Global Shutter Bildsensoren

Bewegungen schnell und klar erfassen

Einführung

Global Shutter Sensoren ermöglichen eine schnelle und hochauflösende Erfassung des gesamten Sichtfeldes. Alle Pixel werden gleichzeitig zur gleichen Zeit und Länge belichtet. Das ermöglicht es, in den aufgenommenen Bildern Bewegungen einzufrieren. Jeder Pixel hat die gleiche Integrationszeit, und alle Pixel des Sensors beginnen zur gleichen Zeit mit der Signalverarbeitung. Durch diese Art der Aufnahme ist es einfacher, einen Global Shutter Sensor mit einem Blitz oder mit externen Ereignissen zu synchronisieren. 

Ganz anders sind die Rolling Shutter Sensoren: Sie belichten nacheinander einzelne Pixelreihen. Jede Pixelreihe hat die gleiche Belichtungszeit, jedoch beginnt die Belichtung der ersten Reihe vor der letzten Reihe des aufgenommenen Bildes. Deshalb sind diese Sensoren anfällig für Bewegungsartefakte während der Aufnahme von sich bewegenden Objekten. Deswegen sind sie oft kostengünstiger und vorteilhafter für Anwendungen mit langsamen Bewegungen, oder wenn Abläufe vorübergehend gestoppt sind. 

Um einen Sensor auszuwählen, der für Ihre Anwendung die jeweils beste Qualität und Performance liefert, ist es wichtig, folgende Kriterien zu berücksichtigen: 

Bei anspruchsvolleren Anwendungen sind noch weitere Punkte wichtig: 

Bei der Entwicklung eines Systems zur optimalen Bildaufnahme und -analyse ist die Bewertung dieser Kriterien und Eigenschaften von großer Bedeutung. 

Pixel-Architekturen

Frontseitig belichtete (Front Side Illuminated, FSI) Sensoren

Bei FSI CMOS-Sensoren ist die elektrische Verdrahtung oberhalb des Siliziumsubstrats mit den lichtempfindlichen Pixeln aufgebracht. Der Vorteil dieser Struktur erleichtert die Bildung einer Lichtabschirmung zum Schutz der temporär im Speicherbereich gespeicherten Signalladung vor Streulicht. Aus diesem Grund haben konventionelle CMOS-Bildsensoren mit Global Shutter eine FSI-Pixelstruktur. Allerdings behindert die Verdrahtung über der Fotodiode das einfallende Licht, was beim Versuch, die Pixel zu miniaturisieren, ein Problem darstellt. 

Rückseitig belichtete (Back Side Illuminated, BSI) Sensoren

Bei konventionellen CMOS-Bildsensoren befinden sich die Pixelebene und die analoge Logikschaltung oben auf demselben Chip, was zahlreiche Einschränkungen beim Anschluss von hochintegrierten Schaltungen mit sich bringt. Sie wirkt sich auf die Schaltung und Chipgröße aus. Außerdem muss das Rauschen, das bei diesem Pixel-/Schaltungslayout entsteht, unterdrückt und die Eigenschaften der Pixel und Transistoren optimiert werden. 

Mit einer BSI-Sensorarchitektur haben Bildsensor-Designer diese genannten Nachteile in den Griff bekommen. Bei der BSI-Konfiguration wird der Schaltkreis der Pixel unterhalb des lichtempfindlichen Bereichs (Pixelbereich) angebracht, um einen größeren Lichteinfall zu ermöglichen. Diese Anordnung ermöglicht auch die Erzeugung kleinerer Pixelkonfigurationen. Folglich führt diese Architektur zu kleineren, kompakteren Sensoren, die es ermöglichen, dass sowohl kleinere Sensoren als auch größere Auflösungen mit kleineren optischen Formaten arbeiten. 

Weitere Vorteile dieser Struktur sind verringertes Übersprechen zwischen den Pixeln mit, besseren Reaktionszeiten und einer genaueren Farbwiedergabe. Photonen treffen im Sensor schnell auf den Pixelbereich, um sicherzustellen, dass sie erfasst und korrekt erkannt werden. Weiterhin sind der Füllfaktor der Pixel und das Verhältnis von lichtempfindlicher Fläche zur gesamten Pixelfläche viel größer. Damit verringern sich die Anforderungen an das Design der Mikrolinsen des Pixels (kaum Lichtbrechung bis zum Pixel), der Einfallswinkel des Hauptstrahls (Chief Ray Angle) wird verbessert und die Bayer-Filtermatrix kann näher an den Pixeln platziert werden. Alle diese Faktoren verbessern die Performance des Bildsensors. 

Pregius

Sony Pregius® Global Shutter Bildsensoren

Pregius ist eine Global Shutter CMOS-Pixeltechnologie, die auf der rauscharmen CCD-Struktur von Sony basiert und auch bei schwierigen Lichtverhältnissen oder Umgebungen qualitativ hochwertige Bilder liefert. 

Die Pregius Technologie kombiniert das geringe Rauschen von CCD-Sensoren mit der hohen Geschwindigkeit und Präzision eines Global Shutter (GS) Sensors. Somit ist sie ideal für die Anforderungen von Anwendungen in der Fabrikautomation. 

Der Beginn der Digitalisierung von Pixeldaten beginnt bereits in einem frühen Stadium der Datenübertragung – dies ist einer der wesentlichen Merkmale der Pregius Technologie. Diese Eigenschaft minimiert zusätzliches Rauschen in der digitalen Prozesskette im Sensor selbst bei hohen Bildraten.  

Die Doppel- und Mehrfachabtastung (Correlated Double Sampling, CDS) ist eine vom CCD-Design stammende Technik, die auf beiden Seiten des Analog-Digital-Wandlers eingesetzt wird, um das Rauschverhalten des Sensors weiter zu verbessern. Damit wird Rauschen im Signal unterdrückt und die Genauigkeit der digitalisierten Daten verbessert. 

Sony hat eine proprietäre Pixelstruktur mit Global Shutter Funktion auf einer BSI-Struktur entwickelt, die eine hervorragende Empfindlichkeit aufweist. Normalerweise verschlechtern sich bei einer Miniaturisierung von Pixeln deren Empfindlichkeit und das Sättigungsverhalten. Die neue Technologie von Sony jedoch ermöglicht eine Verkleinerung der Pixelgröße auf 2,74 μm bei gleichbleibender BSI-Performance, wodurch eine etwa 1,7-mal höhere Auflösung als bei herkömmlichen FSI CMOS-Sensoren erzielt wird. Darüber hinaus kann dank der hochflexiblen Verdrahtung in der BSI-Pixelstruktur eine hohe Geschwindigkeit erreicht werden – etwa 2,4-mal so hoch wie bei einem konventionellen Sensor. 

Zusätzlich ermöglicht die „Stacked Pixel“ Struktur des Sensors den Anschluss verschiedener Schaltungen zur Signalverarbeitung. Anders als bei konventionellen Sensoren ist es somit möglich, intelligente Funktionen, beispielsweise zur Signalverarbeitung, zu realisieren, die nur den wirklich notwendigen Ausschnitt der Mess- und Prüfbilder in geringerer Größe berücksichtigen. 

Funktionen und Merkmale der Sensoren

Polarisation

Die Polarisation ist eine kaum genutzte Eigenschaft des Lichts. Durch externe Filter vor der Kamera lassen sich Polarisationseffekte auf Oberflächen und Materialien normalerweise gut beherrschen. Die Prüfung von Objekten mit transparenten Verpackungen oder mit stark reflektierenden Oberflächen wird hauptsächlich mit Polarisationsfiltern, die außerhalb der Kamera angebracht sind, durchgeführt. Folglich ist hierbei das einfallende Licht auf einen einzigen Polarisationswinkel beschränkt, weshalb die Kamera das Licht nicht bei unterschiedlichen Winkeln oder wechselhaften Bedingungen erfassen kann. Die Sensoren IMX250, IMX253 und IMX264 sind auch in Varianten verfügbar, wobei jeder einzelne Pixel einen eigenen Polarisationsfilter hat. Diese Filter lassen das Licht nur in einer Polarisationsrichtung durch. Ein 2×2 Pixelblock erfasst Licht aus vier verschiedenen Richtungen jeweils mit einem Polarisationswinkel von 45⁰. Jede Aufnahme enthält somit vier verschiedene Bilder. Der Winkel und die Richtung der Polarisation des Lichts können durch eine externe Datenverarbeitung berechnet werden, gleichzeitig werden Mängel und/oder spiegelnde Oberflächen auf komplexen Formen erkannt, unabhängig von den Spiegelungen, die bei einem oder zwei Polarisationswinkeln auftreten können. 

Kundenspezifische Optionen für Global Shutter Sensoren

Pyxalis® Global Shutter Sensoren

Pyxalis hat sich auf die Entwicklung und Herstellung kundenspezifischer Global Shutter Bildsensoren mit hoher Performance spezialisiert. Diese bieten einen sehr hohen Dynamikbereich, schnelle Bildraten und Farbtiefe. Die Sensoren eignen sich hervorragend für anspruchsvolle Anwendungen in den Bereichen Medizin, Wissenschaft, Überwachung und für die Industrie. 

Pyxalis bietet folgende Global Shutter Sensor-Plattformen als Ausgangsbasis für kundenspezifische Semi-Custom-Designs an. 

HDPYX 160-G und HDPYX 230-G Sensoren

Diese Global Shutter Sensoren verfügen über eine hochdynamische Pixel-Technologie mit einer sehr hohen Modulationsübertragung (MTF) und einem hohen Dynamikumfang (HDR) ohne Artefakte On-Chip. Zusätzlich sind sie mit CDS für eine gute Schwarzwertkonsistenz ausgestattet, ebenso mit zwei rauscharmen 11-Bit-Analog-Digital-Wandlern (ADC). Die Videoausgabe in 8, 10, 12, 14 oder 16 Bit ist möglich. Die Sensoren haben zudem einen MIPI CSI-2 Ausgang (4 Lanes / 800Mbps) mit parallelem Ausgang (12Bit / 100 MHz), eine serielle Kommunikationsschnittstelle und integrierte Temperatursensoren. 

HDPYX 300 (Global/Rolling) Sensor

Die HDPYX 300 Sensoren verfügen über folgende Modi: 

Die Sensoren verfügen über einen hohen Dynamikbereich sowie On-Chip-Computing. Zu den Funktionen gehören eine In-Pixel Dual-Gain Technologie mit automatischer Umschaltung (Modus 1: 1-Frame-Auslesung, echtes Intra-Scene-HDR) sowie zwei Line-Interlace Integrationszeiten (Mode 2: ungerade/gerade bzw. mit konfigurierbarem Verhältnis). Weitere Funktionen sind digitale Korrekturen, die Auto-Column-Offset-Korrektur sowie eine Programmiermöglichkeit für die digitale Verstärkung und den Offset.

Möchten Sie weitere Details über die kundenspezifischen Optionen unserer Global Shutter erfahren? Sehen Sie sich einfach unser komplettes Portfolio der Pyxalis Sensoren an. 

Die wichtigsten Anwendungen von Global Shutter Sensoren

Global Shutter Sensoren unterstützen die schnelle und hochauflösende Erfassung des gesamten Sichtfeldes. Daher eignen sie sich für Machine Vision und Industrie 4.0 Anwendungen, für Mess und Prüfaufgaben, intelligente Verkehrssysteme (ITS), für den Automobilbereich, die Medizin und Forschung sowie für 3DAnwendungen und Stereo-Vision-Anwendungen. 

FRAMOS BIETET EINE VIELZAHL AN GLOBAL SHUTTER SENSOREN FÜR IHRE VISION-ANWENDUNGEN