Rolling Shutter Bildsensoren

Einfache, kosteneffiziente Imaging Lösungen

Einführung

Rolling Shutter Geräte beginnen und beenden die Belichtung pro Zeile. Das bedeutet, dass jede Zeile mit einer leicht versetzten Belichtungszeit aufgenommen wird. Dieser Effekt ist bei kurzen Belichtungszeiten besonders ausgeprägt. Deshalb entstehen bei sich bewegenden Objekten und kurzen Lichtblitzen Bilder mit Verzerrungen. 

Dieses Abbildungsverhalten wird in der Regel durch eine höhere Empfindlichkeit und niedrigere Kosten ausgeglichen, die sich aus dem Rolling Shutter Pixeldesign ergeben. Es handelt sich um den am weitesten verbreiteten CMOS-Sensortyp, der in Produkten in allen Branchen eingesetzt wird. 

Pixel-Architekturen

Frontseitig belichtete (Front Side Illuminated, FSI) Sensoren

Bei FSICMOS-Sensoren befindet sich die Pixelstruktur oberhalb des Siliziumwafers die lichtempfindliche Fotodiode liegt darunter. Hierauf werden die Verdrahtungslagen, die für die Verbindung der Pixel mit dem Sensor erforderlich sind, gestapelt. Darauf wiederum befinden sich der Farbfilter und die Mikrolinsen. Diese sind so optimiert, dass das erfasste Licht nach unten zur Fotodiode gelangen kann. Wegen der Streuung und des kleineren Einfallswinkels verringert sich auf diesem „Weg“ die Lichtmenge, die die Fotodiode erreicht. Bei kleineren Pixeln verstärkt sich dieser Effekt, da die Verdrahtung nicht so einfach gemäß der Struktur im Silizium verkleinert werden kann. 

Rückseitig belichtete (Back Side Illuminated, BSI) Sensoren

Bei BSI-Sensoren befinden sich die Verdrahtungslagen unterhalb der Fotodiode, wodurch die Höhe des Pixel-Stacks verkleinert wird und aufgrund des größeren Öffnungswinkels mehr Licht erfasst werden kann. Da es – anders als bei FSI-Sensoren oberhalb der Fotodiode keine elektrischen Verbindungen gibt, ist es nun einfacher, den Abstand zwischen den Pixeln ohne Auswirkungen auf die notwendige Verdrahtung zu verkleinern. 

Wenn sich die Verdrahtungslagen unterhalb der Pixel befinden, ist es zudem auch möglich, einen weiteren Silizium-Layer anzuschließen und somit den Flächenbedarf des Sensors durch Übereinanderstapeln (Stacking) zu reduzieren. 

BSI ist der Industriestandard bei kleinen Pixeln – sowohl bei Rolling Shutter als auch bei der Global Shutter Technologie. Dank größerer Öffnungswinkel ergibt sich eine bessere Lichterfassung, eine bessere Farbwiedergabe und ein verringertes Übersprechen von Pixel zu Pixel durch weniger Streuung. 

Die STARVIS Technologie von Sony

Überwachungssysteme im Tag- und Nachtbetrieb stellen hohe Anforderungen an die Bildsensorik, um selbst bei schwachen Lichtverhältnissen noch detailreiches und kontraststarkes Videomaterial zu generieren. Die STARVIS Bildsensor-Serie von Sony ist das Ergebnis einer erstklassigen Halbleitertechnik, die speziell für die Anforderungen bei der Überwachung bei schlechten Lichtverhältnissen entwickelt wurde. 

Die STARVIS Serie zeichnet sich durch eine beispiellose Empfindlichkeit, ein kompaktes Format und eine hohe Auflösung aus. Diese Eigenschaften basieren auf einer neuen Pixel-Architektur. Selbst bei Mondlicht ermöglichen die STARVIS Sensoren Aufnahmen mit geringem Rauschen und großem Dynamikumfang. 

Die Bildqualität bietet die Möglichkeit zur genauen Analyse des Video-Streams – entweder durch die Bildverarbeitungssoftware oder durch Kontrollpersonal. 

Die rückseitig belichteten STARVIS Rolling Shutter Sensoren haben eine Empfindlichkeit von 2000 mV oder mehr pro 1 µm2 (Farbaufnahme bei einer Lichtquelle von 706 cd/m2, Akkumulation-Äquivalent F5.6 in 1 s). Mit dem von Sony entwickelten proprietären Empfindlichkeitsindex SNR1s erreichen sie bereits bei 0,13 Lux einen SNR-Wert von 1. Zum Vergleich: Der Vollmond erzeugt in einer klaren Nacht eine Beleuchtungsstärke auf Oberflächen von 0,05 bis 0,3 Lux. Um die Signalstärke bei NIR-Licht (Nahinfrarot), beispielsweise bei Sicherheitsanwendungen, weiter zu verbessern, sind auch Sensor-Modelle mit einer höheren NIR-Empfindlichkeit verfügbar. 

STARVIS Sensoren bieten Auflösungen von 2 MP bis 61 MP. Mit Pixelabständen ab nur 1,45 μm wird ein Sensor mit 4K-Auflösung im optischen 1/2,8 Format sehr kompakt. Bildraten von bis zu 120 fps gewährleisten im Zeitbereich eine hohe Auflösung, die für flüssige Darstellungen und detaillierte Analysen benötigt werden. Sensor-Schnittstellen wie MIPI CSI-2, Sub-LVDS und SLVS-EC vereinfachen die Integration des Sensors in Kameras.  

Die wichtigste Eigenschaft einer Security-Kamera ist eine hohe Empfindlichkeit. Eine speziell für solche Kameras entwickelte rückseitig belichtete Pixel-Architektur hat nun erstmals zu einer herausragenden Verbesserung der Empfindlichkeit gegenüber Vorgängerprodukten geführt – bei Helligkeiten von nur 0,5 Lux. Mit seiner Kombination aus Empfindlichkeit, Kompaktheit, Auflösung und Geschwindigkeit ist der STARVIS Sensor die erste Wahl für Überwachungsanwendungen bei wenig Licht. 

Die STARVIS 2 Technologie von Sony

STARVIS 2 basiert auf der Technologie mit rückseitig belichteten Pixeln, die bei Anwendungen von CMOS-Bildsensoren in Security-Kameras zum Einsatz kommt. Sie verfügt eine Empfindlichkeit von 2000 mV oder mehr pro 1 µm2 (Farbaufnahme bei einer Leuchtquelle von 706 cd/m2, Akkumulation-Äquivalent F5.6 in 1 s). Vergleich zu den bisherigen STARVIS Sensoren kann durch die STARVIS2 Technologie ein bis zu 8dB größerer Dynamikumfang (12 Bit ADC) abgedeckt werden. Neben einer erstklassigen Bildqualität im sichtbaren Spektrum wird durch die STARVIS2 Technologie darüber hinaus die Sensitivität im nahen Infrarotbereich deutlich erhöht. 

Bildsensor-Funktionen und Merkmale

DOL-HDR: Digitale Überlappung Hoher Dynamikbereich (HDR)

Digital-Überlappung-HDR (DOL-HDR) liefert die Daten von mehreren Belichtungen zeilenweise statt Bild für Bild, wodurch es weniger Artefakte durch HDR-Kombinationen gibt. Das führt im Vergleich zur Mehrfachbelichtungs-HDR insbesondere bei schlechten Lichtverhältnissen zu einer verbesserten Bildqualität. Die DOL-WDR-Funktion (erweiterer Dynamikbereich) erfordert einen speziellen Bildsignalprozessor zur Steuerung des Sensors und zur Verarbeitung der erfassten Bilder. Verglichen mit konventionellem WDR, wo mehrere Bilder ausgegeben werden, bietet DOL-WDR viele Vorteile, z. B. verbesserte Eigenschaften in schwach beleuchteten Umgebungen. 

Das Besondere an diesem Verfahren ist, dass der Sensor die Integrationszeit des dunklen Bildes (mit der Langzeitbelichtung) verlängern kann, sodass er die ungenutzte Integrationszeit des vorherigen kurz belichteten Bildes nutzt, um mehr Licht und Informationen zu erfassen. Dadurch wird der Dynamikbereich erweitert und kann in den nachfolgenden HDR-Bildern dargestellt werden. Auf diese Weise werden mehr Details hinzugefügt und die Reaktionsfähigkeit bei schlechten Lichtverhältnissen verbessert. 

High Dynamic Range (HDR) Movie-Funktion

Bei der HDR Movie-Funktion werden pro Aufnahme zwei verschiedene Belichtungsbedingungen eingestellt. Anschließend wird die Signalverarbeitung für die aufgenommenen Bildinformationen bei der jeweils besten Belichtung durchgeführt. Bei diesem Verfahren entstehen außerdem Bilder mit einem hohen Dynamikbereich, wodurch Aufnahmen mit brillanten Farben möglich sind selbst in hellen Umgebungen. 

Stacked CMOS-Bildsensor

Diese Bildsensoren haben eine gestapelte Pixelstruktur: Der Pixelbereich mit den rückseitig belichteten Pixeln wurde über dem Chip mit den Signalverarbeitungsschaltungen angeordnetim Gegensatz zu konventionellen, rückseitig belichteten CMOS-Bildsensoren. Die Stapel-Struktur hat einen entscheidenden Vorteil: Sie ermöglicht es, dass hochintegrierte Schaltungen auf einem kleinen Chip untergebracht werden können. Jeder Abschnitt befindet sich auf einem separaten Chip; folglich können in speziellen Herstellungsverfahren Pixelabschnitte mit hoher Bildqualität und Schaltkreis-Sektionen mit hoher Leistung realisiert werden. Das ermöglicht eine höhere Auflösung, Multi-Funktionalität und eine kompakte Größe. 

PDAF: Der Phasendetektions-Autofokus

PDAF ist eine Hochgeschwindigkeits-Autofokus-Technologie. Sie hat im Vergleich zum konventionellen kontrastbasierten Autofokus folgende Vorteile: PDAF bietet eine erstaunlich schnelle und genaue Fokussierung bei jeder Einzelbild-Erkennung. Sie erlaubt eine verbesserte Fokussierung bei sich schnell bewegenden Objekten und ermöglicht eine schnelle Fokussierung bei unterschiedlichen Objektpositionen und bereichen. Die schnelle Berechnung der Phasenunterschiede zwischen einzelnen Bilddaten ist der Schlüssel zur hohen Performance der proprietären PDAF-Technologie von Sony. 

Kundenspezifische Optionen für Rolling Shutter Sensoren

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Rolling Shutter Sensoren: Hauptanwendungen

Rolling-Shutter-Sensoren werden in folgenden Anwendungsbereichen eingesetzt: Hochleistungsaufnahmen in der Medizin, im Bereich Security, bei wissenschaftlichen Anwendungen, in der Luft- und Raumfahrt sowie in der digitalen Fotografie (Consumer-Markt). 

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