Kamera

Das Auge des Inspektionssystems

CMOS-Sensoren

CMOS-Sensoren sind aus der industriellen Bildverarbeitung nicht mehr wegzudenken. In der konventionellen Kameratechnik haben sie heute die CCD-Sensoren zu 100% abgelöst (vielleicht mit Ausnahme einiger wissenschaftlicher Anwendungen).

Jahrzehntelang hatten sie den (berechtigten) Ruf, verrauschte Bilder zu liefern, viele Pixeldefekte zu haben und weniger lichtempfindlich zu sein.

Alle diese Nachteile wurden jedoch kontinuierlich durch verbesserte Fertigungstechniken, Mikrolinsen auf den Pixeln (zur Vergrößerung der lichtempfindlichen Fläche) und Backside Illuminated CMOS-Sensoren (rückseitige Belichtung des Sensors durch ein sehr dünnes Substrat) kompensiert.
Gestapelte Photodioden, Mikrolinsen und hochwertige Ausleseschaltungen ermöglichen heute eine fantastische Lichtempfindlichkeit.

Funktionsweise

Bildsensoren nutzen den photoelektrischen Effekt, um Photonen in elektrische Ladungen umzuwandeln. Bei CMOS-Sensoren (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) erfolgt die Umwandlung der Ladungen in Spannungen direkt im Pixel, im Gegensatz zu CCD-Sensoren (Charge-Coupled Device), bei denen die Ladungen sequentiell ausgecesen und erst dann in Spannungen umgewandelt werden. Diese Spannungen werden in CMOS-Sensoren verstärkt, quantisiert und in digitale Werte umgewandelt.

CMOS-Sensoren bestehen aus Millionen winziger Fotodioden, die Licht in elektrische Signale umwandeln. Trifft Licht auf den Sensor, wird es in elektrische Ladungen (Elektronen) umgewandelt.

Zu jeder einzelnen Fotodiode ist ein Kondensator parallel geschaltet, der durch den Fotostrom aufgeladen wird. Die erzeugte Spannung ist proportional zur Helligkeit und zur Belichtungszeit. Im Gegensatz zu CCDs werden die bei der Belichtung angesammelten Elektronen nicht zu einem einzigen Ausleseverstärker verschoben, sondern jedem einzelnen Bildelement ist ein Verstärker zugeordnet, der diese Kondensatorspannung dem Analogsignalprozessor direkt zur Verfügung stellt. Im Fall von CMOS-Sensoren sind mehrere Transistoren den lichtempfindlichen Dioden beigeordnet, die die akkumulierten Ladungen in messbare Spannungen umwandeln.

Jeder Pixel kann damit einzeln elektronisch ausgelesen werden, ohne wie beim CCD verschoben werden zu müssen. Dies führt zu einem geringeren Blooming bei Überbelichtung.

Moderne CMOS-Sensoren zeichnen sich durch hohe Bildraten und eine herausragende Bildqualität aus. Dies ist insbesondere der schnellen Datenverarbeitung und der Möglichkeit zu verdanken, viele zusätzliche Funktionen direkt auf dem Sensorchip zu integrieren, wie z.B. Rauschunterdrückung, Bildvorverarbeitung und Analog-Digital-Wandlung.

Die hohe Integrationsfähigkeit ermöglicht es, leistungsstarke Industriekameras mit geringem Stromverbrauch zu entwickeln, die eine präzise und schnelle Bildauswertung ermöglichen. Zudem erlaubt die skalierbare Fertigungstechnologie von CMOS-Sensoren die Entwicklung von kostengünstigeren und kompakteren Bildverarbeitungssystemen.

Zwei typische Auslese-Methoden

Moderne CMOS-Sensoren können ebenfalls wie CCD-Sensoren alle Pixel gleichzeitig entladen, das Bild aufnehmen und synchron auslesen. Man spricht hier von Global Shutter CMOS-Sensoren.

Ein anderes Ausleseprinzip haben CMOS-Sensoren mit Rolling Shutter. Hier wird rollierend Zeile für Zeile bvelichtet und ausgelesen.

Global Shutter vs. Rolling Shutter

Global Shutter-Sensor

Funktionsweise:

Bei einem Global Shutter werden alle Pixel gleichzeitig belichtet und ausgelesen. Das bedeutet, dass alle Bildzeilen gleichzeitig belichtet und am Ende der Belichtungsphase gleichzeitig ausgelesen werden.

Vorteile:

Da alle Pixel gleichzeitig belichtet werden, gibt es keine Verzerrungen bei bewegten Objekten. Dies führt zu präziseren Bildern, besonders bei schnellen Bewegungen.

Nachteile:

Diese Technologie ist aufwendiger und teurer, da mehr Transistoren und eine komplexere Elektronik benötigt werden.
Außerdem kann sie zu höherem Rauschen führen.

Global Shutter Belichtungsvorgang

Einsatzbereiche:

Hochwertige Industriekameras verwenden heute fast immer Global Shutter CMOS-Sensoren.

Rolling Shutter CMOS Readout

Funktionsweise:

Bei einem Rolling Shutter werden die Bildzeilen nacheinander ausgelesen. Das bedeutet, dass die Belichtung der oberen Zeile zuerst beginnt und dann Zeile nach und nach fortgesetzt wird.

Vorteile:

Diese Methode ist die kostengünstigste und erzeugt aufgrund der geringeren Anzahl von Transistoren weniger Wärme und verbraucht weniger Energie.

Nachteile:

Bewegte Objekte können verzerrt werden, da Teile des Bildes zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen und ausgelesen werden. Dies führt zu so genannten "Skew"- oder "Jello"-Effekten. Besonders ausgeprägt sind diese Effekte bei schnellen Bewegungen.

Mit einem Global Reset der Pixel, kombiniert mit einem kurzen LED-Beleuchtungsblitz plus Fremdlichtabschirmung zur Vermeidung von Nachbelichtungen durch Fremdlicht können auch bewegte Objekte trotz Rolling Suutter sinnvoll aufgenommen werden.

Rolling Shutter Belichtungsvorgang

Einsatzbereiche:

Rolling Shutter Sensoren werden in der Regel für industrielle Auswerteprozesse vermieden. Es gibt jedoch eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen dies nicht stört und der Preis der Hardware im Vordergrund steht. In der Überwachungstechnik spielen z.B. SONY Starvis Sensoren mit Rolling Shutter eine besondere Rolle. Diese Sensoren sind bei gleicher Pixelgröße noch etwas empfindlicher als ihre Pendants mit Global Shutter.

Rolling Shutter Standbild

Bild erscheint normal.

Rolling Shutter Bewegtbild

Kamerabild wird Zeile für Zeile zeitlich versetzt ausgelesen. Kameraschwenk führt zur Verschiebung der Objektkante (nicht zur zur Bewegungsunschärfe, die hier leider dominiert)

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