CMOS gegenüber CCD

Ing. Dirk Taeymanns, Technical Support Engineer, C-Cam Technologies, Heverlee, Belgien

CCD war während dieses Jahrzehnts das Gesprächsthema in der Industrie und den Technischen Universitäten bzw. Hochschulen. Die Technologie der immer kleineren, schnelleren und leistungsfähigeren Mikroprozessoren haben das Verfahren der digitalen Bilderfassung gefördert.

Mathematische Verfahren konnten der großen Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden und haben sich als großer Schritt nach vorne bei der Analyse komplizierter Vorgänge erwiesen, bei denen Bilder das Objekt der Untersuchung waren.

Jetzt ist allerdings etwas Neues im Gespräch: CMOS-Sensoren. Warum sollten wir eigentlich eine neue Sensor-Art entwickeln, wenn alle Welt bereits weiß, daß der CCD im Glanz des Ruhmes steht? Die Antwort darauf ist recht simpel: nichts ist perfekt. Die CCD-Sensor-Technologie weist an gewissen Stellen noch Schwachpunkte auf, die sich durch die neue CMOS-Sensor-Technologie überwinden lassen. Bedeutet das, daß CMOS den Platz von CCD einnimmt? In gewissen Punkten ja und in anderen nein. Um diese Aussage zu verdeutlichen, möchte ich mehr in die praktischen Unterschiede eingehen.

Jeder, der bereits mit CCDs gearbeitet hat, kennt den mit Blooming bezeichneten Bewölkungseffekt. Blooming ist ein Vorgang, der sichtbar wird, sobald eine zu hohe Lichtkonzentration auf einen Punkt des Sensors fällt. Dauert der Lichteinfall auf ein und demselben Punkt zu lange, werden die betroffenen Pixel gesättigt. In diesem Fall kann das Pixel seine elektrische Ladung (das sog. Ladungspaket) nicht mehr vollständig halten. Die zusätzliche Ladung wandert von der ursprünglichen Stelle ab und fließt auf die umliegenden Pixel – die Nachbar-Pixel – über. Die Nachbar-Pixel werden sozusagen in Mitleidenschaft gezogen. Und die Solidarität zwischen den Pixel, ihrem überlasteten Kollegen zu helfen, macht hier nicht Halt. Wenn die Nachbarn ebenfalls gesättigt sind, setzt sich der Vorgang auf die Nachbarn der Nachbarn fort. Sie können sich jetzt sagen, daß diese Pixel alle zusammen eine große glückliche Familie bilden, was auch stimmt, aber sie beeinträchtigen die Bildqualität. Der Sensor weist an diesen Stellen weiße Pixel mit unregelmäßiger Form auf, die sich in Leserichtung des CCD-Sensors (vgl. Abbildung 1) ausbreiten. In diesem Bereich gehen alle möglichen Informationen unwiderruflich verloren. Es gibt zwar heute CCDs mit Anti-Blooming-Effekt, aber sie verlieren dann rund 30 % Erfassungsempfindlichkeit, da neben den Pixel Ladungsablaufrinnen angebracht sind, um die Ladungen von dem Sensor abzuleiten.

CMOS-Sensoren ist dieser Blooming-Effekt unbekannt. Wenn ein Pixel gesättigt ist – ist es eben so! Die umliegenden Pixel werden durch ihren überlasteten Kollegen nicht in Mitleidenschaft gezogen. Das CMOS weist eine hervorragende Blooming-Unterdrückung auf, und zwar ohne Nebeneffekte.

Daneben hilft ein anderer Vorteil, das Blooming-Problem zu überwinden. Der Dynamikbereich eines CMOS-Sensors ist wesentlich breiter als der eines herkömmlichen CCD. Praktisch bedeutet das, daß der CMOS-Sensor auf eine sehr starke Lichtquelle gerichtet bleiben kann, während die CCDs bereits erblindet sind.

Der Grund dafür ist, daß CMOS mit einer logarithmischen Spektralempfindlichkeit arbeitet, die typisch ist für Silicium-Dioden. Der Dynamikbereich eines CMOS-Sensor beträgt ungefähr 100 000 : 1. Aufgrund der linearen Empfindlichkeit liegt der Dynamikbereich des CCD bei ungefähr 1000 : 1. Das bedeutet, daß ein CMOS in einem Umfeld mit stark schwankenden Lichtbedingungen mehr sehen kann als ein CCD.

Lassen Sie mich dieses Phänomen anhand eines Beispiels erläutern. In Abbildung 1sehen Sie die Aufnahme eines elektrischen Schweißbogens. Sie sehen lediglich den Schweißbogen – alle Informationen zu seinem Umfeld fehlen. In Abbildung 3 sehen Sie den gleichen Schweißbogen, allerdings mit einem CMOS FUGA 15 Sensor aufgenommen. Der Unterschied springt ins Auge. Sie sehen nicht nur den Schweißbogen, sondern auch noch das Substrat. Daneben gibt es noch einen weiteren, sehr hilfreichen Vorteil. CMOS-Sensoren wie der FUGA 15 können sehr schnell ausgelesen werden.

Mit diesem bestimmten Sensor ist eine pa-rallele On-Chip-Verarbeitung möglich, die die Leistungsfähigkeit des Systems steigert. Aufgrund dieses Direktzugriffs entfallen komplizierte Timing-Vorrichtungen oder kostspielige mechanische Verschlüsse. Was allerdings alles in den Schatten stellt, ist die Tatsache, daß Pixel auf dem Sensor willkürlich angesteuert werden können. Dies ermöglicht ein Subsampling des Sensors (Überspringen von Pixel und/oder Zeilen) für den Erhalt einer Rohabbildung und zur Festlegung des Ausschnittfensters.

Anschließend wird dann lediglich das Ausschnittfenster mit voller Auflösung ausgelesen. Dabei kann das Ausschnittfenster einem sich bewegenden Gegenstand nachgeführt werden.

Dieses Verfahren verringert die Datenmenge und ermöglicht sehr hohe Durchsatzraten. Mit einem CCD muß die ganze Spalte und noch mehr ausgelesen werden. Daher ist ein CMOS-Sensor einfacher in der Bedienung und vereinfacht die Anwendungsprogrammierung, da komplizierte Treiber oder Timer entfallen.

Das Auslesen der Daten von einem CMOS- Sensor ist so unkompliziert wie das Auslesen von einem ROM-Chip.

Daher ist CMOS wesentlich preisgünstiger für die Kamera-Hersteller, da für den Bau einer Kamera weniger Bestandteile benötigt werden. In Abbildung 4 ist eine typische CMOS-Kamera dargestellt. Die gesamte Kamera ist nicht größer als 4,1 cm x 4,1 cm und könnte noch kleiner sein. Die CMOS- Sensor-Kamera von C-Cam-Technologies ist mit einigen Programmierbeispielen in C++ ausgestattet, die sich unkompliziert einsetzen lassen und den Kamera-Benutzer in die Lage versetzen, eigene Anwendungen zu entwickeln.

Der Benutzer kann somit vom ersten Augenblick an mit seinem Projekt beginnen, ohne zuerst ein umfangreiches Handbuch lesen zu müssen. Die von dem Sensor gelieferten Daten können in einen File (Datei) über-tragen und anschließend aufwandslos in einem Bildverarbeitungsprogramm übernommen werden. Dazu ist kein kostspieliger Framegrabber erforderlich.

Der CMOS-Sensor ist mit einigen Funktionen bestückt. Dadurch wird der CMOS-Sensor zu einem intelligenten Sensor, der die Kosten für zusätzliche Elektronikteile ver-ringert, die in CCD-Kameras erforderlich sind. Für die FUGA 15 mit 512 x 512 Weitfeld-Sensor werden weniger als 30 Bauteile benötigt, um eine vollfunktionsfähige Ka-mera zu bauen.

Und in diesen Bauteilen ist eine automa-tische Restlichtverstärkersteuerung bereits einbegriffen. Aufgrund der CMOS-Technologie und den nur wenigen zusätzlichen Elektronikteilen ist die für den Kamerabetrieb erforderliche elektrische Stromversorgung sehr gering.

Die Leistung, die die Hauptplatine an die einzelnen Einschübe abgibt, ist bereits ausreichend, um diese Aufgabe zu erfüllen.

Beim Lesen dieses Artikels werden Sie meinen, daß dies ein neue Wunder-Technologie sein muß. Und Sie werden sich fragen, wie Sie den Sensor einsetzen können.

CCD werden im Normalfall nur kurz dem Lichteinfall (Integrationsdauer) ausgesetzt, wobei diese Dauer von sehr kurz bis sehr lang (meistens Sekunden) eingestellt werden kann. Nachdem CMOS-Sensoren einen Direktausgang aufweisen, ist eine derartige Integration nicht möglich.

Um dieses Problem zu überwinden, können Sie allerdings aufeinanderfolgende Bilder hinzufügen, da der Sensor sehr schnell ist. Das Ergebnis ist praktisch gesehen das gleiche.

Auch wenn dies in bestimmten Projekten einen Nachteil darstellen mag, in 99 % der Fälle werden keine langen Belichtungszeiten benötigt.

Obwohl die CMOS-Technologie noch völlig neu ist, ist eine breitflächige Entwicklung dieser Sensoren in naher Zukunft zu er-warten.

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