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Die CMOS Technologie erreicht neuen Höhepunkt als Treiber der Bildverarbeitung und Automatisierung

Die CMOS Technologie erreicht neuen Höhepunkt als Treiber der Bildverarbeitung und Automatisierung

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Mit der Abkündigung der bis dahin wegweisenden CCD Technologie hat SONY 2015 eine neue Ära eingeläutet: Verglichen mit der Menschheitsgeschichte ist die analoge CCD Technologie der Neandertaler unter den Bildsensoren. Digitale CMOS Sensoren stehen für den modernen Homo Sapiens. Diese erreichen mit der 3. Generation einen neuen Höhepunkt der Evolution.

Es waren hauptsächlich wirtschaftliche Gründe, die SONY zur Aufgabe seiner CCD-Produktionslinien und der komplexen CCD-Herstellung bewogen haben. Doch Darwins Evolutionsgesetz greift auch bei Bildsensoren: Die überlebensfähigste und stärkste Art setzt sich durch. Qualitativ haben CMOS Sensoren die CCD Technologie in Teilen bereits sogar überholt – mit geringem Rauschverhalten, hoher Empfindlichkeit und hohen Bildraten erreichen sie auch für anspruchsvolle Applikationen vergleichbare oder bessere Werte. Die günstigeren Produktionsbedingungen schlagen sich in einem deutlich verbesserten Preis-Leistungsverhältnis nieder. Zusätzlich bieten CMOS Sensoren eine höhere Funktionsvielfalt, einen geringeren Energieverbrauch und sind flexibler im industriellen Einsatz.

 

1. Direktes Ausleseverfahren ebnet CMOS den Weg

ccd_cmos_auslesetechnikDie evolutionäre Weiterentwicklung der CMOS Sensoren liegt im Auslesemechanismus der Pixel begründet. Jeder Flächensensor 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 über horizontale und vertikale Shift-Register zu einem Ausleseverstärker außerhalb des aktiven Bereichs geleitet. Dort werden die Pixelladungen zentral ausgelesen und zu einer analogen Spannung gewandelt. Die CMOS Technologie dagegen liest jeden Pixel direkt über am Pixel liegende Transistoren aus. Das Signal wird über den Read Out Circuit umgewandelt, rauscharm digitalisiert und schließlich über LVDS Drähte (Low Voltage Differential Signaling) parallel übertragen.

Das dezentrale Auslesen der CMOS-Pixel war lange ein Nachteil: der genaue Auslesewert am Pixel ist von der physikalischen Ausprägung der pixelindividuellen Transistoren abhängig. Da diese aber in der früheren CMOS-Geschichte immer leichte Unterschiede aufwiesen, wurde ein hohes „Fixed Pattern Noise“ erzeugt. Das erhöhte Grundrauschen sorgte außerdem für eine schlechte Empfindlichkeit. Zusätzlich waren die Transistoren im Vergleich zur Pixelgröße relativ groß. Bei 3 notwendigen Transistoren um einen Rolling Shutter und 5 bis 6 Transistoren um einen Global Shutter zu realisieren, führte dies zu einer relevanten Verringerung der aktiven Pixelfläche und somit zu einer wesentlichen Verringerung der Lichtleistung. Der hohe Platzbedarf der Transistoren ging zu Lasten der Bildqualität und Empfindlichkeit. Lange lag der Entwicklungsfokus daher auf schnellen Rolling Shutter Sensoren. Aber genau hier lag die evolutionäre Begrenzung der damaligen CMOS Technologie und teilweise auch der Bildverarbeitung für 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 für schnell bewegte Prozesse in Echtzeit und eine hervorragende Bildqualität.

 

2. CMOS schafft den nächsten Entwicklungsschritt mit Bildqualität und Geschwindigkeit

ccd_cmos_sony-imxDer entscheidende Schritt für die CMOS Evolution lag in der Kombination der Bildaufnahme nach dem Global Shutter Prinzip und deutlich gesteigerter Geschwindigkeit sowie hervorragender Bildqualität. Mit der Entwicklung seiner 1ten Global Shutter Generation, dem IMX174, hat SONY erstmalig diesen Durchbruch geschafft und damit die Voraussetzungen für 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-Verzögerung zwischen den Pixellinien auf. Sich schnell bewegende Objekte können durch die gleichzeitige Bildaufnahme mit Global Shutter ohne Artefakte und mit hoher Schärfe abgebildet werden.

Nicht 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 herkömmlichen CCD Sensoren. Während früher die zu erreichenden Frames per second (fps) die Anwendung limitierten, sind mit der CMOS Technologie sehr hohe Bildraten möglich und die Schnittstellen stellen die Hauptbegrenzung für die maximale Geschwindigkeit dar.

Die fortschreitende Miniaturisierung der Transistoren in Verbindung ermöglicht zudem ein stark verbessertes Verhältnis zwischen Sensorgröße und aktiver Pixelfläche (Full-Well-Kapazität oder Fill Faktor), und einer maximalen Verwertung des einfallenden Lichts, also der Maximierung des Verhältnisses zwischen der Anzahl der auf den Sensor treffenden und tatsächlich umgewandelten Photonen. Heute können CMOS Sensoren auch in lichtarmen Applikationen eingesetzt werden und erreichen eine sehr gute Bildqualität. Ein wichtiger Vorteil der CMOS Technologie zeigt sich zudem bei extrem hohen Lichteinfall, z.B. im direkten Sonnenlicht oder bei Reflexionen. CCD-Pixel geben überschüssig umgewandelte Elektronen an ihre Nachbarpixel ab (Überlauf) oder reichen diese auch nach bereits erfolgter Belichtung weiter. So entstehen für die Bildanalyse negative Blooming- oder Smearing-Effekte. CMOS-Sensoren mit ihrer direkten Pixel-Auslese lassen diese Effekte nicht zu. Zudem ist der frühere 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 Pixelhomogenität. Weitere technologische Innovationen wie die rückseitige Belichtung des Sensors (Backside Illumination) und auf dem Chip aufgebrachte Mikrolinsenarrays zur Verstärkung des einfallenden Lichts bewirken zusätzlich, dass CMOS Sensoren im Vergleich zu CCD Sensoren heute bereits höhere Empfindlichkeiten erreichen. Aus dem Verhältnis der Sättigung des Pixels und seiner Empfindlichkeit ergibt sich der Dynamikbereich eines Sensors und auch in diesem Bereich übertreffen 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.

 

3. Die dritte CMOS Generation bringt viele neue Vorteile

Nachdem Sony in seiner 2ten Global Shutter Generation weitere Verbesserungen in der Pixelarchitektur erreicht hat und zusätzliche für Machine Vision Anwendungen relevante Funktionalität implementiert hat, gibt es in der neuen, 3ten Generation vor allem eine wesentliche Neuerung: Sony führt mit SLVS-EC (Scalable Low Voltage Signaling with Embedded Clock) ein neues Sensor-Interface ein, das den stetig steigenden Anforderungen an Auflösung und Geschwindigkeit Rechnung trägt. Laut Brancheninsidern können die neuen Sensoren damit wahrscheinlich die doppelte eine Bandbreite im Vergleich zu den Sub-LVDS basierten Sensoren der 2ten Generation erreichen.

 

  1st Gen. 2nd Gen. 3rd Gen.
Pixelgröße 5,89µm

3,45µm
  6,9µm
4,5µm
   9µm
Interface Sub-LVDS-8CH Sub-LVDS-16CH SLVS-EC-8lanes
& SLVS 8CH
Bit-Tiefe “10/12” “8/10/12” Coming
Sättigung 30000e- 11000e- Coming
Ausleserauschen 5e- 2e- Coming
Dynamikbereich 75dB 74dB Coming
Max. Output 4,7 Gbps 9,5 Gbps Coming

 

Die 1. Generation SONY CMOS Global Shutter setzte mit dem IMX174 einen ersten Standard, der im Bildverarbeitungsmarkt ein fulminantes Echo bekam. Plötzlich konnten Applikationen in einer Bildqualität und Geschwindigkeit realisiert werden, die mit der CCD Technologie nicht denkbar gewesen war. Mit 5,86µm Pixelfläche wurde bereits in der First Generation eine sehr hohe Sättigung von 30.000e- erreicht, so dass der Dynamikbereich „trotz“ des noch hohen Ausleserauschens von 5e- bereits 75 dB erklamm. In der 2. Generation hat SONY dann die Anforderungen aus dem Machine Vision Bereich in den Fokus gesetzt.  Die zusätzliche Bit-Tiefe von 8 Bit benötigt weniger Bandbreite, die doppelte Anzahl an Channels bewirkt eine Verdopplung der Output-Geschwindigkeit auf 9,5 Gbps. Zusätzlich wurden auch erweitere Funktionalitäten wie zusätzliche Trigger-Modi integriert. Mit einer verkleinerten Pixelgröße von 3,45µm verringert sich zwar die Sättigung auf 11.000e-, gleichzeitig sorgt das signifikant auf 2e- gesunkene Ausleserauschen der 2. Genration CMOS Global Shutter einen gleichbleibend hohen Dynamikwert von 74dB.

Die Neuerungen der 3. Generation werden voraussichtlich erneut deutliche Verbesserungen bringen, die sich insbesondere auf die Bildqualität und Geschwindigkeit auswirken sollen. Vor allem Applikationen mit bewegten Objekten wie beispielsweise laufenden Produktionsstraßen, Robotikanwendungen und im ITS- und Automotive-Bereich werden mit einer Performancesteigerung durch eine verbesserte Detektionsqualität profitieren. Die erneute Anhebung der Pixelgröße wird eine deutliche Steigerung der Sättigung gegenüber der zweiten Generation bringen und wahrscheinlich annähernd die Werte der ersten Generation erreichen. Im Zusammenspiel mit einem anzunehmend niedrigen Ausleserauschen wird die maximale Dynamik möglicherweise sogar einen neuen Höchstwert im Vergleich zur ersten und zweiten Generation hervorbringen. Damit ist eine verbesserte Hell-Dunkel-Detektion auch bei schwierigen Lichtverhältnissen umsetzbar. Basierend auf den verschiedenen Qualitätsverbesserungen wäre die Übertragung der damit gesteigerten Bilddaten mit nochmals erhöhter Geschwindigkeit mit bisherigen Standard-Interfaces nicht mehr abbildbar. SONY hat daher den SLVS-EC Standard mit 8 Kanälen entwickelt, der die maximale Output-Geschwindigkeit im Vergleich zur 2. Generation wahrscheinlich annähernd verdoppelt.

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*Source: Sony

 

4. Erfolgreiche CMOS Implementierung braucht Detailwissen

ccd_cmos_rdk-imx174Mit ihren deutlich verbesserten Bildqualitäten, Geschwindigkeiten und erweiterten Funktionalitäten haben sich die modernen CMOS Sensoren zu dem grundlegenden digitalen Baustein eines Vision Systems entwickelt. Als Integrated Circuits können sie relativ einfach eindesignt und verbaut werden. Die Herausforderung für die Applikation liegt aber weniger im konkreten Einbau als in der Erreichung der bestmöglichen Bildqualität. Für die korrekte Sensor-Auswahl und die Ausnutzung der vollen Sensorfunktionalität mit seinen Detail-Einstellungen können Entwickler und Ingenieure Evaluation Boards und passende Reference Design Kits (RDKs) einsetzen. Mit RDKs inklusive Gerber Files, Sensor Boards mit vorgefertigten Designs und fertigen IP-Blöcken kann direkt am Sensor gearbeitet und an seinen Einstellungen für die gewünschte Applikation und geforderte Bildqualität gearbeitet werden.

Gerade Firmen, die ein eigenes Design entwickeln, können fertigen IP Packages und Beratung durch Bildverarbeitungsexperten Standardfehler vermeiden, Entwicklungszyklen verkürzen und so eine schnellere Implementierung und Time-to-Market erreichen. Hersteller oder OEMs, deren Kernkompetenz nicht in der Bildverarbeitung oder Kameratechnik liegt, können mit Hilfe von externen Experten Ihren originären Fokus halten und dennoch ausgereifte Imaging Lösungen in Ihre Geräte implementieren. Zusätzlich können die Bildverarbeitungsexperten auch bei der Auswahl aller weiteren Systemkomponenten, wie beispielsweise passender Optiken, unterstützen und damit ein perfekt harmonierendes Komplettpaket zusammenstellen. 

 

5. Höhere CMOS Bildqualität und Geschwindigkeit treibt technischen Fortschritt

Gut abgestimmte Komponenten sind eine Grundvoraussetzung für den Erfolg der „embedded“ Bildverarbeitung in der industriellen Digitalisierung. Mit der steigenden Leistung von Prozessoren und Sensoren und einer günstigen Verfügbarkeit hat die Bildverarbeitung heute weitaus mehr Kapazität um Bilder besser zu analysieren und zu interpretieren. In der Industrie 4.0 unterstützt künstliche Intelligenz mit Deep Learning-Ansätzen die vollständige Automatisierung sowie autonome, durch Roboter gesteuerte Produktionsstraßen. Im Consumer Bereich lernen autonome Autos das Sehen und Virtual Reality Brillen entführen in neue Welten. CMOS Sensoren leisten zu dieser Entwicklung einen entscheidenden Beitrag.

In klassischen Inspektionsaufgaben reduziert das CMOS Sensordesign mit geringen Löt- und Montagetoleranzen das Risiko von Fehlmessungen oder Fehlerkennungen. Mit der höheren Bildqualität und vor allem der höheren möglichen Geschwindigkeit unterstützen CMOS Sensoren anspruchsvolle Applikationen in Elektronik und Medizintechnik, die eine hohe Präzision benötigen. In der Medizintechnik können so beispielsweise Anwendungen wie „Lab-on-the-Chip“ oder digitales Röntgen realisiert werden, mit denen die Bildgebung und Diagnostik zur Krankheitserkennung und -behandlung beschleunigt wird. Die CMOS Technologie erlaubt Kameras eine höhere Bildrate. Im Zusammenspiel mit der Beleuchtung kann die Belichtungsdauer verkürzt werden, womit neben den grundlegenden Bildverbesserungen durch die CMOS Architektur schärfere und kontrastreichere Bilder entstehen. Mit der detaillierten Bilderkennung wird zusätzlich Zeit im Post-Processing eingespart. Schatten, Blooming Effekte und Bildstörungen werden aufgrund der Pixelstruktur und dem erweiterten Dynamikbereich der CMOS Sensoren bereits während der Aufnahme verbessert beziehungsweise treten nicht in Erscheinung.

Zusätzlich sind CMOS Sensoren aufgrund ihrer Schnelligkeit in der Lage mehrere Aufnahmen aus dem HDR-Modus zusammenzusetzen und mit einer erhöhten Bit-Tiefe und feiner abgestuften Farben die Bildqualität weiter zu erhöhen ohne dabei an Geschwindigkeit zu verlieren. Auf Röntgen- oder Mikroskop-Aufnahmen können sichtbare Muster damit besser und schneller erkannt, Befunde behandelt und digital dokumentiert werden. Auch in Outdoor-Anwendungen und ITS-Applikationen (Intelligent Traffic Surveillance) können CMOS Sensoren eine effektivere Bildaufnahme und -auswertung bei hohen Geschwindigkeiten bewirken. So können mehr Fahrzeuge im laufenden Verkehr erfasst werden, wechselnde Lichtverhältnisse durch das Wetter oder Schattenwürfe haben einen geringeren Einfluss.

 

6. Minitaurisierung und Mehrdimensionalität mit CMOS

CMOS Sensoren haben im Vergleich zu CCD Sensoren einen wesentlich geringeren Energieverbrauch und entwickeln dadurch weniger Hitze. Das schlägt sich nicht nur in einem geringeren Rauschverhalten nieder. Einer der größten CMOS Vorteile ist, dass durch on-chip-Technologie weniger Bauteile benötigt werden und mit der geringen Wärmeentwicklung mehr elektronische Bauteile auf kleinerem Raum verbaut werden können. Kameramodule mit CMOS Sensoren benötigen daher weniger Platz und werden vorzuweise für Handheld und Mobile Devices verwendet.

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CMOS ist der neue Standard und die neue State-of-the-Art-Technologie. Alle neuen Entwicklungsansätze werden mit CMOS-Technologie realisiert – der Neanderthaler CCD ist dort quasi bereits ausgestorben, während er in der Praxis noch wenige ausgesuchte Spezial-Applikationen unterstützt. Gerade für neue 3D und 4D-Aufnahmeverfahren spielen CMOS Sensoren Vorteile in der Entwicklung und Umsetzung aus. Für Stereo-Messungen beispielsweise müssen aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung bei gleichzeitig hoher Auflösung und Geschwindigkeit nicht mehr zwingend 2 Kameras verbaut werden. Die CMOS Technologie vereinfachen die Realisierung platzsparender Kombi-Sensoren nach dem 2-in-1 Prinzip, die mit Triangulation 3D-Aufnahmen innerhalb einer Kameraplatine ermöglichen. Vor allem die Möglichkeit Logikblöcke auf CMOS-Sensoren zu integrieren dient der Entwicklung fortschrittlicher und innovativer Bildverarbeitungsverfahren. Die Time-of-Flight-Technologie, welche mit Zeitfiltern zur Distanzmessung als Processing-Einheit on-the-chip arbeitet sowie 4D-Event-Kameras, die mit on-board-Processing bildliche Veränderungen im Zeitverlauf detektieren, wären mit den Grundfunktionalitäten und dem Aufbau eines analogen CCD-Sensors nicht umsetzbar.

 

7. CMOS unterstützt Einbettung der Bildverarbeitung in die Automatisierung

ccd_cmos_AutomationIm Zusammenspiel mit der allgemeinen Miniaturisierung von Sensoren und elektronischen Bauteilen ist die CMOS Technologie zum Treiber der Bildverarbeitung avanciert. Für die Zukunft ist weiter mit einem Mehr an Geschwindigkeit, Auflösung und vor allem einem höheren Integrationsgrad der CMOS Sensoren in die Bildverarbeitungssysteme auszugehen. Sensoren werden bei steigender Bildqualität und Geschwindigkeit noch weniger Platz benötigen. Die Marktführer SONY, ON Semiconductor und auch Anbieter wie e2V arbeiten daran zusätzliche Funktionalitäten 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 für 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 dürfen gespannt sein, mit welche technischen Innovationen die Hersteller die nächste Evolutionsstufe einläuten.

 

Einen tiefen technischen Einblick in den aktuellen Stand der CMOS Technologie und die kommenden Roadmaps geben die FRAMOS Sensor Tech Days am 25. Und 26. April in München. Auf der Informations- und Austauschplattform für Kameraentwickler und R&D Ingenieure stellt SONY Japan sein Global Shutter Portfolio und seine neue Hochgeschwindigkeitsschnittstelle SLVS-EC detailliert vor. Die FRAMOS Entwicklungsingenieure erläutern dazu das passende SLVS-EC Reference Design Kit mit FPGA Implementierung und IP. In einem weiteren SONY-Vortrag wird die dritte Generation CMOS Global Shutter gezeigt, inklusive einer eigenen Live-Demo-Vorführung. e2v präsentiert seine neue EMERALD Serie. Die neue Produktfamilie basiert auf dem weltweit kleinsten Global Shutter Pixel mit 2.8 µm. ON Semiconductor präsentiert ebenfalls das aktuelle GS Portfolio und seine Roadmap. Hier anmelden >>

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