Wo wird er eingesetzt?
Bildsensoren kommen in digitalen Fotoapparaten, Videokameras, Spiegelreflexkameras und Smartphones zum Einsatz. Aber auch in der industriellen Bildverarbeitung gewinnen sie zunehmend an Bedeutung. Sie werden zusätzlich durch Mikro-Linsen auf den Pixeln, die die lichtempfindlichen Flächen vergrößern, ergänzt. Darüber hinaus werden sie durch die Backside-Illuminated CMOS-Sensorik erweitert: Auf diese Weise erfolgt die Belichtung von der Rückseite her durch ein sehr dünn gefertigtes Substrat hindurch. Durch die Integration der Ausleseelektronik auf dem Sensor werden die Designs kompakter, stromsparender und günstiger. In der industriellen Bildverarbeitung macht sich eine Verringerung der Blooming-Effekte sowie eine Steigerung der Frameraten bemerkbar. Beim Blooming-Effekt handelt es sich um einen hellen Streifen auf dem Bild, der durch helle und überbelichtete Bildstellen 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 fotoelektrischen Effekt basiert und die Photonen in elektrische Ladungen umwandelt. Die Weiterleitung dieser Information läuft für jede einzelne Fotodiode über einen Verstärker, sodass jeder einzelne Pixel elektronisch ausgelesen wird.
Die Vor- und Nachteile der Bildsensor-Technik
Durch die integrierte Auswerteelektronik pro Pixel entstehen zahlreiche Vorteile. Zum einen sinkt dadurch der Stromverbrauch erheblich und zum anderen fällt die Baugröße der Kamera geringer aus, da sich die Auswerteelektronik auf demselben Chip befindet. Im Vergleich zu CCD-Sensoren werden auch höhere Frameraten erzielt. Darüber hinaus wird der Blooming-Effekt deutlich reduziert. Im NIR-Bereich, das heißt im Bereich der kurzwelligen Infrarotbestrahlung, wird zudem eine höhere Empfindlichkeit erzielt. Zudem kann der Sensor durch das direkte Adressieren der einzelnen Pixel flexibel ausgelesen werden.
Als Nachteil kann in bestimmten Fällen eine schlechtere Lichtempfindlichkeit beobachtet werden, wodurch bei Bildaufnahmen mit geringerer Helligkeit ein verstärktes Bildrauschen entsteht.
Der Einsatz von Bildsensoren in der Druckvorbereitung
Im Rahmen der industriellen Bildverarbeitung finden CMOS-Sensoren Verwendung. Diese Bildverarbeitungssoftware kommt im Rahmen der Artwork- & Druckvorstufenprüfung von EyeC zum Einsatz und erfüllt die hohen Anforderungen der Druckindustrie an die Bildqualität. Die ultraschnellen Scanner der Software-Lösung EyeC Proofiler lesen die Druckmuster ein und erkennen dank der hochwertigen Bildsensoren Fehler aller Art, wie Farbabweichungen, Flecken oder verschmierte Passagen. Mit dieser hochwertigen Software überprüfen Sie Texte, Grafiken, Braille sowie 1D- und 2D-Codes. So lassen sich Fehler auf Verpackungen wie Faltschachteln, Beipackzetteln oder Etiketten bereits in der Druckvorbereitung erkennen und beheben. Damit wird der gesamte Druckprozess optimiert.
Die Unterschiede zu CCD-Sensoren
Der Hauptunterschied der CMOS- und CCD-Sensoren besteht in der Art, in der die Pixel ausgelesen werden. Beim CCD-Sensor erfolgt der Transport der Ladung über den gesamten Chip und ein Analog-Umwandler konvertiert jeder Pixel in einen digitalen Wert. Im Gegensatz dazu verfügen CMOS-Sensoren über mehrere Transistoren für jedes Pixel: Diese verstärken die Ladung und der Transport findet mittels traditioneller Leitungen statt. Im Moment sind etwa 75 % der verwendeten Bildsensoren CCD-Sensoren und 25% greifen auf die CMOS-Technologie zurück. Die CCD-Sensoren überzeugen mit geringerem Ausleserauschen und hoher Bildgebungsqualität, während die CMOS-Technologie mit dem Wegfall jeglicher Smear- und Bloomingeffekte punktet.
Beide Arten von Bildsensoren kommen in den unterschiedlichsten Bereichen, wie etwa der Medizin, zum Einsatz. Die CCD-Technologie begegnet uns hauptsächlich in der Biowissenschaft. Hier wird sie in der Mikroskopie-Technologie benötigt, um eine hohe Bildqualität zu gewährleisten. Auch Anwendungen aller Art, die eine lange Belichtungszeit erfordern, greifen auf CCD-Sensoren zurück.
CCDs verwenden einen sogenannten Global-Shutter-Mechanismus, bei dem alle Pixel auf dem CCD gleichzeitig belichtet werden. Bei der herkömmlichen CMOS-Technologie kommt hingegen die Rolling-Shutter-Technologie zum Einsatz, bei der die Belichtung der Pixel zeilenweise erfolgt. Dadurch entstanden die gefürchteten Verzerrungseffekte. In den letzten Jahren wurde jedoch der Global-Shutter-Mechanismus auch für CMOS weiterentwickelt. Diese kommt bei 3D-Scans zum Einsatz, da sie mit geringem Energieverbrauch und niedrigen Kosten punkten.
