Erfolgsstory

Überblick und Roadmap der Sony-CMOS-Sensoren

Sony hat mittlerweile vier recht ähnlich klingende Markennamen für seine Machine-Vision-CMOS-Sensoren eingeführt. Die Sensoren gehören zu den beiden Hauptproduktlinien Exmor und Pregius. Exmor-Sensoren bieten einen Rolling-Shutter, Pregius-Sensoren einen Global Shutter. In dem folgenden Artikel beschreiben wir jeden Sensortyp sowie die Unterschiede und bevorzugten Anwendungsgebiete.

Bild 1 | Im Gegensatz zu klassischen Rolling-Shutter-Sensoren, verwenden die Exmor-Sensoren mehrere ADCs parallel, was die Auslesegeschwindigkeit deutlich erhöht. (Bild: Flir Systems, Inc.)

Rolling-Shutter-Sensoren nutzen klassische Analog-Digital-Wandler (ADC) und die Pixelreihen werden nacheinander ausgelesen. Diese Architektur benötigt weniger Schaltkreise je Pixel, wodurch die Sensoren weniger komplex sind und somit kostengünstiger entwickelt und produziert werden können. Der größte Nachteil von Rolling-Shutter-Sensoren liegt im zeilenweisen Auslesen. Die Belichtungszeit jeder Zeile ist identisch, jedoch zeitlich versetzt. Ein bewegtes Objekt erscheint daher in jeder ausgelesenen Zeile an einer anderen Position, was zu der charakteristischen Rolling-Shutter-Verzerrung führt. Der Beitrag beschreibt Ansätze um diese Verzerrung zu reduzieren oder zu vermeiden.

Exmor

Bild 2 | Der globale Reset der Exmor-Sensoren führt bei kurzen Belichtungszeiten zu unterschiedlichen Helligkeiten im Bild. (Bild: Flir Systems, Inc.)

Die Exmor-Architektur ist auf geringes Rauschen und hohe Geschwindigkeit ausgelegt. Im Gegensatz zu klassischen Rolling-Shutter-Sensoren, verwenden die Exmor-Sensoren mehrere ADCs parallel. Dies erhöht die Auslesegeschwindigkeit und liefert so mehr Bilder pro Sekunde. Zudem reduziert die parallele Anwendung der ADCs auf verschiedene Spalten den analogen Signalpfad und damit das Rauschen. Die Exmor Sensoren nutzen außerdem Correlated Double Sampling, um das Rauschen aus dem Analogsignal zu entfernen. Mittels digitaler Rauschreduktion wird die Genauigkeit der Analog-Digital-Wandlung verifiziert. Um den Einfluss der Rolling-Shutter-Verzerrung zu reduzieren, bieten die Exmor Sensoren einen globalen Reset. Dieser wird auf alle Pixel gleichzeitig angewendet und synchronisiert das Ende der Belichtungszeit über alle Reihen hinweg. Der globale Reset verringert zwar die Rolling-Shutter-Verzerrung, führt jedoch bei kurzen Belichtungszeiten zu unterschiedlichen Helligkeiten im Bild. Dies kommt daher, dass die oberen Zeilen eine kürzere Gesamt-Belichtungszeit haben als die unteren, da die Belichtung der Zeilen nacheinander startet, aber gleichzeitig endet. Erhöht man jedoch die Belichtungszeit, verringern sich die relativen Unterschiede in den Belichtungszeiten und die sichtbaren Unterschiede in der Helligkeit nehmen ab.

Exmor R

Bild 3 | Die Exmor R-Technologie zeichnet sich durch ihre Pixelarchitektur aus, bei der Vor- und Rückseite klassischer Pixel vertauscht wurden (Backside-illuminated). (Bild: Flir Systems, Inc.)

Ursprünglich für den Markt der Überwachungstechnik entwickelt, zielte die Marke Exmor R auf hervorragende Bildqualität bei geringer Helligkeit ab. Die Exmor R Technologie zeichnet sich durch ihre Pixelarchitektur aus, bei der Vor- und Rückseite klassischer Pixel vertauscht wurde (Backside-illuminated). Hier liegen die Schaltkreise zum Auslesen nicht mehr zwischen der Mikro-Linse und der Photodiode, sondern hinter der lichtempfindlichen Diodenschicht. Dadurch trifft das einfallende Licht direkt auf die Photodiode. So kann ein höherer Anteil der einfallenden Photonen in Ladungsträger gewandelt werden, was die Quanteneffizienz erhöht. Da bei backside-illuminated-Sensoren keine Drähte die Photodiode abschatten, können sie auch schief einfallendes Licht besser nutzen. Bei Blenden größer als f/2.0 sind Exmor R-Sensoren deutlich effizienter in der Lichtausbeute als konventionelle Sensoren.

Starvis

Starvis ist eine eigene Marke aus dem Bereich Exmor R. Diese Sensoren erreichen Empfindlichkeiten von 2.000mV und mehr pro Fläche von mindestens 1µm² (Farb-Produkt, f/5.6 bei 1s Belichtung, entspricht einer Beleuchtung mit 706cd/m2). Dank dieser hohen Empfindlichkeit sind die Sensoren optimal geeignet für Anwendungen mit geringen Lichtverhältnissen, wie sie z.B. in der Sicherheitstechnik, Laparoskopie oder Fluoreszenz-Mikroskopie zu finden sind. Ihre vergleichsweise hohe NIR-Empfindlichkeit (ca. 7% bei 950nm) macht sie zudem zu kostengünstigen Alternativen von dedizierten NIR-Sensoren für die Inspektion von Solarpanels. Die ersten Starvis-Sensoren, wie z.B. der IMX172, waren lediglich als Farbversionen erhältlich. Jedoch, brachte der Bedarf aus dem industriellen Sektor Sony dazu, auch monochrom Varianten der kommenden IMX183, IMX178 und IMX226 anzubieten. Im Vergleich zu den Farbversionen haben die monochrom Modelle eine höhere Quanteneffizienz und größere NIR-Empfindlichkeit. Die EMVA1288-Ergebnisse der Sensoren können mittels des Flir Kamera-Selektors verglichen werden (www.flir.com/mv-camera-selector).

Global Shutter

Global-Shutter-Sensoren sind ideal für Anwendungen bei denen sich das Objekt relativ zur Kamera bewegt, wie z.B. bei der Hochgeschwindigkeits-Inspektion von Produkten, in der Verkehrsüberwachung oder der Analyse von Vibrationen. Zudem eignen sich die Sensoren hervorragend für Anwendungen in der Virtual Reality, volumetrische Aufnahmen und 3D-Scanning, wo verzerrungsfreie Aufnahmen benötigt werden. Bei der Bildaufnahme eines Global-Shutter-Sensors, werden alle Pixel gleichzeitig ausgelesen. Dafür besitzt jedes Pixel seinen eigenen Ausleseschaltkreis inklusive eines Verstärkers und ADCs. Die parallele ADC-Architektur führt zu weniger Rauschen und höheren maximalen Bildraten. Die Analog-Digital-Wandlung auf Pixelebene minimiert die analoge Signalstrecke und ermöglicht den Einsatz von langsameren ADCs, die weniger Rauschen hervorrufen als die für die Signalverarbeitung von zahlreichen Pixeln notwendigen Hochgeschwindigkeits-ADCs. Üblicherweise sind Global-Shutter-Sensoren teurer als Rolling-Shutter-Designs. Da sie mehr Transistoren pro Pixel benötigen, sind die Sensoren größer und komplizierter in der Entwicklung und Fertigung. Die Herstellung erfordert extrem präzise Techniken, um das konstante Störmuster (fixed pattern noise) zu minimieren, welches durch die Varianz in den Verstärker- und ADC-Transistoren in jedem Pixel entsteht.

Pregius

Die Einführung der ersten Sony Pregius-Sensoren 2013 war nicht weniger als eine Revolution. Die hohe Quanteneffizienz und das geringe Ausleserauschen des IMX174 eröffnete neue Perspektiven der Global Shutter CMOS-Technologie. Sie bot die gleiche oder noch bessere Leistung im Vergleich zu CCD-Sensoren zu einem erschwinglichen Preis. Die zweite Generation der Sony Pregius-Sensoren bot eine noch höhere Auslesegeschwindigkeit und kleinere Pixel. Die nur 3,45µm großen Pixel ermöglichten Auflösungen von bis zu 12,3MP in einem optischen Format von 1,1″ – gerade noch kompatibel mit dem standardmäßigen C-Mount. Sony kündigte jüngst eine dritte Generation von Pregius-Sensoren an. Als erstes kommt der 7,1MP IMX420 im 1,1″-Format. Er bietet weiterhin das geringe Ausleserauschen und die hohe Quanteneffizienz, erhöht jedoch die Dynamik um 5dB gegenüber der Vorgänger-Generation. Dies wird erreicht mithilfe einer neuen 4,5µm Pixelgröße, welche die richtige Balance aus der Sättigungskapazität der 5,86µm großen Pixel der ersten Generation und der Auflösung der 3,45µm großen Pixel der zweiten Generation liefert. Wie auch bei den vorherigen Pregius-Generationen werden kostengünstige Varianten mit eingeschränktem Funktionsumfang und geringeren Bildraten angeboten. Über die verbesserte Bildqualität hinaus bieten die neuen Sensoren auch größere Geschwindigkeiten, dank einer SVLS-Schnittstelle. Diese Technologie verdoppelt die Bandbreite im Vergleich zu Sensoren der zweiten Generation. So liefert der IMX420 beispielsweise 134fps mit 7,1MP bei 12Bit. Die angekündigte dritte Generation von Pregius-Sensoren umfasst direkte Alternativen für CCD-Nutzer, denen bislang noch keine Global-Shutter-Sensoren mit gleichem optischen Format und Pixelgröße zur Verfügung standen. Mittlerweile gibt es von Sony einen Global-Shutter-Sensor für die meisten Vision Anwendungen – mit besseren Leistungsdaten und geringeren Kosten als selbst die besten ExView HAD CCD II Sensoren.