CMOS-Sensoren

CMOS-Sensoren sind in der industriellen Bildverarbeitung zunehmend im Einsatz. Lange Zeit hatten diese Bildsensoren den (berechtigten) Ruf, verrauschte Bilder zu liefern, viele Pixeldefekte zu haben und weniger lichtempfindlich zu sein. Viele dieser Nachteile werden jedochfortlaufend durch verbesserte Fertigungstechniken kompensiert,  Mikrolinsen auf den Pixeln (zur Vergrößerung der lichtempfindlichen Fläche) und Backside Illuminated CMOS-Sensorik (rückseitige Belichtung des Sensors durch sehr dünn gefertigtes Substrat hindurch, statt durch mehrere Strukturschichten auf der Oberfläche hindurch zu belichten) verhelfen dieser Technik zu neuem Aufschwung.

Doch die Vorteile dieser Technologie sind nicht zu unterschätzen. Durch die Integration der Ausleseelektronik auf den Sensor können besonders Strom sparende, preisgünstige und kompakte Designs realisiert werden. Für die industrielle Bildverarbeitung sind besonders die geringe Neigung zu Blooming-Effekten sowie die hohe Frameraten interessant.

Typischer Sensoraufbau

CMOS steht für "Complementary Metal Oxide Semiconductor" und beschreibt eine bestimmte Art von elektronischer Schaltung. Genau wie die CCD-Sensoren basieren diese Sensoren auf dem fotoelektrischen Effekt und wandeln die eintreffenden Photonen in elektrische Ladungen um. Der Unterschied zum CCD-Sensor ist die Art der Weiterleitung dieser Information.

Zu jeder einzelnen Fotodiode ist ein Kondensator parallel geschaltet, der durch den Fotostrom aufgeladen wird. Die erzeugte Spannung ist proportional zur Helligkeit und zur Belichtungszeit. Im Gegensatz zu CCDs werden die bei der Belichtung angesammelten Elektronen nicht zu einem einzigen Ausleseverstärker verschoben, sondern jedem einzelnen Bildelement ist ein Verstärker zugeordnet, der diese Kondensatorspannung dem Analogsignalprozessor direkt zur Verfügung stellt. Im Fall von CMOS-Sensoren sind mehrere Transistoren den lichtempfindlichen Dioden beigeordnet, die die akkumulierten Ladungen in messbare Spannungen umwandeln.

Jeder Pixel kann damit einzeln elektronisch ausgelesen werden, ohne wie beim CCD verschoben werden zu müssen. Dies führt zu einem geringeren Blooming bei Überbelichtung. Der Nachteil ist, dass die zusätzlichen Transitoren eintreffendes Licht verschlucken und nicht als lichtaktive Fläche (angegeben als fill factor) zur Verfügung stehen. Dadurch erhält man theoretisch weniger Bildinformation und sie funktionieren schlechter bei schwachem Licht.

CMOS mit Global Shutter oder Rolling Shutter

Moderne CMOS-Sensoren können auch wie CCD-Sensoren zeitgleich die Ladungen aller Pixel entleeren, das Bild aufnehmen und synchron auslesen. Allerdings wird für einen CMOS-Sensor mit Global Shutter weitere Transistoren pro Pixel benötigt, die zu Lasten der Bildqualität geht, da dadurch die lichtempfindliche Fläche an der Oberfläche weiter eingeschränkt wird.

CMOS-Sensoren mit Rolling Shutter sind daher tendenziell preisgünstiger, können aber auch unter Beibehaltung derselben Fläche (wenn nicht gespart wird), aufgrund größerer llichtaktiver Fläche bessere Bilder liefern. Digitale Spiegelreflexkameras setzen heutzutage Rolling Shutter-CMOS-Sensoren ein, da hier ein zusätzlicher mechanischer Verschluss die Problematik des kontinuierlichen Belichten und Auslesen komplett löst.

Vor- und Nachteile der CMOS-Sensortechnik

Vorteile

Da die Umwandlung der Ladung in Spannung für jedes Pixel durch eine integrierte Auswerteelektronik direkt um die Pixel herum erfolgt, entstehen im Vergleich zum CCD-Sensor viele Vorteile:

• Deutlich geringerer Stromverbrauch
• Geringere Baugröße der Kamera, da die Auswertelogik auf demselben Chip (System on a Chip) integriert werden kann.
• Sehr hohe Frameraten im Vergleich zu einem CCD gleicher Größe
• Flexibles Auszulesen durch direkte Adressierung der einzelnen Pixel  ermöglicht mehr Möglichkeiten für Binning & Partial Scan
• Stark reduziertes Blooming im Vergleich zu CCD-Sensoren
• Höhere Empfindlichkeit im NIR-Bereich (near infra-red: kurzwellige Infrarotstrahlung)

Nachteile

Da die Umwandlung der Ladung in Spannung für jedes Pixel durch eine integrierte Auswerteelektronik direkt um die Pixel herum erfolgt, entstehen im Vergleich zum CCD-Sensor auch technische Nachteile:

• Größere Empfindlichkeitsunterschiede zwischen den Pixeln durch Fertigungstoleranzen, was bei Bayer-Sensoren zu einem stärkeren Farbrauschen führt und bei Monochromkameras als Fixed Pattern Noise beschrieben wird.
• Deutlich geringerer fill factor (Verhältnis der lichtempfindlichen zur gesamten Pixelfläche), mit der Folge einer insgesamt schlechteren Lichtempfindlichkeit. Bei Bildaufnahmen mit geringerer Helligkeit zeigt sich schnell ein verstärktes Bildrauschen.