Startseite > Automation > Verzerrungseffekte gehören der Vergangenheit an

CMOS-Bildsensoren mit Global Shutter

Verzerrungseffekte gehören der Vergangenheit an

27. Oktober 2010, 16:56 Uhr | Andreas Knoll

32 digitale 10-Bit-LVDS-Ausgänge mit einer Übertragungsrate von jeweils 620 MBit/s vermitteln dem 25-Megapixel-CMOS-Bildsensor »VITA 25K« eine Erfassungsrate von 53 Frames/s bei voller Auflösung.

Bei den Bildsensor-ICs tut sich einiges: Hochauflösende CMOS-Sensoren mit Global Shutter sind in der industriellen Bildverarbeitung ebenso im Kommen wie CCD-Sensoren mit Auflösungen über die bislang als Maximum für Industriekameras üblichen 16 Megapixel hinaus. Und: CMOS-Sensoren sind nach wie vor ein gutes Stück davon entfernt, ihre CCD-Pendants vollständig zu verdrängen; vielmehr existieren beide Sensorarten weiterhin nebeneinander.

▶ Diesen Artikel anhören

»Der Bildsensor ist in einer CCD-Kamera meist das teuerste Element«, betont Ulf Weißer, geschäftsführender Gesellschafter von SVS-Vistek. »Kameras mit besonders hohen Pixel-Zahlen zu entwickeln, ist hauptsächlich eine Frage des Preises der Sensoren.« Sein Unternehmen hat angekündigt, zur Messe »Vision 2010« in Stuttgart den Prototyp einer Kamera mit dem 29-Megapixel-CCD-Bildsensor KAI-29050 von Kodak vorzustellen, der momentan als Sample erhältlich ist.

Die großen Datenmengen, die der Sensor erfasst, sind durchaus beherrschbar: »Um die Datenausgabe zu beschleunigen, nutzen die Hersteller hochauflösender Bildsensoren die Multi-Tap-Technik«, verdeutlicht Walter Denk, geschäftsführender Gesellschafter von SVS-Vistek. »Die Sensorfläche eines 4-Tap-Sensors wie dem neuen KAI-29050 ist in vier gleich große Sektoren aufgeteilt, deren Daten parallel ausgelesen werden. Jeder Tap hat dafür einen separaten Datenausgang. Die Kameraelektronik setzt die Bilder dann wieder zusammen.« Zwar sei dieser Tap-Abgleich eine anspruchsvolle Aufgabe. »Ohne Parallelisierung wären aber die Bildfrequenzen viel geringer«, ergänzt Denk. »Weil der Bildsensor als Ganzes nur eine begrenzte Bandbreite hat, wären zudem Rauschen, Übersprechen und Überhitzung die Folge.« Ein kritischer Punkt ist aus seiner Sicht auch das Abbildungsverhalten der Optik: »Kameras mit derart hochauflösenden Bildsensoren erfordern besonders hochwertige Objektive«, führt er aus.

Pixel-Zahlen über 20 Millionen sind freilich nicht mehr das Privileg von CCD-Bildsensoren. Ihre Pendants aus der CMOS-Welt stoßen mittlerweile ebenfalls in diese Regionen vor und sind dabei sogar mit dem Global-Shutter-Verfahren ausgestattet, das den für sie typischen Rolling-Shutter-Effekt ausgleicht: »CMOS-Bildsensoren mit Rolling Shutter lesen Pixelzeile für Pixelzeile nacheinander aus«, erklärt Thomas Schmidgall, Marketing Manager von IDS Imaging Development Systems. »Das Ergebnis ist ein Pixelzeilen-Versatz bei Bewegtbildern, der nur mit erheblichem Aufwand auszugleichen ist. Mit Global Shutter ausgestattete CMOS-Bildsensoren dagegen lesen das komplette Bild auf einen Schlag aus.« Der Versatz bei Bewegtbildern sei bei ihnen somit kein Thema.

Den Auflösungs-Rekord in der Disziplin »CMOS-Bildsensor mit Global Shutter« hält seit kurzem Cypress Semiconductor: Das US-Unternehmen hat vor kurzem den Bildaufnehmer »VITA 25K« vorgestellt, der als erster 25-Megapixel-CMOS-Bildsensor mit Pipelined- und Triggered-Global-Shutter-Technik eine Bilderfassungsrate von 53 Frames/s bei voller Auflösung erreicht. Jeder der 5120 x 5120 aktiven Bildpunkte ist 4,5 x 4,5 µm groß.

Der Bildsensor hat 32 digitale 10-Bit-LVDS-Ausgänge, die eine stromsparende und rauscharme Übertragung der Bilddaten erlauben. Die Übertragungsrate von 620 MBit/s je Kanal macht die Erfassungsrate von 53 Frames/s bei voller Auflösung möglich - verzerrungsfreie Bilder sind das Ergebnis. Ausgelegt ist der Baustein für Inspektionssysteme und andere industrielle Bildverarbeitungs-Anwendungen der oberen Leistungsklasse, für die biometrische Inspektion etwa mit Handabdruck-Lesern der nächsten Generation sowie für intelligente Verkehrsleitsysteme.

Der Bildaufnehmer bietet ein optisches Format von 35 mm mit einem Digitalausgang in Schwarz-Weiß oder Farbe. Seine Pipelined Global-Shutter-Technik gestattet die Aufnahme eines neuen Bildes, während das vorherige noch ausgelesen wird, um Unschärfen bei Bewegtbildern zu verringern. Arbeiten kann der Baustein auch in einem Rolling-Shutter-Modus mit Correlated Double Sampling (CDS), um das Rauschen zu reduzieren und den Dynamikbereich zu vergrößern. Der Anwender kann innerhalb eines vom Sensor erfassten Bildes bis zu 32 individuelle Regions of Interest (ROI) programmieren, um mehr Details betrachten zu können.