aus!

Sie verstehen, wie die richtigen Farbpixel-Filter gewählt werden müssen, um perfekte Ergebnisse bei der Auftrennung des auf den Sensor auftreffenden Lichts in die RGB Bestandteile zu erhalten. Geschätzt wird dies zum Beispiel in quantitativen Farb-Anwendungen wie der Hellfeldmikroskopie, wo Techniker und Ärzte die tief purpurnen von schwarzen Flächen auf einem Hämatoxylin- und Eosin- (H&E) Fleck in menschlichen Lungengewebeproben unterscheiden müssen. Ein weiterer Bereich, in dem CMOS-Sensoren in der Regel schwach sind, sind Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit, niedriger Belichtung und geringer Lichtausbeute. Der SONY IMX174 adressiert diese Schwäche in zweierlei Hinsicht sehr gut. Erstens wird ein großer Verstärkungsbereich in dem On-Board ADC bereitgestellt. Die Verstärkung wird dadurch in zwei Stufen durchgeführt – eine 0-24dB (1-16x) analoge und eine ähnliche, 0-24dB (1-16x) digitale Verstärkung. Bei Kombination beider Verstärkungen liefert der Sensor bis zu 48 dB (1-256x) Verstärkung um ein dunkles und kurz belichtetes Foto perfekt aufhellen zu können. Wenn das nicht genug ist, kann der Sensor in einem Doppelbelichtungsmodus laufen. In diesem Modus können zwei Integrationszeiten in den Sensor vorprogrammiert werden wobei der Sensor mit jedem Trigger-Eingang automatisch zwei Bilder bei zwei unterschiedlichen Belichtungswerten aufnimmt. Diese Funktion wird oft verwendet um HDR Bilder zu erstellen (High Dynamic Range) indem beide Bilder zusammengeführt werden. Dies ermöglicht, dass gleichzeitig herausragende Details in den dunklen sowie hellen Bereichen gezeigt werden können.

Auch wenn die Gesamtbildrate in diesem Modus auf die Hälfte reduziert wird, stellen diese die Bilder einige der besseren heute auf dem Markt verfügbaren CCD-Sensoren in den Schatten. Die Gesamtkosten eines Kamerasystems, welches den IMX174 integriert, sind sehr viel geringer als bei einer vergleichbaren CCD basierten Lösung. Zusätzlich bietet ein System mit dem IMX174 höhere Bildraten. Ein weiterer Vorteil gegenüber einem vergleichbaren CCD ist, dass mit dem IMX174 bis zu 16 unterschiedliche Bild-Ausschnitte „Region of Interest (ROI)“ ausgelesen werden können. Die meisten Sensoren unterstützen lediglich einen ROI und mit Ausnahme einiger Fälle gibt es keine Erhöhung der Geschwindigkeit, wenn die Größe des Bildes reduziert wird. In diesem Fall kann der Sensor mehrere ROI auf der Sensorebene zuschneiden und nur spezielle Bereiche auslesen, was die Auslesezeit weiter beschleunigt.

Dieses Vorgehen ist unter anderem in der Fabrikautomation sinnvoll, wo Bauteile auf Förderbändern bewegt werden. Beispielsweise kann ein Produkt-Barcode auf einem Förderband an bestimmten Stellen im immer gleichen Blickfeld der Kamera entlanglaufen. In diesem Fall kann ein gewünschter ROI eingestellt werden wodurch der Sichtbereich eingegrenzt werden kann und die Bildrate der Kamera so erhöht wird, dass die Objekte bei gleicher Bildqualität schneller an der Kamera vorbeilaufen können. Der Produktionsprozess wird somit insgesamt beschleunigt. In diesem Text wurden nur ein paar Beispiele aufgeführt, bei denen dieser Sensor einen erheblichen Vorteil zur Konkurrenz hat. Es gibt viele weitere Einsatzgebiete wo es sinnvoll ist, anstelle eines höherpreisigen CCD Sensors, den Sony IMX174 zu integrieren. Natürlich ist der Sensor nicht für jede Anwendung geeignet. Er sollte aber auf jeden Fall für Anwendungen in Betracht gezogen werden, bei denen ein oder mehrere der folgenden Kriterien erforderlich sind:

  • Hohe Geschwindigkeit
  • 2K große Bildgröße (Full-HD-Format)
  • Kamera und / oder Zielbewegung
  • Hochwertige Farbwiedergabe
  • HDR
  • Preis-Leistungs-Verhältnis
  • Multiple ROI

 

Wenn die Anwendung mind. eine der oben genannten Anforderungen erfüllt, empfehlen wir zu prüfen, ob der IMX174 der richtige Sensor dafür ist.  Darren Bessette, Engineering Services Manager bei FRAMOS Technologies Inc. Darren Bessette hat über 15 Jahre Erfahrung in der Entwicklung, Produktion und Unterstützung von Bildverarbeitungslösungen. Seine Erfahrung umfasst alle Aspekte der Bildverarbeitung, einschließlich Software und Hardware-Design, Bildquantifizierung, Kalibrierung, Verarbeitung, Optik und Beleuchtung.

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