Sony setzt auf CMOS, IDS ebenfalls Der Trend geht von CCD- zu CMOS-Bildsensoren

Daniel Diezemann, IDS Imaging Development Systems: »Mittlerweile sind Kameras mit CMOS-Bildsensoren so gut geworden, dass es für die meisten Anwendungen schlicht kein stichhaltiges Argument mehr für CCD-Kameras gibt.«
Daniel Diezemann, IDS Imaging Development Systems: »Mittlerweile sind Kameras mit CMOS-Bildsensoren so gut geworden, dass es für die meisten Anwendungen schlicht kein stichhaltiges Argument mehr für CCD-Kameras gibt.«

In den vergangenen Jahren haben CMOS-Bildsensoren in Industriekameras stark an Marktanteil gegenüber CCD-Bildsensoren gewonnen. Daniel Diezemann, Senior Vision Consultant bei IDS Imaging Development Systems, informiert über Vor- und Nachteile sowie die Zukunft von CCD- und CMOS-Sensoren.

Markt&Technik: Sony als CCD-Marktführer hat angekündigt, die Produktion von CCD-Sensor-Wafern im März 2017 einzustellen, wobei der Assembly-Prozess für die in ihr Gehäuse gepackten Bausteine aber bis März 2020, für »High-Runner« und einige Medical-CCDs sogar bis Anfang 2026 weitergehen soll. Welche Ursachen hat Sonys Schritt, und wie begründet das Unternehmen ihn?

Daniel Diezemann: Sony ist der Marktführer für CCD-Sensoren, die Produktionszahlen aber stagnieren seit Jahren. Im CMOS-Sektor dagegen explodieren die Stückzahlen regelrecht. Dazu trägt nicht nur Apple als einer der Hauptabnehmer bei. Sony muss seine Produktionskapazitäten an diesen Wandel anpassen, und so liegt es nahe, die eigene CCD-Fertigung samt der dort tätigen Spezialisten auf CMOS umzurüsten statt ein neues Werk zu bauen. Diese Entwicklung überrascht uns aber nicht. Wir haben uns schon 2011 dazu entschlossen, in neue Kameramodelle nur noch CMOS-Sensoren zu integrieren.


Haben die anderen CCD-Sensorhersteller bereits in irgendeiner Form auf Sonys Schritt reagiert?

Kodak hat sein CCD-Sensor-Portfolio schon vor drei Jahren als »Truesense Imaging« ausgegliedert und an einen Finanzinvestor verkauft. Dieser hat Truesense Imaging im vergangenen Jahr an On Semiconductor weiterveräußert.


Gibt es für CCD-Sensoren tatsächlich keine Zukunft mehr?

Sony selbst hat mit der neuen CMOS-Serie »Pregius« gezeigt, dass die seit Jahrzehnten bewährten Details eines CCD-Sensors durchaus auch in die CMOS-Welt passen. Der erste Sensor dieser Reihe, der IMX174, zeigt Eigenschaften, die wir schon beim Pixel-Aufbau von CCD-Sensoren gesehen haben. Sony hat es geschafft, ein fast rauschfreies Pixel zu entwickeln, in dem die Storage Node - die Speicherzelle für die Pixel-Spannung am Ende der Belichtungszeit - direkt an der Photodiode liegt. Ein Transistor dazwischen, der zusätzliches Rauschen verursacht, ist nicht mehr erforderlich. Zudem ist die Storage Node so tief vergraben und vom Licht abgeschirmt, dass hier eine exzellente Shutter-Effizienz erreicht wird.

Dies ermöglicht Außenaufnahmen bei hellstem Sonnenlicht ohne Geisterbilder sowie extreme Low-Light-Applikationen. Auch mit maximalem Gain sind die Bilder noch auswertbar. All das haben wir vermessen und dabei mit unseren CMOS-Kameras Werte erreicht, die die Modelle mit dem CCD-Referenzsensor ICX285 locker schlagen. Sony hat hier die gesamte CCD-Erfahrung in ein neues Produkt fließen lassen. Dank kostenloser Demo-Boards, einem zeitnahen Support und hervorragenden technischen Unterlagen konnte IDS in Rekordzeit einen lauffähigen Kamera-Prototypen mit dem neuen IMX174-Sensor entwickeln.


Welche Vorteile können CCD-Sensoren noch für sich in Anspruch nehmen, wenn man sie mit der modernsten Generation von CMOS-Sensoren vergleicht? Oder anders gefragt: Gibt es Anwendungen, für die Sie nach wie vor ein Kameramodell mit CCD-Sensor empfehlen würden?

CCD-Sensoren, das muss man leider sagen, haben bei den meisten neuen Projekten verloren. Dabei spielen nicht nur die absehbare Zeitspanne der Verfügbarkeit eine Rolle, sondern auch die höheren Herstellkosten, die niedrigere Geschwindigkeit und weitere bildtechnische Eckdaten. Vom technischen Aufwand der Ansteuerung mal ganz abgesehen. Mittlerweile sind Kameras mit CMOS-Sensoren so gut geworden, dass es für die meisten Anwendungen schlicht kein stichhaltiges Argument mehr für CCD-Kameras gibt. Lediglich in der Langzeitbelichtung oder wenn besonders homogene Bilder erforderlich sind, können sie noch punkten.

Zu den Nachteilen von CMOS-Sensoren zählen eine geringere Lichtempfindlichkeit und ein reduzierter Dynamikumfang. Die modernen Sensoren haben hier aber aufgeholt.


Inwieweit fallen die beiden genannten Nachteile bei der modernsten Generation von CMOS-Sensoren noch ins Gewicht?

Wir bauen momentan etwa 35 verschiedene CMOS-Sensoren in unsere Kameras ein. Jeder Sensor hat natürlich spezifische Stärken und Schwächen. Wenn Sie aber unsere EMVA-1288-Messergebnisse ansehen, schneiden die CMOS-Versionen im Vergleich zu den CCD-Varianten meist deutlich besser ab - sei es in der Dynamik, im Rauschverhalten oder in der Sensitivität. Auch die Quanteneffizienz, besonders im hohen IR-Bereich, erschließt viele neue Anwendungsgebiete.