05.08.2025Von Smartphones bis hin zu wissenschaftlichen Instrumenten – Bildsensoren bilden das Herzstück der heutigen Bildtechnologie. CMOS-Sensoren haben sich dabei als dominierende Technologie etabliert und treiben alles an, von alltäglichen Fotos bis hin zu fortschrittlicher Mikroskopie und Halbleiterprüfung.
Die CMOS-Technologie (Complementary Metal Oxide Semiconductor) ist eine elektronische Architektur und eine Reihe von Fertigungsprozessen mit einem unglaublich breiten Anwendungsspektrum. Man kann sogar sagen, dass die CMOS-Technologie das Fundament des modernen digitalen Zeitalters bildet.
Was ist ein CMOS-Sensor?
CMOS-Bildsensoren (CIS) verwenden aktive Pixel, d. h. in jedem Pixel der Kamera befinden sich drei oder mehr Transistoren. CCD- und EMCCD-Pixel enthalten keine Transistoren.
Die Transistoren in jedem Pixel ermöglichen die Steuerung dieser „aktiven“ Pixel, die Verstärkung von Signalen mittels Feldeffekttransistoren und den parallelen Zugriff auf deren Daten. Anstelle eines einzelnen Auslesepfads für einen gesamten Sensor oder einen wesentlichen Teil eines Sensors wird einCMOS-KameraSie umfassen mindestens eine vollständige Zeile von Auslese-ADCs, einen (oder mehrere) ADCs pro Sensorspalte. Jeder dieser ADCs kann den Wert seiner Spalte gleichzeitig auslesen. Darüber hinaus sind diese „aktiven Pixel“-Sensoren mit digitaler CMOS-Logik kompatibel, was den Funktionsumfang des Sensors erweitert.
Zusammen verleihen diese Eigenschaften CMOS-Sensoren ihre Geschwindigkeit. Dank der erhöhten Parallelität können die einzelnen AD-Wandler die erfassten Signale jedoch mit höherer Genauigkeit und längerer Messzeit erfassen. Diese längeren Konvertierungszeiten ermöglichen einen sehr rauscharmen Betrieb, selbst bei höheren Pixelzahlen. Dadurch und durch weitere Innovationen ist das Ausleserauschen von CMOS-Sensoren in der Regel 5- bis 10-mal geringer als das von CCDs.
Moderne wissenschaftliche CMOS-Kameras (sCMOS) sind ein spezieller Untertyp von CMOS-Kameras, der für rauscharme und schnelle Bildgebung in Forschungsanwendungen entwickelt wurde.
Wie funktionieren CMOS-Sensoren? (Einschließlich Rolling Shutter vs. Global Shutter)
Die Funktionsweise eines typischen CMOS-Sensors ist in der Abbildung dargestellt und wird im Folgenden erläutert. Beachten Sie, dass sich aufgrund der unten beschriebenen Unterschiede in der Funktionsweise die Belichtungszeitpunkte und -mechanismen von CMOS-Kameras mit globalem Shutter und solchen mit Rolling Shutter unterscheiden.
HINWEIS: Der Ausleseprozess von CMOS-Kameras unterscheidet sich zwischen Kameras mit Rolling Shutter und solchen mit Global Shutter, wie im Text erläutert. In beiden Fällen enthält jedes Pixel einen Kondensator und einen Verstärker, die eine Spannung basierend auf der Anzahl der detektierten Photoelektronen erzeugen. Für jede Zeile werden die Spannungen aller Spalten gleichzeitig mittels spaltenweiser Analog-Digital-Wandler gemessen.
Rollladen
1. Bei einem CMOS-Sensor mit Rolling Shutter beginnt man in der obersten Zeile (bzw. in der Mitte bei Kameras mit geteiltem Sensor), indem man die Ladung aus der Zeile entfernt, um die Belichtung dieser Zeile zu starten.
2. Nach Ablauf der „Zeilenzeit“ (typischerweise 5-20 μs) geht man zur nächsten Zeile und wiederholt den Vorgang ab Schritt 1, bis der gesamte Sensor belichtet ist.
3. In jeder Zeile sammeln sich während der Belichtung Ladungen an, bis die Belichtungszeit dieser Zeile abgelaufen ist. Die erste Zeile, die mit der Belichtung beginnt, ist auch zuerst fertig.
4. Sobald die Belichtung für eine Zeile abgeschlossen ist, werden die Ladungen auf den Auslesekondensator und den Verstärker übertragen.
5. Die Spannung in jedem Verstärker dieser Zeile wird dann mit dem Spalten-ADC verbunden, und das Signal wird für jedes Pixel in der Zeile gemessen.
6. Der Auslese- und Rücksetzvorgang benötigt die „Zeilenzeit“, um abgeschlossen zu werden. Danach hat die nächste Zeile, deren Belichtung beginnen soll, das Ende ihrer Belichtungszeit erreicht, und der Vorgang wird ab Schritt 4 wiederholt.
7. Sobald die Auslesung der obersten Zeile abgeschlossen ist und die untere Zeile bereits mit der Belichtung des aktuellen Bildes begonnen hat, kann die oberste Zeile mit der Belichtung des nächsten Bildes beginnen (Überlappungsmodus). Ist die Belichtungszeit kürzer als die Bilddauer, muss die oberste Zeile warten, bis die untere Zeile mit der Belichtung begonnen hat. Die kürzestmögliche Belichtungszeit beträgt üblicherweise eine Zeile.
Tucsen FL 26BW gekühlte CMOS-Kamera, mit dem Sony IMX533 Sensor ausgestattet, nutzt diese Rolling-Shutter-Technologie.
Globaler Verschluss
1. Um die Datenerfassung zu starten, wird gleichzeitig die Ladung vom gesamten Sensor gelöscht (globaler Reset des Pixelbereichs).
2. Während der Belichtung sammelt sich Ladung an.
3. Nach Ende der Belichtung werden die gesammelten Ladungen in eine maskierte Vertiefung innerhalb jedes Pixels überführt, wo sie auf das Auslesen warten können, ohne dass neu detektierte Photonen gezählt werden. Einige Kameras leiten die Ladungen in diesem Schritt in den Pixelkondensator.
4. Nachdem die detektierten Ladungen im maskierten Bereich jedes Pixels gespeichert wurden, kann der aktive Bereich des Pixels mit der Belichtung des nächsten Bildes beginnen (Überlappungsmodus).
5. Der Auslesevorgang aus dem maskierten Bereich erfolgt wie bei Rolling-Shutter-Sensoren: Zeile für Zeile werden von oben auf dem Sensor Ladungen aus der maskierten Vertiefung zum Auslesekondensator und Verstärker übertragen.
6. Die Spannung in jedem Verstärker dieser Zeile wird mit dem Spalten-ADC verbunden, und das Signal wird für jedes Pixel in der Zeile gemessen.
7. Der Auslese- und Rücksetzvorgang benötigt die „Zeilenzeit“, woraufhin der Vorgang für die nächste Zeile ab Schritt 5 wiederholt wird.
8. Sobald alle Zeilen eingelesen wurden, ist die Kamera bereit, das nächste Bild einzulesen. Der Vorgang kann ab Schritt 2 wiederholt werden, oder ab Schritt 3, falls die Belichtungszeit bereits abgelaufen ist.
Tucsens Libra 3412M Mono sCMOS-Kameranutzt die Global-Shutter-Technologie, die eine klare und schnelle Aufnahme von sich bewegenden Proben ermöglicht.
Vor- und Nachteile von CMOS-Sensoren
Vorteile
● Höhere GeschwindigkeitenCMOS-Sensoren sind typischerweise um 1 bis 2 Größenordnungen schneller im Datendurchsatz als CCD- oder EMCCD-Sensoren.
● Größere Sensoren: Ein höherer Datendurchsatz ermöglicht höhere Pixelzahlen und größere Sichtfelder, bis zu mehreren zehn oder hundert Megapixeln.
● Geringes GeräuschBei einigen CMOS-Sensoren kann das Ausleserauschen bis auf 0,25e- reduziert werden, was mit EMCCDs vergleichbar ist, ohne dass eine Ladungsvervielfachung erforderlich ist, die zusätzliche Rauschquellen hinzufügt.
● Flexible PixelgrößeBei Kamerasensoren für Verbraucher und Smartphones werden die Pixelgrößen bis in den Bereich von ~1 μm reduziert, wissenschaftliche Kameras mit einer Pixelgröße von bis zu 11 μm sind üblich, und es sind auch Kameras mit bis zu 16 μm erhältlich.
● Geringerer StromverbrauchDer geringe Energiebedarf von CMOS-Kameras ermöglicht ihren Einsatz in einer breiteren Palette wissenschaftlicher und industrieller Anwendungen.
● Preis und LebensdauerGünstige CMOS-Kameras sind in der Regel ähnlich teuer oder sogar günstiger als CCD-Kameras, und hochwertige CMOS-Kameras sind deutlich günstiger als EMCCD-Kameras. Ihre zu erwartende Lebensdauer übertrifft die einer EMCCD-Kamera um ein Vielfaches.
Nachteile
● RollverschlussDie Mehrheit der wissenschaftlichen CMOS-Kameras verfügt über einen Rolling Shutter, was die experimentellen Arbeitsabläufe verkomplizieren oder bestimmte Anwendungen ausschließen kann.
● Höherer dunkler Current: Die meisten CMOS-Kameras haben einen deutlich höheren Dunkelstrom als CCD- und EMCCD-Sensoren, was bei Langzeitbelichtungen (> 1 Sekunde) manchmal zu erheblichem Rauschen führt.
Wo CMOS-Sensoren heute eingesetzt werden
Dank ihrer Vielseitigkeit finden CMOS-Sensoren in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung:
● UnterhaltungselektronikSmartphones, Webcams, Spiegelreflexkameras, Action-Cams.
● LebenswissenschaftenStromversorgung für CMOS-SensorenMikroskopkamerasWird in der Fluoreszenzbildgebung und medizinischen Diagnostik eingesetzt.
● AstronomieTeleskope und Weltraumbildgebungsgeräte verwenden häufig wissenschaftliche CMOS-Sensoren (sCMOS) für hohe Auflösung und geringes Rauschen.
● IndustrieinspektionAutomatisierte optische Inspektion (AOI), Robotik undKameras für die Halbleiterinspektionsetzen auf CMOS-Sensoren für Geschwindigkeit und Genauigkeit.
● Automobilindustrie: Erweiterte Fahrerassistenzsysteme (ADAS), Rückfahr- und Parkkameras.
● Überwachung & SicherheitSysteme zur Erkennung von schlechten Lichtverhältnissen und Bewegungen.
Ihre Geschwindigkeit und Kosteneffizienz machen CMOS zur bevorzugten Lösung sowohl für den kommerziellen Masseneinsatz als auch für spezialisierte wissenschaftliche Arbeiten.
Warum CMOS heute der moderne Standard ist
Der Wechsel von CCD zu CMOS vollzog sich nicht über Nacht, war aber unvermeidlich. Hier erfahren Sie, warum CMOS heute der Grundstein der Bildverarbeitungsindustrie ist:
● Fertigungsvorteil: Auf Standard-Halbleiterfertigungslinien aufgebaut, wodurch Kosten gesenkt und die Skalierbarkeit verbessert werden.
● LeistungssteigerungenOptionen für Rolling Shutter und Global Shutter, verbesserte Lichtempfindlichkeit und höhere Bildraten.
● Integration & IntelligenzCMOS-Sensoren unterstützen jetzt On-Chip-KI-Verarbeitung, Edge-Computing und Echtzeitanalyse.
● InnovationNeue 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
Dank ihres ausgewogenen Verhältnisses von Leistung, Effizienz und Kosten haben sich CMOS-Sensoren zum modernen Standard für die meisten bildgebenden Anwendungen entwickelt. Ob beim Festhalten alltäglicher Erinnerungen oder bei der Durchführung wissenschaftlicher Hochgeschwindigkeitsanalysen – die CMOS-Technologie bildet das Fundament unserer heutigen visuellen Welt.
Da Innovationen wie Global Shutter CMOS und sCMOS die Möglichkeiten der Technologie stetig erweitern, dürfte ihre Dominanz auch in den kommenden Jahren anhalten.
Häufig gestellte Fragen
Worin besteht der Unterschied zwischen einem Rolling Shutter und einem Global Shutter?
Ein Rolling Shutter liest die Bilddaten Zeile für Zeile aus, was bei der Aufnahme von sich schnell bewegenden Motiven zu Bewegungsartefakten (z. B. Verzerrungen oder Wackeln) führen kann.
Ein globaler Verschluss erfasst das gesamte Bild gleichzeitig und eliminiert so Bewegungsartefakte. Er ist ideal für Hochgeschwindigkeits-Bildgebungsanwendungen wie maschinelles Sehen und wissenschaftliche Experimente.
Was ist der Rolling-Shutter-CMOS-Überlappungsmodus?
Bei CMOS-Kameras mit Rolling-Shutter kann im Überlappungsmodus die Belichtung des nächsten Bildes beginnen, bevor die aktuelle vollständig abgeschlossen ist. Dies ermöglicht höhere Bildraten. Möglich wird dies durch die zeitliche Versetzung von Belichtung und Auslesung der einzelnen Bildzeilen.
Dieser Modus ist nützlich in Anwendungen, bei denen maximale Bildrate und hoher Durchsatz entscheidend sind, wie beispielsweise bei Hochgeschwindigkeitsinspektionen oder Echtzeit-Tracking. Allerdings kann er die Komplexität von Timing und Synchronisierung geringfügig erhöhen.
