CMOS-Sensoren verstehen: Der moderne Standard für die meisten Bildgebungsverfahren |

Von Smartphones bis hin zu wissenschaftlichen Instrumenten bilden Bildsensoren das Herzstück der heutigen Bildtechnologie. CMOS-Sensoren haben sich dabei zur dominierenden Kraft entwickelt und ermöglichen alles, von alltäglichen Fotos bis hin zu fortschrittlicher Mikroskopie und Halbleiterprüfung.

Die CMOS-Technologie (Complementary Metal Oxide Semiconductor) umfasst eine elektronische Architektur und Fertigungsverfahren mit einem unglaublich breiten Anwendungsspektrum. Man könnte sogar sagen, dass die CMOS-Technologie die Grundlage des modernen digitalen Zeitalters bildet.

Was ist ein CMOS-Sensor?

CMOS-Bildsensoren (CIS) verwenden aktive Pixel, d. h. die Verwendung von drei oder mehr Transistoren in jedem Pixel der Kamera. CCD- und EMCCD-Pixel enthalten keine Transistoren.

Die Transistoren in jedem Pixel ermöglichen die parallele Steuerung dieser „aktiven“ Pixel, die Signalverstärkung durch Feldeffekttransistoren und den Datenzugriff. Anstelle eines einzelnen Auslesepfads für einen gesamten Sensor oder einen signifikanten Teil eines Sensors wird einCMOS-KameraEnthält mindestens eine ganze Reihe von Auslese-ADCs, einen (oder mehrere) für jede Spalte des Sensors. Jeder dieser ADCs kann den Wert seiner Spalte gleichzeitig lesen. Darüber hinaus sind diese „Active Pixel“-Sensoren mit digitaler CMOS-Logik kompatibel, was die potenzielle Sensorfunktionalität erhöht.

Zusammen verleihen diese Eigenschaften CMOS-Sensoren ihre Geschwindigkeit. Dank der erhöhten Parallelität benötigen einzelne ADCs jedoch mehr Zeit, um die erfassten Signale genauer zu messen. Diese längeren Konvertierungszeiten ermöglichen einen sehr rauscharmen Betrieb, selbst bei höheren Pixelzahlen. Dank dieser und anderer Innovationen ist das Leserauschen von CMOS-Sensoren tendenziell fünf- bis zehnmal geringer als das von CCDs.

Moderne wissenschaftliche CMOS-Kameras (sCMOS) sind ein spezieller Untertyp von CMOS, der für rauscharme und schnelle Bildgebung in Forschungsanwendungen entwickelt wurde.

Wie funktionieren CMOS-Sensoren? (Einschließlich Rolling vs. Global Shutter)

Die Funktionsweise eines typischen CMOS-Sensors ist in der Abbildung dargestellt und unten beschrieben. Beachten Sie, dass sich aufgrund der unten aufgeführten Betriebsunterschiede der Zeitpunkt und die Funktionsweise der Belichtung bei Global- und Rolling-Shutter-CMOS-Kameras unterscheiden.

Abbildung: Auslesevorgang für CMOS-Sensor

NOTIZ: Der Auslesevorgang bei CMOS-Kameras unterscheidet sich zwischen Rolling-Shutter- und Global-Shutter-Kameras, wie im Text erläutert. In beiden Fällen enthält jedes Pixel einen Kondensator und einen Verstärker, die basierend auf der Anzahl der erfassten Photoelektronen eine Spannung erzeugen. Für jede Zeile werden die Spannungen für jede Spalte gleichzeitig von Spalten-A/D-Wandlern gemessen.

Rollladen

1. Entfernen Sie bei einem Rolling-Shutter-CMOS-Sensor, beginnend in der oberen Reihe (oder in der Mitte bei Splitsensor-Kameras), die Ladung aus der Reihe, um mit der Belichtung dieser Reihe zu beginnen.
2. Nachdem die „Zeilenzeit“ abgelaufen ist (normalerweise 5–20 μs), gehen Sie zur nächsten Reihe und wiederholen Sie den Vorgang ab Schritt 1, bis der gesamte Sensor freiliegt.
3. Für jede Reihe werden während der Belichtung Ladungen gesammelt, bis die Belichtungszeit der Reihe abgelaufen ist. Die erste Reihe, die beginnt, wird zuerst beendet.
4. Sobald die Belichtung für eine Zeile abgeschlossen ist, übertragen Sie Ladungen auf den Auslesekondensator und den Verstärker.
5. Die Spannung in jedem Verstärker in dieser Reihe wird dann mit dem Spalten-ADC verbunden und das Signal für jedes Pixel in der Reihe gemessen.
6. Der Auslese- und Rücksetzvorgang dauert die „Zeilenzeit“, danach hat die nächste Zeile, für die die Belichtung beginnen soll, das Ende ihrer Belichtungszeit erreicht und der Vorgang wird ab Schritt 4 wiederholt.
7. Sobald die obere Reihe ausgelesen ist und die untere Reihe mit der Belichtung des aktuellen Bildes begonnen hat, kann die obere Reihe mit der Belichtung des nächsten Bildes beginnen (Überlappungsmodus). Ist die Belichtungszeit kürzer als die Bildzeit, muss die obere Reihe warten, bis die untere Reihe mit der Belichtung beginnt. Die kürzestmögliche Belichtungszeit beträgt typischerweise eine Zeilenzeit.

Tucsens FL 26BW gekühlte CMOS-Kamera, ausgestattet mit dem Sony IMX533-Sensor, verwendet diese Rolling-Shutter-Technologie.

Global Shutter

Quelle:GMAX3412 Global Shutter CMOS-Bildsensor

1. Um mit der Erfassung zu beginnen, wird gleichzeitig die Ladung vom gesamten Sensor gelöscht (globales Zurücksetzen des Pixelschachts).
2. Während der Belichtung sammelt sich Ladung an.
3. Am Ende der Belichtung werden die gesammelten Ladungen in einen maskierten Bereich innerhalb jedes Pixels verschoben, wo sie auf die Auslesung warten, ohne dass neu erkannte Photonen gezählt werden. Einige Kameras verschieben in diesem Stadium Ladungen in den Pixelkondensator.
4. Wenn die erkannten Ladungen im maskierten Bereich jedes Pixels gespeichert sind, kann der aktive Bereich des Pixels mit der Belichtung des nächsten Frames beginnen (Überlappungsmodus).
5. Der Auslesevorgang aus dem maskierten Bereich erfolgt wie bei Rolling-Shutter-Sensoren: Von der Oberseite des Sensors aus werden zeilenweise Ladungen aus der maskierten Vertiefung zum Auslesekondensator und Verstärker übertragen.
6. Die Spannung in jedem Verstärker in dieser Zeile wird mit dem Spalten-ADC verbunden und das Signal für jedes Pixel in der Zeile gemessen.
7. Der Auslese- und Rücksetzvorgang dauert die „Zeilenzeit“, danach wird der Vorgang für die nächste Zeile ab Schritt 5 wiederholt.
8. Sobald alle Zeilen gelesen wurden, ist die Kamera bereit, das nächste Bild zu lesen, und der Vorgang kann ab Schritt 2 oder, wenn die Belichtungszeit bereits abgelaufen ist, ab Schritt 3 wiederholt werden.

Tucsens Libra 3412M Mono sCMOS-Kameranutzt die Global-Shutter-Technologie und ermöglicht so eine klare und schnelle Erfassung bewegter Proben.

Vor- und Nachteile von CMOS-Sensoren

Vorteile

● Höhere Geschwindigkeiten: CMOS-Sensoren haben typischerweise einen um 1 bis 2 Größenordnungen schnelleren Datendurchsatz als CCD- oder EMCCD-Sensoren.
● Größere Sensoren: Ein schnellerer Datendurchsatz ermöglicht eine höhere Pixelanzahl und größere Sichtfelder, bis zu mehreren zehn oder hundert Megapixeln.
● Geräuscharm: Einige CMOS-Sensoren können ein Lese-Rauschen von nur 0,25e- aufweisen und können damit mit EMCCDs konkurrieren, ohne dass eine Ladungsvervielfachung erforderlich ist, die zusätzliche Rauschquellen hinzufügt.
● Flexibilität bei der Pixelgröße: Kamerasensoren für Verbraucher und Smartphones treiben die Pixelgrößen auf den Bereich von ~1 μm herunter, und wissenschaftliche Kameras mit einer Pixelgröße von bis zu 11 μm sind üblich und bis zu 16 μm erhältlich.
● Geringerer Stromverbrauch: Der geringe Stromverbrauch von CMOS-Kameras ermöglicht deren Einsatz in einer größeren Bandbreite wissenschaftlicher und industrieller Anwendungen.
● Preis und Lebensdauer: Low-End-CMOS-Kameras sind in der Regel ähnlich teuer wie CCD-Kameras oder günstiger, und High-End-CMOS-Kameras sind deutlich günstiger als EMCCD-Kameras. Ihre erwartete Lebensdauer dürfte die einer EMCCD-Kamera deutlich übertreffen.

Nachteile

● Rollladen: Die meisten wissenschaftlichen CMOS-Kameras verfügen über einen Rolling Shutter, der experimentelle Arbeitsabläufe komplexer machen oder einige Anwendungen ausschließen kann.
● Höherer Dunkelstromt: Die meisten CMOS-Kameras haben einen viel höheren Dunkelstrom als CCD- und EMCCD-Sensoren, was bei langen Belichtungszeiten (> 1 Sekunde) manchmal zu erheblichem Rauschen führt.

Wo CMOS-Sensoren heute eingesetzt werden

Dank ihrer Vielseitigkeit finden CMOS-Sensoren in zahlreichen Anwendungen Anwendung:

● Unterhaltungselektronik: Smartphones, Webcams, DSLRs, Action-Cams.
● Biowissenschaften: CMOS-Sensoren LeistungMikroskopiekamerasWird in der Fluoreszenzbildgebung und medizinischen Diagnostik verwendet.

● Astronomie: Teleskope und Weltraumbildgebungsgeräte verwenden häufig wissenschaftliches CMOS (sCMOS) für hohe Auflösung und geringes Rauschen.
● Industrielle Inspektion: Automatisierte optische Inspektion (AOI), Robotik undKameras für die Halbleiterinspektionverlassen Sie sich hinsichtlich Geschwindigkeit und Genauigkeit auf CMOS-Sensoren.

● Automobilindustrie: Erweiterte Fahrerassistenzsysteme (ADAS), Rückfahr- und Parkkameras.
● Überwachung und Sicherheit: Systeme zur Erkennung schwacher Lichtverhältnisse und Bewegungen.

Ihre Geschwindigkeit und Kosteneffizienz machen CMOS zur bevorzugten Lösung sowohl für den kommerziellen Einsatz in großen Mengen als auch für spezialisierte wissenschaftliche Arbeiten.

Warum CMOS heute der moderne Standard ist

Der Wechsel von CCD zu CMOS geschah nicht über Nacht, war aber unvermeidlich. Hier erfahren Sie, warum CMOS heute der Eckpfeiler der Bildverarbeitungsbranche ist:

● Fertigungsvorteil: Basiert auf Standard-Halbleiterfertigungslinien, wodurch die Kosten gesenkt und die Skalierbarkeit verbessert werden.
● Leistungssteigerungen: Rolling- und Global-Shutter-Optionen, verbesserte Lichtempfindlichkeit und höhere Bildraten.
● Integration und Intelligenz: CMOS-Sensoren unterstützen jetzt On-Chip-KI-Verarbeitung, Edge Computing und Echtzeitanalyse.
● Innovation: Neue Sensortypen wie gestapelte CMOS-Sensoren, Quantenbildsensoren und gekrümmte Sensoren basieren auf CMOS-Plattformen.

Von Smartphones biswissenschaftliche KamerasCMOS hat sich als anpassungsfähig, leistungsstark und zukunftssicher erwiesen.

Abschluss

CMOS-Sensoren haben sich dank ihres ausgewogenen Verhältnisses aus Leistung, Effizienz und Kosten zum modernen Standard für die meisten Bildgebungsanwendungen entwickelt. Ob beim Festhalten alltäglicher Erinnerungen oder bei der Durchführung schneller wissenschaftlicher Analysen – die CMOS-Technologie bildet die Grundlage für die visuelle Welt von heute.

Da Innovationen wie Global Shutter CMOS und sCMOS die Möglichkeiten der Technologie weiter ausbauen, wird ihre Dominanz auch in den kommenden Jahren anhalten.

FAQs

Was ist der Unterschied zwischen einem Rolling Shutter und einem Global Shutter?

Ein Rolling Shutter liest Bilddaten zeilenweise aus, was bei der Aufnahme sich schnell bewegender Motive zu Bewegungsartefakten (z. B. Schräglauf oder Wackeln) führen kann.

Ein Global Shutter erfasst das gesamte Bild gleichzeitig und eliminiert so Bewegungsverzerrungen. Er eignet sich ideal für Hochgeschwindigkeits-Bildgebungsanwendungen wie maschinelles Sehen und wissenschaftliche Experimente.

Was ist der Rolling Shutter CMOS-Überlappungsmodus?

Bei Rolling-Shutter-CMOS-Kameras kann im Überlappungsmodus die Belichtung des nächsten Bildes beginnen, bevor das aktuelle vollständig abgeschlossen ist. Dies ermöglicht höhere Bildraten. Dies ist möglich, da die Belichtung und das Auslesen jeder Zeile zeitlich versetzt erfolgen.

Dieser Modus ist für Anwendungen nützlich, bei denen maximale Bildrate und Durchsatz entscheidend sind, z. B. bei Hochgeschwindigkeitsprüfungen oder Echtzeit-Tracking. Allerdings kann er die Komplexität von Timing und Synchronisierung etwas erhöhen.