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Bildverarbeitung: CCD versus CMOS

Fortsetzung des Artikels von Teil 1.

Altes Eisen CCD-Sensoren?

Bei einem CCD-Sensor werden alle Pixelladungen über einen Ausgang in eine analoge Spannung konvertiert, verstärkt und digitalisiert. Dadurch ergibt sich eine hohe Homogenität der Pixel, ein sehr gleichförmiges Signal mit nied­rigem Ortsrauschen (Fixed Pattern ­Noise) sowie typischerweise niedrigem Dunkelstrom und damit eine hohe Bildqualität.

Zudem erreichen CCDs aufgrund des höheren Füllfaktors (Verhältnis der photoempfindlichen Fläche zur gesamten Pixelfläche) eine hohe Empfindlichkeit sowie gute Signalqualität bei niedrigen Lichtintensitäten.

Ein weiterer Vorteil liegt im perfekten Global Shutter, das heißt der gleichzeitigen Belichtung aller Pixel. Aus diesem Grund eignen sich CCDs sehr gut für Machine-Vision-Applikationen und dabei insbesondere für Anwendungen, die sehr kurze Belichtungszeiten erfordern.

Ein Nachteil der CCD-Sensoren liegt jedoch in der begrenzten Auslesegeschwindigkeit des seriellen Datenstroms. Moderne CCDs mit höheren Auflösungen werden deshalb häufig in Multi-Tap-Technologien (Unterteilung des Sensors in mehrere Bildbereiche) gefertigt, um die n-fache Auslesegeschwindigkeit gegenüber Single-Tap-Sensoren zu erzielen. Hier wird dann aber ein Signal-Abgleich der Taps notwendig, da schon sehr geringe Abweichungen zu sichtbaren Unterschieden an den Grenzen der Taps führen.

Prinzip des Interline-Transfer-CCD- sowie des CMOS-Sensors Bildquelle: © Allied Vision Technologies

Prinzip des Interline-Transfer-CCD- sowie des CMOS-Sensors

Ein weiteres Manko der CCD-Sensoren ist, dass Ladungen größer der Full-Well-Kapazität der Pixelzelle in benachbarte Pixel gelangen. Dies wird in den typischen Blooming-Effekten sichtbar. Abhilfe schafft nur eine Reduzierung der einfallenden Lichtmenge. Zudem können während des Auslesens beim seriellen Ladungstransport im vertikalen Schieberegister einfallende Photonen zusätzliche Ladungsträger erzeugen – es entsteht das sogenannte Smearing. Verhindern lässt sich dieses Smearing durch die Verwendung eines mechanischen Shutters vor dem Sensor oder durch den Einsatz einer Blitzbeleuchtung.

Bei einem CMOS-Sensor erfolgt die Ladungs-/Spannungs-Wandlung an jedem Pixel und die Bildinformationen werden bereits auf dem CMOS-Sensor-Chip in digitale Informationen umgewandelt. Diese Funktionsweise erfordert eine erhöhte Komplexität des Designs. CMOS-Designs mit Global Shutter und CDS (Correlated double sampling zur Verringerung des Ortsrauschens) basieren auf Pixelzellen mit fünf bis acht Transistoren und reduzieren damit die lichtempfindliche Fläche pro Pixel. Jede Spalte beziehungsweise jedes Pixel besitzt einen von den anderen unabhängig arbeitenden Verstärker. Durch technologisch bedingte Abweichungen entstehen Ungleichheiten in der Uniformität zwischen den Pixeln der einzelnen Spalten, was wiederum zu erhöhtem Ortsrauschen führt.