Bildsensor
Ein CMOS-Sensor ist ein Bildsensor, der in Digitalkameras oder Camcordern verwendet wird. Seine lichtempfindlichen Teile wandeln das einfallende Licht mithilfe von Transistoren, die sich auf dem Pixel befinden, in Spannung um. Es wird zwischen On-Chip-A/D-Wandlung und Off-Chip-A/D-Wandlung unterschieden.
CMOS-Sensoren sind aktive Pixelsensoren, die als Halbleiterdetektoren für die Lichtmessung zuständig sind. Jedes Element verfügt über eine Verstärkerschaltung zur Signalauslesung. Die Verwendung der CMOS-Technologie ermöglicht es, zusätzliche Funktionen in den Sensorchip zu integrieren, wie z. B. die Belichtungssteuerung oder die Kontrastkorrektur.
Wo wird es verwendet?
Bildsensoren werden in Digitalkameras, Videokameras, Spiegelreflexkameras und Smartphones eingesetzt. Aber auch in der industriellen Bildverarbeitung gewinnen sie zunehmend an Bedeutung. Sie werden zusätzlich durch Mikrolinsen auf den Pixeln ergänzt, die die lichtempfindlichen Flächen vergrößern. Außerdem werden sie durch die Backside-Illuminated-CMOS-Sensortechnologie erweitert: Dabei erfolgt die Belichtung von der Rückseite durch ein sehr dünn hergestelltes Substrat. Durch die Integration der Ausleseelektronik auf dem Sensor werden die Designs kompakter, leistungsfähiger und kostengünstiger. In der industriellen Bildverarbeitung sind eine Verringerung von Blooming-Effekten und eine Erhöhung der Bildwiederholrate zu beobachten. Der Blooming-Effekt ist ein Lichtsaum auf dem Bild, der durch helle und überbelichtete Bildbereiche entsteht.
Wie funktioniert ein CMOS-Sensor?
Die Abkürzung CMOS steht für "Complementary Metal Oxide Semiconductor". Es handelt sich um eine elektronische Schaltung, die auf dem photoelektrischen Effekt beruht, der Photonen in elektrische Ladungen umwandelt. Die Übertragung dieser Informationen erfolgt für jede einzelne Fotodiode über einen Verstärker, so dass jedes Pixel elektronisch gelesen wird.
Die Vor- und Nachteile der Bildsensortechnologie
Die integrierte Auswertung der Elektronik pro Pixel bietet zahlreiche Vorteile. Zum einen wird der Stromverbrauch erheblich reduziert und zum anderen ist die Kamera kleiner, da sich die Auswerteelektronik auf demselben Chip befindet. Im Vergleich zu CCD-Sensoren werden auch höhere Bildraten erreicht. Darüber hinaus wird der Blooming-Effekt deutlich reduziert. Im NIR-Bereich, also im Bereich der kurzwelligen Infrarotstrahlung, wird ebenfalls eine höhere Empfindlichkeit erreicht. Darüber hinaus kann der Sensor durch die direkte Ansteuerung der einzelnen Pixel flexibel ausgelesen werden.
Als Nachteil kann in bestimmten Fällen eine geringere Lichtempfindlichkeit beobachtet werden, was zu einem erhöhten Bildrauschen führt, wenn Bilder mit geringerer Helligkeit aufgenommen werden.
Der Einsatz von Bildsensoren in der Druckvorstufeninspektion
CMOS-Sensoren werden in der industriellen Bildverarbeitung eingesetzt. Diese Bildverarbeitungssoftware wird im Rahmen der Artwork & Prepress-Inspektion von EyeC eingesetzt und erfüllt die hohen Anforderungen der Druckindustrie an die Bildqualität. Die ultraschnellen Scanner der EyeC Proofiler Softwarelösung lesen die Druckvorlagen und erkennen dank der hochwertigen Bildsensoren alle Arten von Fehlern wie Farbabweichungen, Flecken oder verwischte Stellen. Mit der hochwertigen Software können Sie Texte, Grafiken, Braille sowie 1D- und 2D-Codes prüfen. Fehler auf allen Arten von Verpackungen, wie z.B. Faltschachteln, Beipackzetteln oder Etiketten, können bereits in der Druckvorstufe erkannt und korrigiert werden, wodurch der gesamte Druckprozess optimiert wird.
Die Unterschiede zwischen CCD-Sensoren
Der Hauptunterschied zwischen CMOS- und CCD-Sensoren ist die Art und Weise, wie die Pixel ausgelesen werden. Beim CCD-Sensor wird die Ladung über den gesamten Chip transportiert und ein Analogwandler wandelt jedes Pixel in einen digitalen Wert um. Im Gegensatz dazu haben CMOS-Sensoren mehrere Transistoren für jedes Pixel: Diese verstärken die Ladung, und der Transport erfolgt über herkömmliche Leitungen. Derzeit sind etwa 75 % der verwendeten Bildsensoren CCD-Sensoren und etwa 25 % verwenden die CMOS-Technologie. Die CCD-Technologie hat den Vorteil eines geringeren Ausleserauschens und einer hohen Abbildungsqualität, während die CMOS-Technologie mit der Eliminierung von Smear- und Blooming-Effekten punktet.
Beide Arten von Bildsensoren werden in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt, zum Beispiel in der Medizin. Die CCD-Technologie begegnet uns vor allem in den Biowissenschaften, wo sie in der Mikroskopietechnik benötigt wird, um eine hohe Bildqualität zu gewährleisten. CCD-Sensoren werden auch in allen Arten von Anwendungen eingesetzt, die lange Belichtungszeiten erfordern.
CCDs verwenden einen so genannten Global-Shutter-Mechanismus, bei dem alle Pixel auf dem CCD gleichzeitig belichtet werden. Die herkömmliche CMOS-Technologie verwendet dagegen die Rolling-Shutter-Technik, bei der die Belichtung der Pixel zeilenweise erfolgt. Dies führt zu den gefürchteten Verzerrungseffekten. In den letzten Jahren wurde der Global-Shutter-Mechanismus jedoch auch für CMOS weiterentwickelt. Er wird wegen seines geringen Energieverbrauchs und der niedrigen Kosten für 3D-Scans eingesetzt.
