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Eine Frage des Sensors

Whitepaper vergleicht Cmos und CCD
Eine Frage des Sensors

Eine Frage des Sensors
In der industriellen Bildverarbeitung werden Kameras zunehmend mit Cmos-Technologie ausgerüstetBild: Allied Vision
Cmos-Sensoren sind auf dem Vormarsch und lösen vielerorts die CCD-Technologie ab. Beide haben jedoch ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Welcher Sensor sich für welchen Einsatz am besten eignet und die gestellten Anforderungen erfüllt, hat Allied Vision in einem Whitepaper zusammengefasst.

CCD- und Cmos- Sensoren gehören zu den Quantendetektoren. Beide Technologie basieren auf dem Halbleitermaterial Silizium und sind damit in dem gleichen Spektralbereich von circa 300 bis 1000 nm empfindlich.

Der Unterschied zeigt sich dort, wo 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 Kameraelektronik. Alle Pixelladungen werden über einen Ausgang außerhalb des Sensors in eine analoge Spannung konvertiert.
Bei Cmos-Sensoren erfolgt dagegen die Ladungs/Spannungs-Wandlung in jedem Pixel des Sensors. Entsprechend der aktivierten Zeile wird das Signal über die Ausleseschaltung verstärkt, rauschminimiert und digitalisiert und schließlich über eine konfigurierbare Anzahl von LVDS-Leitungen (Low Voltage Differential Signaling) parallel übertragen.
Bei einem CCD-Sensor werden alle Pixelladungen über einen Ausgang in eine analoge Spannung konvertiert, verstärkt und digitalisiert. Dadurch wird eine hohe Homogenität der Pixel, ein sehr gleichförmiges Signal mit niedrigem Ortsrauschen (Fixed Pattern Noise) sowie typischerweise niedrigem Dunkelstrom und damit eine hohe Bildqualität erzielt.
Außerdem 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 — also der gleichzeitigen Belichtung aller Pixel. Aus diesem Grund sind CCDs besonders für den Einsatz in Machine-Vision-Applikationen geeignet, die sehr kurze Belichtungszeiten erfordern.
Gegen Blooming hilft nur weniger Licht
Ein Nachteil der CCD-Sensoren liegt in der begrenzten Auslesegeschwindigkeit des seriellen Datenstroms. Außerdem gelangen Ladungen größer der Full-Well-Kapazität der Pixelzelle in benachbarte Pixel. Dies wird in den typischen Blooming-Effekten sichtbar. Abhilfe schafft nur eine Reduzierung der einfallenden Lichtmenge
Bei einem Cmos-Sensor erfolgt die Ladungs/Spannungs-Wandlung in jedem Pixel und die Bildinformationen werden bereits auf dem Cmos-Sensor-Chip in digitale Informationen umgewandelt. Diese Funktionsweise erfordert eine erhöhte Komplexität des Designs.
Komplexere 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 unabhängig voneinander arbeitenden Verstärker. Durch technologisch bedingte Abweichungen entstehen Ungleichheiten in der Uniformität zwischen den Pixeln der einzelnen Spalten, was wiederum zu erhöhtem Ortsrauschen führt.
Für Applikationen mit bewegten Objekten ist eine Global-Shutter-Funktion der Sensoren notwendig. Diese erfordert einen Speicherbereich am Pixel, der möglichst gut vom Licht abgeschirmt ist. In der Praxis ist das vor allem bei älteren Cmos-Designs nicht gegeben.
Das parallele Auslesen der Bildinformationen aus einem Cmos-Sensor bietet aber den Vorteil der höheren Bildwiederholraten bei vergleichbaren Auflösungen, je nach Anzahl der LVDS-Leitungen. Des Weiteren ist es möglich, durch direkte Adressierung einzelner Pixel über ein oder mehrere Bildbereiche ein schnelleres und flexibles Auslesen zu erreichen. Da im CMOS-Sensor die Ladungen nicht vertikal und horizontal geschoben werden müssen, sondern direkt am Pixel in eine Spannung gewandelt werden, treten hier die Artefakte Blooming und Smearing nicht auf. Cmos-Sensoren können somit mit hohen Lichtintensitäten umgehen.
Ein weiterer Vorteil der Cmos-Sensortechnologie liegt in der Integration der Ansteuerschaltung (Taktgenerierung, Verstärker, A/D-Wandler) auf dem Sensor- Chip. Der Aufbau einer Kamera ist damit kostengünstiger und hat eine geringere Leistungsaufnahme im Verhältnis zu CCDs.
Für Anwendungen, bei denen hohe Bildwiederholraten in Verbindung mit hoher Auflösung gefordert sind, sind CMOS-Sensoren somit erste Wahl.
Neben dem Vorteil der hohen Bildwiederholrate verzeichnete die Cmos-Technologie in den vergangenen Jahren deutliche Fortschritte in der Bildqualität. Die Hersteller konnten ihre Cmos-Designs erheblich verbessern.
Die parasitäre Lichtempfindlichkeit des Speichers während des Auslesens wurde ebenfalls deutlich reduziert. Das Ergebnis ist eine verbesserte Global Shutter Effizienz. Somit eignen sich moderne Cmos-Sensoren ebenso für Applikationen mit bewegten Objekten. ■

Webhinweis
Informationen im Video zu Cmos-Kameras von Allied Vision finden Sie hier: http://goo.gl/RNUm9B
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