Wechsel der inneren Werte?
Moderne CMOS-Kameras als Ersatz für CCD-Kameras
Seit Sony seine CCD-Sensoren für 2026 abgekündigt hat, stellen sich viele Anwender die Frage, was die neuesten CMOS-Sensoren gegenüber alten CCD-Sensoren für Vorteile bringen. Wir wollen diese Frage beantworten, die Sensor-Technologien kurz erklären, neue CMOS-Sensoren mit CCD-Sensoren vergleichen und aufzeigen, wann es Sinn macht, eine neue CMOS-Kamera auszuwählen und was bei der Integration zu beachten ist.
Auf dem Markt existieren sowohl CCD-Sensoren als auch CMOS-Sensoren. Ihre Aufgabe ist es, Licht (Photonen) in elektrische Signale (Elektronen) umzuwandeln. Diese Aufgabe wird von beiden Sensor-Arten mit einem grundverschiedenen Aufbau gelöst.
Aufbau CCD: Beim CCD-Sensor werden die durch Belichtung im Halbleitermaterial der Pixel entstandenen Ladungen, mit Hilfe sehr vieler kleiner Verschiebe-Operationen relativ zeitaufwändig zu einem zentralen Verstärker und A/D-Wandler transportiert. Dort wird die Ladung zunächst in eine Spannung umgewandelt und dann digitalisiert.
Aufbau CMOS: Beim CMOS-Sensor ist jedem einzelnen Pixel ein Kondensator zugeordnet, der die bei der Belichtung des Pixels erzeugte Ladung speichert. Sie ist proportional zur Helligkeit und zur Belichtungszeit. Im Gegensatz zu CCDs wird diese Ladung nicht zu einem zentralen Ausleseverstärker verschoben, sondern direkt am Entstehungsort über mehrere Transistoren in eine Spannung umgewandelt, die dem Analogsignalprozessor zur Verfügung gestellt wird. Jeder Pixel kann damit direkt ausgelesen werden. Dadurch steht die Bildinformation schneller zur Verfügung als beim CCD-Sensor. Artefakte bei Überbelichtung, wie z.B. Blooming und Smearing fallen deutlich geringer aus bzw. sind gar nicht vorhanden. Ein Nachteil ist, dass die Transistoren jedes Pixels Platz benötigen, der nicht mehr als lichtempfindliche Fläche genutzt werden kann.
Multi-Tap-CCD-Sensoren
Das Verschieben der Ladung im CCD-Sensor erfordert besonders bei hoher Auflösung viel Zeit. So sind der maximalen Bildwiederholrate Grenzen gesetzt. Die Antwort auf dieses Problem ist der Multi-Tap-Sensor, bei dem die Sensorfläche in mehrere Bereiche aufgeteilt ist. Jeder Bereich verfügt über eine eigene Elektronik und einen eigenen Ausgang, den sogenannten Tap. Die Strecke für den Ladungstransport kann so reduziert werden. Über die Taps werden die Bildinformationen der Bereiche gleichzeitig ausgelesen und später zu einem Bild zusammengesetzt. Dabei führen schon kleinste Abweichungen zu sichtbaren Unterschieden im Bild, die vor allem an den Tap-Grenzen für das menschliche Auge sichtbar sind. Um das zu verhindern, müssen die einzelnen Taps genau aufeinander abgestimmt werden. Generell ist der Stromverbrauch bei Multi-Tap-Sensoren größer. Dadurch entsteht mehr Wärme in der Kamera, die tendenziell das Rauschen erhöht und ggf. besondere Kühlmaßnahmen nötig macht. Durch die hohe Geschwindigkeit der CMOS-Sensoren – auch bei hoher Auflösung – besteht für diesen Sensortyp nicht die Notwendigkeit zum Einsatz der Multi-Tap-Architektur. Aber nicht nur die Multi-Tap-CCD-Sensoren, sondern auch Standard-CCD-Sensoren haben Nachteile gegenüber CMOS-Sensoren (Tab. 1). Erst seit Kurzem sind hochauflösende Global Shutter-CMOS-Sensoren erhältlich, deren Bildqualität die von CCDs übertrifft.
Wann sollte man über einen Wechsel nachdenken?
Wenn Sie eine oder mehrere der folgenden Fragen mit ‚Ja‘ beantworten, sollten Sie über einen Wechsel zu CMOS-Kameras nachdenken:
- • 1. Möchte ich eine Steigerung der Performance in meinem System durch höhere Bildraten erreichen?
2. Möchte ich eine Steigerung der Performance, um auch bei schwierigen Lichtverhältnissen mehr zu sehen?
3. Stellt die Wärmeentwicklung in der Kamera ein Problem dar? Muss aufwändig gekühlt werden?
- • 4. Stellen Bildstörungen, wie sichtbare Linien, Blooming oder Smearing ein Problem dar?
- • 5. Muss ich eine Kostenreduzierung erreichen?
Was ist bei der Integration von CMOS-Kameras zu beachten?
Ist die Entscheidung für eine CMOS-Kamera getroffen, sind ein paar Dinge zu beachten, um eine schnelle und effektive Integration zu ermöglichen. Ein Vorteil: Die komplette, hochkomplexe Sensor-Integration samt Optimierung der Bildqualität gehört zum Kern-Know-How der Kamera-Hersteller und ist bereits erledigt, wenn Sie Ihre CMOS-Kamera in den Händen halten. Bei der Auswahl der Kamera müssen Sie sich nur mit den ‚äußeren‘ Punkten beschäftigen, wie die Bestimmung der richtigen Kameraauflösung, Definition des benötigten Interfaces, Auswahl von Objektiv und Beleuchtung, die Auswahl der Kamera nach den ermittelten Anforderungen sowie der Integrationsaufwand für Software und Kamera-Ansteuerung.
Fazit
Moderne CMOS-Sensoren sind Multi-Tap-CCD- oder Standard-CCD-Sensoren meist überlegen. Und das nicht nur aufgrund der Preisvorteile, sondern auch wegen technischer Vorteile, wie höherer Geschwindigkeit, besserer Auflösung, weniger Bildartefakten oder geringerer Wärmeentwicklung. Die Integration von neuen CMOS-basierten Kameras als Austausch oder Alternative zu CCD-Sensoren ist einfacher als oft befürchtet, insbesondere, wenn der Anwender standardkonforme Hardware und Software wählt.
