CCD-Bildsensoren in der Endanwendung

Heute erhöht die Bildverarbeitung die Produktivität in industriellen Anwendungen, die von der Verkehrsüberwachung und Kennzeichenerkennung bis hin zu Barcode-Scanning, Roboterführung oder industrieller Bildverarbeitung (Machine Vision) reichen. Jede Anwendung hat dabei einzigartige Anforderungen. Etwa erfordern einige eine hohe Bildwiederholrate, andere hingegen einen großen Dynamikbereich, eine geringe Lichtempfindlichkeit oder andere kritische Parameter. Bei manchen Anwendungen ist in erster Linie höchste Detailgenauigkeit gefragt, was Bildsensoren mit sehr hoher Auflösung erfordert.

Bild 1: Inspektion eines Flachbildschirms mit einer Kamera On Semiconductor

End-of-Line-Inspektion

Ein Beispiel ist die End-of-Line-Inspektion von Flachbildschirmen. Dabei handelt es sich um einen Prozess, der die ordnungsgemäße Funktion der roten, grünen und blauen Farbelemente bestätigt, die in jedem dargestellten Pixel vorhanden sind. Da der Einsatz von Displays in Mobilgeräten, Tablets, Fernsehern, Fahrzeugen oder Monitoren immer weiter zunimmt, steigt auch die Auflösung dieser Displays von 1080p auf 4K und Ultra-HD oder gar darüber hinaus. Dies stellt hohe Anforderungen an die Kameras, die diese Displays während der Herstellung inspizieren. Sie müssen die erforderlichen Details durch Auflösen der zusätzlichen Pixel und Unterstrukturen in den Displays bereitstellen, ohne die für diese Anwendung erforderliche Bildqualität und Gleichförmigkeit zu beeinträchtigen. Dies erfolgt aufgrund der Auflösung und Bildgleichmäßigkeit weitgehend durch CCD-Kameras. Eine solche Kombination aus Leistungsmerkmalen ist derzeit mit CMOS-Bildsensoren noch nicht möglich.

Diese Art von Inspektion wird heute mit Kameras durchgeführt, die auf Bildsensoren mit 29 Megapixel (MP) im optischen Format 35 mm basieren, wie dem KAI-29050 von On Semiconductor. Die zunehmende Auflösung von Flachbildschirmen erfordert jedoch eine entsprechend höhere Auflösung der überprüfenden Kameras. Um diese Anforderung zu erfüllen und gleichzeitig das optische Standardformat 35 mm beizubehalten, sind neue Pixeldesigns nötig. Diese müssen die Pixelgröße verringern, aber gleichzeitig die in diesen Anwendungen erforderliche Leistungsfähigkeit und Bildgleichmäßigkeit beibehalten.

Bild 2: Im Laufe der Zeit nahm die Auflösung von ITCCD-Bildsensoren im 35-mm-Format stetig zu. On Semiconductor

Andere Beispiele für hochauflösende Bildverarbeitung ist die Highend-Überwachung wie etwa bei der Erfassung eines großen Sichtfelds bei Auflösungen, die ausreichen, um an einen bestimmten Ort heranzuzoomen. Aber auch in Luftaufnahmen ist eine hochauflösende Bildverarbeitung nötig, da sie zusätzliche Bilddetails ermöglicht. Damit können beispielsweise Flugzeuge höher fliegen und ihre Flugzeiten verkürzen. In all diesen Fällen ist nicht nur eine sehr hohe Auflösung erforderlich, sondern auch eine sehr hohe Bildqualität, gemessen an der Bildgleichmäßigkeit, dem Rauschen oder dem Dynamikumfang.

Aufgrund dieser verschiedenen Anforderungen kommen in diesem Bereich bis heute Bildsensoren auf Basis der Interline-Transfer-CCD-Technologie (ITCCD) zum Einsatz. Damit lassen sich wichtige Leistungsparameter beibehalten, selbst wenn Unternehmen in der Produktion auf große optische Formate skalieren. Diese Technologie ermöglicht eine Bilderfassung mit hoher Bildeinheitlichkeit, und ein echtes Global-Shutter-Design ermöglicht das Erfassen bewegter Szenen ohne Einschluss von Bildartefakten. Darüber hinaus ermöglichen der breite Belichtungsbereich und der niedrige Dunkelstrom der CCD-Bildsensoren Belichtungszeiten, die von wenigen Mikrosekunden bis zu einer Sekunde oder mehr reichen können.

Die Interline-Transfer-CCD-Technologie kommt seit über 15 Jahren bei der Entwicklung hochauflösender, großformatiger Bildsensoren zum Einsatz. Die Anforderungen des Marktes sorgen seitdem für eine immer höhere Auflösungen. Im Jahr 2003 lieferte der Bildsensor KAI-11000 beispielsweise eine Auflösung von 11 MP im 35-mm-Format. Im Jahr 2011 unterstützte das gleiche optische Format bereits die dreifache Auflösung.

Diese höhere Auflösung bei gleichzeitiger Beibehaltung des optischen Formats ist entscheidend für ein vereinfachtes Aufrüsten im Feld befindlicher Kameras. Die Auflösung der Kamera wird erhöht, wobei die Platzierung der Kamera und die verwendeten Objektive keine Rolle spielen.

Welche Herausforderung das Design der CCD-Sensoren mit sich bringt, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Design-Herausforderungen bei CCD-Sensoren

Bild 3: Herausforderungen beim Design von CCD-Sensoren On Semiconductor

Um eine Auflösung von mehr als 29 MP zu erzielen und gleichzeitig das optische 35-mm-Format beizubehalten, ist ein kleineres Pixelformat nötig, das mehr Pixel in einem bestimmten Bereich platziert. Aber um gleichzeitig wichtige Bildparameter wie die Bildgleichförmigkeit, den Dynamikbereich und das Grundrauschen in diesem kleineren Pixel beizubehalten, sind Fortschritte beim Pixeldesign erforderlich, wobei sich nicht nur allein die Größe reduziert.

Mit zusätzlichen Pixeln im Bildsensor verringert sich die Gesamtbildrate, außer es lässt sich gleichzeitig die Ausgangsbandbreite des Sensors erhöhen. Allerdings kann eine verringerte Gesamtbildrate für einige Anwendungen erforderlich sein. Die Rückwärtskompatibilität zu vorhandenen Sensoren und Kameras kann dazu beitragen, eine Aufrüstung zu vereinfachen, die sowohl Kamerahersteller als auch Endkunden benötigen, um einen neuen Bildsensor einzusetzen.

ITCCD-Sensor im optischen 35-mm-Format

Der Bildsensor KAI-43140 von On Semiconductor erfüllt diese Design-Anforderungen, um eine höhere Auflösung im 35-mm-Format für diese anspruchsvollen Anwendungen bereitzustellen. Der Sensor basiert auf einem 4,5-μm-ITCCD-Pixel und bietet 43 MP im optischen 35-mm-Format, was 50 Prozent mehr Pixel als beim KAI-29050 mit 29 MP entspricht. Aber auch mit dieser kleineren Pixelgröße bleiben wichtige Bildverarbeitungsparameter erhalten, einschließlich hoher Smear-Unterdrückung und hohem linearen Dynamikbereich von über 60 dB. On Semiconductor verbesserte zudem die Bildgleichförmigkeit, die nun eine ganze Reihe von Gleichförmigkeitsartefakten beseitigt.

Verbesserte Ausgangsverstärker erhöhen die verfügbare Bandbreite des 4-Tap-Bildsensors um 50 Prozent und bieten trotz der hohen Auflösung dieselbe Endbildrate wie der 29-MP-Sensor. Da der KAI-43140 weiterhin auf ITCCD-Technologie basiert, bleiben die für diese Technik spezifischen Funktionen wie der elektronische Verschluss und umfassende Belichtungsmöglichkeiten erhalten.

Bild 4: Großformatige ITCCD-Bildsensoren von On Semiconductor On Semiconductor

Entscheidend ist, dass der KAI-43140 im gleichen Gehäuse wie der KAI-29050 zur Verfügung steht, wodurch bestehende Kameradesigns den neuen Sensor mit nur geringen Änderungen unterstützen können. Dies reduziert das Designrisiko für Kamerahersteller erheblich und ermöglicht es, Kameras mit höherer Auflösung und Leistungsfähigkeit schneller und kostengünstiger auf den Markt zu bringen.

Fazit

Die Entwicklung von Bildsensoren, die die hohen Anforderungen moderner Industrieanwendungen erfüllen müssen, erfordert weit mehr als das einfache „Hineinzwängen“ von mehr Pixeln in ein kleineres Gehäuse. Mithilfe eines fortschrittlichen Pixel-Designs ist es möglich, eine höhere Auflösung in einem vorhandenen optischen Format bereitzustellen, ohne die erforderliche Leistungsfähigkeit zu opfern.

Bei all diesen Verbesserungen ist zu berücksichtigen, dass selbst der neueste Bildsensor nicht unbedingt der Beste für alle Anwendungen ist, sogar wenn er auf Anwendungen spezialisiert ist, die eine sehr hohe Auflösung erfordern. Verschiedene Wahlmöglichkeiten hinsichtlich Auflösung, Lichtempfindlichkeit, Dynamikbereich, Bildrate und Preis sind für die Wahl des richtigen Bildsensors und der Bildverarbeitungstechnik entscheidend. Zugang zu einem breiten Angebot an Bildsensoren ist daher entscheidend, auch wenn man sich auf einen Anwendungsbereich konzentriert, der eine sehr hohe Auflösung erfordert. Das sorgt für die Entwicklung neuer Sensoren auf Basis von Technologien wie Interline-Transfer-CCD.

(prm)