Trends bei CMOS-Bildsensoren

CMOS ist die bevorzugte Technik bei der Produktion schneller Bildsensoren. Es lassen sich drei Trends im Bereich der High- Speed-Bildsensoren ausmachen: Bausteine mit sehr hoher Geschwindigkeit, On-Chip-Integration weiterer Features und universelle High-Speed-Imager. Das Angebot ist groß, doch worauf ist bei der Auswahl zu achten?

CMOS ist die bevorzugte Technik bei der Produktion schneller Bildsensoren. Es lassen sich drei Trends im Bereich der High- Speed-Bildsensoren ausmachen: Bausteine mit sehr hoher Geschwindigkeit, On-Chip-Integration weiterer Features und universelle High-Speed-Imager. Das Angebot ist groß, doch worauf ist bei der Auswahl zu achten?

Auflösung und Frame- Rates erreichen mittlerweile enorme Größenordnungen: Stand der Technik sind Bildsensoren mit 1024 Pixel x 1024 Pixel und über 5000 Voll-Frames pro Sekunde. Nimmt man die Bildqualität von 10 Bit hinzu, errechnet sich auf der Kameraebene eine Gesamt- Datenrate von 55 GBit/s. Um diese extrem hohen Werte auf der Sensorebene zu erzielen, zusätzlich kombiniert mit hoher Bildqualität und – wie es für Applikationen dieser Art typisch ist – einer sehr hohen Empfindlichkeit, kommt es darauf an, das Design nicht nur im Hinblick auf einen korrekten Schaltplan zu betrachten.

Vielmehr ist ebenso auf ein ausgewogenes Layout zu achten. Die Stromversorgungs- Leiterbahnen müssen sorgfältig verteilt werden, und sämtliche parasitären Effekte, ob elektrischer oder optischer Natur, sind in jedem Knoten des Layouts genau zu kontrollieren. Ein geringer Stromverbrauch steht im Anforderungskatalog ebenfalls ganz weit oben, damit das Verlustleistungsbudget der Applikation insgesamt nicht gesprengt wird.

Ein weiterer Trend im High- Speed-Imaging-Bereich ist die Integration schneller A/D-Wandler, Sequencer, LVDS-Transmitter und Korrekturalgorithmen in den Chip. Bildsensoren dieser Art sind den soeben beschriebenen Produkten in Bezug auf Geschwindigkeit und Empfindlichkeit meist unterlegen. Sie kompensieren dies aber durch einfache Anwendung und ihre Systemintegrationsfähigkeiten. Ein dritter Bildsensortyp, der heute an Popularität gewinnt, ist der universelle High- Speed-Imager. Ältere Universal- Bildsensoren einfacher Bauart mit Analogausgängen beziehungsweise ohne internes Timing werden durch schnellere und komplexere Bildaufnehmer ersetzt, die eine zügige Entwicklung universeller Hochgeschwindigkeitskameras ermöglichen.

Bild 1 zeigt die Schaltung der Pixel, wie sie im Großteil der schnellen Bildsensoren aus der Produktion von Cypress eingesetzt werden. Es handelt sich um das so genannte 6-Transistor-Pixel (6T). Das hervorzuhebende Merkmal dieses Bildsensortyps ist der »Pipelined Global Shutter«. Dieser »globale Verschluss«, der dafür sorgt, dass die Integration des einfallenden Lichts bei allen Pixeln gleichzeitig beginnt und endet, ist bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen sehr wichtig, damit Bewegungen für alle Pixel exakt gleich und wohl kontrolliert verschwimmen. Mit dieser Technik lassen sich auch schnelle Bewegungen vom Bildaufnehmer präzise »einfrieren«. Ein typisches Beispiel für einen solchen Bewegungsablauf ist in Bild 2 zu sehen, das eine kleine Gewehrkugel beim Aufschlag auf ein Streichholz zeigt. Die Bezeichnung »Pipelined « bedeutet, dass während des Auslesens des Pixel-Arrays in den Pixeln bereits die Integration von Licht für das nächste Frame abläuft. Nur so lässt sich garantieren, dass die Frame- Rate unabhängig von der Integrationszeit ist.

Bei den meisten dieser Bildaufnehmer handelt es sich um Sonderanfertigungen, die exakt nach den Spezifikationen des Kunden produziert werden. Es besteht heute kein wirklicher Bedarf, diese High-Speed-Imager als Universalprodukt anzubieten. Cypress hat im Laufe der Jahre solche Hochgeschwindigkeitsbildsensoren für einige Kamerahersteller produziert – mit Auflösungen von VGA bis 10 Megapixel und Frame-Raten von 500 fps bis 10 000 fps. Geschwindigkeit und Empfindlichkeit wurden von Jahr zu Jahr gesteigert, und inzwischen kommt das schnellste Produkt auf einen Datendurchsatz von 5,5 GPixel/s. Bild 4 zeigt die Architektur eines typischen Hochgeschwindigkeitsbildsensors.