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Bildverarbeitung: CMOS - Treiber der Bildverarbeitung

Die CMOS-Technologie ist einer der Treiber der Bildverarbeitung. Unverzichtbar ist sie inzwischen etwa im Bereich Embedded Vision, bei der Integration von Bildverarbeitung in Robotik und Automation sowie in der Smart Factory.

CMOS-Sensor Bildquelle: © Sony/Framos

Es waren hauptsächlich wirtschaftliche Gründe, die Sony 2015 zur Aufgabe der CCD-Produktionslinien und der komplexen CCD-Herstellung bewogen haben. Qualitativ haben CMOS-Sensoren die CCD-Technologie in Teilen bereits überholt – mit geringem Rauschverhalten, hoher Empfindlichkeit und hohen Bildraten erreichen sie auch für anspruchsvolle Applikationen vergleichbare oder bessere Werte. 

Die 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 hingegen 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.

Pixelstruktur mit Frontside Illumination versus Backside Illumination Bildquelle: © Sony/Framos

Pixelstruktur mit Frontside Illumination versus Backside Illumination: Die rückseitige Belichtung sowie Mikrolinsen-Arrays bewirken eine erhöhte Empfindlichkeit der CMOS-Sensoren.

Lange war das dezentrale Auslesen der CMOS-Pixel ein Nachteil: Der genaue Auslesewert am Pixel ist von der physikalischen Ausprägung der pixel-individuellen Transistoren abhängig. Da diese aber in der früheren CMOS-Geschichte immer leichte Unterschiede aufwiesen, wurde ein hohes ‚Fixed Pattern Noise‘ erzeugt. Zudem sorgte das erhöhte Grundrauschen für eine schlechte Empfindlichkeit. Außerdem waren die Transistoren im Vergleich zur Pixelgröße relativ groß. Die Notwendigkeit von drei Transistoren, um einen Rolling Shutter zu realisieren, und fünf bis sechs Transistoren für einen Global Shutter führte zu einer Verringerung der aktiven Pixelfläche und somit zu einer wesentlichen Reduktion 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 Begrenzung der damaligen CMOS-Technologie und teilweise auch der Bildverarbeitung für den Machine-Vision-Einsatz – denn die industrielle Produktion und Anwendungen im Automotive-Bereich, in der Medizintechnik sowie vielen Applikationen der Virtual Reality brauchen hochwertige Global-Shutter-Sensoren ohne Artefakte für schnell bewegte Prozesse in Echtzeit und eine hervorragende Bildqualität.