Als die Firma Sony die Abkün­digung ihrer CCD-Sensoren für 2026 bekannt gab, sorgte diese In­formation für viele Fragen. Schließlich haben Anwender im Bereich der industriellen Bildverarbeitung über viele Jahre CCD-Sensoren zu schätzen gewusst – vor allem wegen ihrer hohen Bildqualität sowie der ­guten Global-Shutter-Funktionalität. Dass Sony als einer der führenden ­Sensorhersteller sich auf CMOS-­Sensortechnologie fokussiert, könnte darauf hinweisen, dass diese Techno­logie nunmehr so weit entwickelt ist, dass sich die Mehrzahl der Applikationen mit CMOS-Sensoren be­dienen lässt. Doch lassen sich CCD-Sensoren künftig generell und ohne Einschränkungen durch CMOS-Sen­soren ersetzen?

Silizium-Quantendetektoren

CCD- und CMOS-Sensoren gehören zu den Quantendetektoren. Beide Technologien basieren auf dem Halbleitermaterial Silizium und sind damit im gleichen Spektralbereich von circa 300 bis 1000 nm empfindlich. Sie unterscheiden sich vor allem in der Stelle, an der auf dem Halbleiterelement die Ladung in Spannung umgewandelt wird: Auf einem CCD-Sensor findet zunächst ein vertikaler und horizontaler Ladungstransport statt. Die serielle Ladungs-/Spannungs-Wandlung aller Pixel erfolgt außerhalb des Sensors in der Kamera-Elektronik. Alle Pixelladungen werden über einen Ausgang außerhalb des Sensors in eine analoge Spannung konvertiert.

Bei CMOS-Sensoren hingegen erfolgt die Ladungs-/Spannungs-Wandlung in jedem Pixel des Sensors. Entsprechend der aktivierten Zeile wird das Signal über die Ausleseschaltung verstärkt, rauschminimiert sowie digitalisiert und schließlich über eine konfigurierbare Anzahl von LVDS-Leitungen (Low Voltage Differential Signaling) parallel übertragen. Daraus resultieren gravierende Unterschiede bei Bildqualität, Auflösung und Bildwiederholrate.

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

© Allied Vision Technologies

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.

Objekte in Bewegung

Für Applikationen mit bewegten Ob­jekten ist eine Global-Shutter-Funktion der Sensoren notwendig. Diese erfordert im CMOS-Sensor einen Speicherbereich am Pixel, der möglichst gut vom Licht abgeschirmt ist. In der Praxis ist dies vor allem bei älteren CMOS-Designs nicht gegeben – der Bereich ist mehr oder weniger lichtempfindlich und zeigt eine parasitäre Lichtempfindlichkeit während des Auslesens der Pixeldaten. Insbesondere bei kurzen Belichtungszeiten im Mikrosekundenbereich wird das als vertikaler Grauwertverlauf deutlich sichtbar.