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Hochleistungsbildsensoren für Industrie, Film und Sicherheitsaufgaben : Ausgabe 09/2015, 28.05.2015

Hohe Lichtempfindlichkeit und weniger Rauschen

Bei der zweiten Generation der scientific CMOS-Bildsensoren (sCMOS) haben die Entwickler die Rausch­statistik verbessert und den Dynamikbereich so stark vergrössert, dass sie auch Zwielicht- oder Aufblend­situationen differenziert erfassen können. Die Sensoren eignen sich für den Einsatz in der industriellen Überwachung, in der Sicherheitstechnik oder für den kommerziellen Foto- und Videobereich.

Bilder: Peaver, morguefile.com, Eureca Messtechnik GmbH

Mit den ersten sCMOS-Sensoren gelang es Fairchild Imaging und Eureca vor rund drei Jahren, die bisher massgeblichen CCD-Sensoren qualitativ zu übertreffen. Durch die gleichzeitige Digitalisierung tausender Pixel und speziell angepasste Halbleiterstrukturen konnte das Ausleserauschen unter die entsprechenden Werte der damals leistungsfähigsten CCDs reduziert werden.

Seither hat sich diese Bildgebungstechnologie vor allem in wissenschaftlichen Bereich weltweit etabliert. Die 2.0-Modelle gehen nun noch einen Schritt weiter: Der Hawkeye CIS 1910F mit einem aktiven Bildbereich von 1920 × 1080 Pixel bei 6,5 × 6,5 µm Pixelgrösse verbindet eine hohe Quantenausbeute mit ­einer hohen Empfindlichkeit, einem sehr niedrigen Dunkelstrom sowie einem Ausleserauschen von annähernd einem Elektron (rms). Nach Herstelleran­gaben übertrifft der Sensor damit die Werte herkömmlicher CCD-Lösungen und liefert sogar bei sehr wenig Licht eine Bildqualität, die sich mit Aufnahmen konventioneller Kameras mit Bildverstärker messen kann.

Differenzierte Bilder dank hohem Dynamikumfang

Die Entwickler erreichen diese Leistung durch den Einsatz von rund 4000 auf dem Chip integrierten Analog-Digital-Wandlern, welche auch bei der hohen Bildrate von 100 fps eine kombinatorische Digitalisierungstiefe von 16 Bit liefern. Unter Berücksichtigung des Auslese­rauschens lässt sich damit ein effektiver line­arer Dynamikbereich von 88 dBu erzielen. Auf diese Weise werden selbst bei wechselnden Lichtverhältnissen, etwa Scheinwerfern entgegenkommender Fahrzeuge, sowohl Überstrahlungen als auch undifferenzierte, dunkle Zonen vermieden.

Interessante Technologie für verschiedene Märkte

Die Produktfamilie umfasst Sensoren in fünf Ausführungen mit Auflösungen von bis zu 5,5 Megapixel. Sie soll in nächster Zeit noch um weitere Modelle erweitert werden, ausserdem sind Varianten angedacht, beispielsweise mit speziellen Gehäusen oder Sensorversionen sowohl in Monochrom als auch in Farbe.

Durch das niedrige Ausleserauschen sind die Sensoren nicht nur für wissenschaftliche Anwendungen interessant, sondern gewinnen auch immer mehr Bedeutung in den Bereichen der Sicherheitstechnik und Videoproduktion. Daneben macht auch der günstige Herstellungspreis die Sensoren für diese Branchen zu einer Alternative zur CCD-Technik. Ein erster Grosshersteller von Kameras für Überwachungs- und Medienaufnahmen arbeitet bereits an Prototypen mit sCMOS 2.0.

Virtuelle Bilder zum Testen der Sensorqualität

Interessenten können sich auch ohne Proto­typenbau, Labormuster oder andere Hardware einen Eindruck von der Bildqualität der Sensoren in einer Kamerakonfiguration ihrer Wahl verschaffen: Möglich macht dies ein vom Messtechnikspezialist Eureca entwickeltes Simulationssystem. Aus den technischen Daten von Bildsensor und Kamera wird mittels physika­lischer Gesetzmässigkeiten abgeleitet, wie eine Szene mit diesem Equipment abgebildet würde. Das Programm kann dabei sowohl Stand- als auch Bewegtbilder erzeugen und berücksichtigt alle relevanten Effekte, wie Photonen-, Dunkel- und Ausleserauschen, Dunkelstrom, Fixed-Pattern-Noise (FPN), Modula­tions- und Kontrasttransferfunktion (MTF/KTF), De-Bayering und Dynamikumfang des Sensors. Verschiedene Projekte haben die präzise Übereinstimmung von Simulation und Realbild bestätigt, so hat sich diese Methode inzwischen unter anderem als Auswahlhilfe bei der Entscheidung zwischen verschiedenen Sensortypen etabliert.

Massgeschneiderte Sensoren senken die Kosten

Darüber hinaus bietet Eureca zusammen mit seinen Partnern Fairchild Imaging und der belgischen Firma Caeleste auch die Option, Sensoren ganz nach dem Anforderungsprofil des Kunden zu entwickeln. Diese massgeschneiderten Lösungen umfassen nur wirklich benötigte Features, was Kosten in der Produktion spart, und lassen sich bei Bedarf gezielt nachbestellen. Zudem vermeidet man so die Probleme, die ansonsten bei der Abkün­digung eines Standardsensors auftreten können, wie etwa teure Re­designs oder grosse Lagermengen für die restliche Projektlaufzeit, was gerade im Zeitalter der immer kürzer werdenden Produktzyklen von Bildsensoren wichtig ist.

Infoservice


Eureca Messtechnik GmbH
Eupener Strasse 150, DE-50933 Köln
Tel. 0049 221 952 62 90, Fax 0049 221 952 62 99
info@eureca.dewww.eureca.de



Typische Überwachungskamera mit Weitwinkel


Teleobjektiv-Ausschnitt bei Halbmond und Wolken mit einem Interline-CCD-Sensor


Dieselbe Situation mit einem Hawkeye 1910-Sensor


Kern der Weiterentwicklung
ist eine verbesserte Schaltungs­technologie, die weit mehr ­Korrekturen ermöglicht als bisher

Firmenporträt

Die 1997 gegründete Eureca Messtechnik GmbH hat sich auf die technische Beratung, Entwicklung und Zulieferung für OEM-Projekte in den Bereichen optische Messtechnik, Optoelektronik und Kameras spezialisiert. Kernleistung ist dabei eine umfassende Beratung hinsichtlich geeigneter Technologien und konstruktiver Lösungen für individuelle Anforderungen. Ergänzt wird dies durch eine breite Angebotspalette an Optik-Zubehör, etwa Objektiven oder Filtern, sowie an thermoelektrischen Kühlsystemen. Das in Köln ansässige Unternehmen betreut Kunden in der ganzen Welt. Hauptgebiet mit 60 Prozent Umsatzanteil ist der deutschsprachige Raum.