Von der photoelektrischen Wandlung zur Bilderzeugung: Wesentliche Unterschiede in den Bildgebungsprinzipien

In vielen Anwendungsszenarien der industriellen Automatisierung, der maschinellen Bildverarbeitung und der wissenschaftlichen Forschung haben Industriekameras als Kernausrüstung zur Erfassung von Bildinformationen direkten Einfluss auf die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des gesamten Systems in Bezug auf ihre Leistung. Die Kernkomponente, die die Leistung von Industriekameras bestimmt, ist der Bildsensor, wobei CCD (Charge Coupled Device) und CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) die beiden wichtigsten Technologiepfade sind. Obwohl beide auf dem gleichen Prinzip der photoelektrischen Wandlung basieren, das den photoelektrischen Effekt von Halbleitermaterialien nutzt, um Photonen in Elektronen umzuwandeln, gibt es grundlegende Unterschiede in den Signalverarbeitungs- und Übertragungsmethoden.

Das Designkonzept von CCD-Sensoren ist die zentrale Verarbeitung von photoelektrischen Signalen: Wenn Licht auf das Pixel-Array fällt, erzeugt jedes Pixel ein Ladungspaket, das proportional zur Lichtintensität ist. Diese Ladungspakete erfordern einen komplexen Übertragungsprozess - unter präziser Taktimpulssteuerung werden Pixel-Ladungen zeilenweise zu einem einzelnen Ausgangsknoten (oder einer sehr kleinen Anzahl von Ausgangsknoten) am Rand des Chips verschoben, wo die Ladung-Spannung-Wandlung und die Signalverstärkung durchgeführt werden. Dieses Design stellt sicher, dass alle Pixelsignale denselben Signalpfad durchlaufen, wodurch ein hoher Grad an Konsistenz in der Signalausgabe gewährleistet wird.

Im Gegensatz dazu verwenden CMOS-Sensoren eine innovative Architektur der verteilten Verarbeitung. Auf CMOS-Chips enthält jedes Pixel nicht nur eine Fotodiode, sondern integriert auch unabhängige Miniaturverstärker und Analog-Digital-Wandler-Schaltungen. Dieses Design ermöglicht es jedem Pixel, Ladungen vor Ort in Spannungssignale umzuwandeln und diese direkt über ein Netzwerk von sich kreuzenden Zeilen- und Spaltenleitungen auszulesen. Obwohl diese Struktur die Lesegeschwindigkeit erheblich verbessert und den Stromverbrauch senkt, führen die Leistungsunterschiede zwischen Millionen von Miniaturverstärkern unweigerlich zu Problemen mit der Signalkonsistenz.
Dieser grundlegende Unterschied in der Signalübertragung hat zu einer Reihe von Leistungsunterschieden zwischen den beiden Technologien in industriellen Kameraanwendungen geführt. Das Verständnis des Unterschieds zwischen CCDs "sequenziellem Verschieben und zentralisiertem Ausgeben" und CMOS' "paralleler Wandlung und verteiltem Auslesen" ist die Grundlage für das Erfassen aller nachfolgenden Unterschiede zwischen den beiden.

Vergleich von fünf Kernleistungsfaktoren: Rauschen, Stromverbrauch, Auflösung, Empfindlichkeit und Kosten

2.1 Rauschverhalten und Bildqualität

CCD-Sensoren haben aufgrund der zentralisierten Signalverarbeitung den Vorteil der Rauschkontrolle. Da alle Pixel denselben (oder sehr wenige) Ausgangsverstärker teilen, werden Verstärkungsunterschiede zwischen den Pixeln vermieden. Dieses Design, kombiniert mit ausgereifter PN-Übergangs- oder Siliziumdioxid-Isolationsschichttechnologie, reduziert effektiv die Erzeugung von festem Rauschen und liefert dadurch eine reinere und konsistentere Ausgabe in der Bildqualität. Insbesondere unter Langzeitbelichtung oder bei schlechten Lichtverhältnissen können CCD-Sensoren immer noch ein niedriges Rauschniveau beibehalten, was sie in Präzisionsmess- und Low-Light-Imaging-Anwendungen sehr beliebt macht.
Im Gegensatz dazu ist jedes Pixel eines CMOS-Sensors mit einem unabhängigen Signalverstärker ausgestattet. Obwohl dieses Design die Lesegeschwindigkeit verbessert, führen die geringen Leistungsunterschiede zwischen Millionen von Verstärkern zu festem Rauschen. Dieses Rauschen manifestiert sich als feste Störmuster auf dem Bild, insbesondere in gleichmäßig beleuchteten Szenen. Mit dem Fortschritt der CMOS-Technologie haben moderne Industriegrade-CMOS-Kameras dieses Problem jedoch durch korrelierte Doppelabtastung (CDS) und digitale Korrekturalgorithmen deutlich verbessert, und einige High-End-Produkte haben das Bildqualitätsniveau von CCD erreicht oder sogar übertroffen.

2.2 Energieeffizienz und Unterschiede im Stromverbrauch

In Bezug auf den Stromverbrauch weist CMOS erhebliche Vorteile auf. CMOS verwendet eine aktive Bilderfassungsmethode, bei der die von der fotoempfindlichen Diode erzeugte Ladung direkt durch den benachbarten Transistor verstärkt und ausgegeben wird. Der gesamte Sensor benötigt nur eine einzige Stromversorgung, und der typische Stromverbrauch beträgt nur 1/8 bis 1/10 von ähnlichen CCDs. Diese Eigenschaft macht CMOS zur bevorzugten Wahl für energieempfindliche Anwendungen wie tragbare Geräte, eingebettete Systeme und Multi-Kamera-Arrays.
Der hohe Stromverbrauch von CCD ist auf seinen passiven Ladungsübertragungsmechanismus zurückzuführen. Er benötigt drei Sätze von Stromversorgungen mit unterschiedlichen Spannungen (normalerweise 12-18 V) und eine komplexe Taktsteuerschaltung, um die Verschiebeübertragung von Ladungen anzutreiben. Dies erhöht nicht nur die Komplexität des Stromversorgungsdesigns, sondern führt auch zu Problemen mit der Wärmeableitung - bei hoher Auflösung oder hoher Bildrate erhöht sich die Temperatur von CCD weiter und bildet einen Teufelskreis. Daher benötigen industrielle Systeme, die CCD-Kameras verwenden, oft zusätzliche Wärmeableitungsvorrichtungen.

2.3 Auflösung und Pixeldesign

Beim Vergleich von Sensoren gleicher Größe bietet CCD typischerweise eine höhere Auflösung. Dies liegt daran, dass die Pixelstruktur von CCD relativ einfach ist, fast der gesamte Pixelbereich für die Fotoempfindlichkeit genutzt werden kann und der Anteil der fotoempfindlichen Fläche (Füllfaktor) über 95 % erreichen kann. Und jedes Pixel in CMOS erfordert die Integration zusätzlicher Transistoren und Schaltungskomponenten, wodurch die effektive fotoempfindliche Fläche in diesen 'nicht fotoempfindlichen Bereichen' reduziert wird. Beispielsweise kann CCD für Sensoren mit einer 1/1,8-Zoll-Spezifikation eine Auflösung von 1628 × 1236 (4,40 μm Pixel) erreichen, während CMOS typischerweise eine Auflösung von 1280 × 1024 (5,2 μm Pixel) aufweist.
Die CMOS-Technologie verringert diese Lücke jedoch allmählich durch rückseitig beleuchtete (BSI) und gestapelte Designs. Rückseitig beleuchtetes CMOS verwendet einen Flip-Chip, um Licht von der Rückseite auf die fotoempfindliche Fläche zu lenken, wodurch die Schaltungsebene auf der Vorderseite umgangen und der Füllfaktor deutlich verbessert wird. Gestapeltes CMOS trennt und fertigt die fotoempfindliche Schicht von der Verarbeitungsschaltungsschicht, bevor es gebondet wird, wodurch die Raumnutzung weiter optimiert wird. Diese Innovationen ermöglichen es modernen High-End-CMOS-Industriekameras, Auflösungen von über 20 Millionen Pixeln zu liefern und damit die überwiegende Mehrheit der industriellen Inspektionsanforderungen zu erfüllen.

2.4 Lichtempfindlichkeit und Low-Light-Performance

In Bezug auf die Empfindlichkeit behalten CCD-Sensoren ihre traditionellen Vorteile. Aufgrund der größeren effektiven fotoempfindlichen Fläche innerhalb des Pixels kann CCD in Umgebungen mit wenig Licht mehr Photonen erfassen und bietet eine bessere Signal-Rausch-Verhältnis-Leistung. Testdaten zeigen, dass das menschliche Auge Objekte unter 1 Lux Beleuchtung (entspricht einer Vollmondnacht) erkennen kann, und der Empfindlichkeitsbereich von CCD liegt bei 0,1-3 Lux, während herkömmliches CMOS 6-15 Lux Beleuchtung benötigt, um effektiv zu arbeiten - dies bedeutet, dass herkömmliches CMOS in Umgebungen mit wenig Licht unter 10 Lux kaum brauchbare Bilder erfassen kann.
Dieser Unterschied ist besonders kritisch in speziellen Anwendungen wie industriellen Endoskopen, Nachtsichtüberwachung und astronomischen Beobachtungen. Modernes CMOS hat die Low-Light-Performance jedoch durch große Pixeldesigns (z. B. Pixelgrößen über 3 μm) und fortschrittliche Mikrolinsen-Array-Technologie erheblich verbessert. Einige High-End-CMOS-Sensoren haben durch rückseitig beleuchtete Technologie sogar einen Quantenwirkungsgrad (QE) über CCD erreicht und eine Photonenwandlungseffizienz von über 95 % bei bestimmten Wellenlängen erzielt.

2.5 Herstellungskosten und wirtschaftliche Überlegungen

In Bezug auf die Kostenstruktur hat CMOS einen überwältigenden Vorteil. CMOS-Sensoren verwenden den gleichen Herstellungsprozess wie Standard-Halbleiter-ICs und können in Waferfabriken, die Computerchips und Speichergeräte herstellen, in Massenproduktion hergestellt werden. Diese Prozesskompatibilität reduziert die Stückkosten erheblich. Gleichzeitig ermöglicht die hohe Integration von CMOS den Kameraherstellern, "Chip-Level-Kameras" zu entwickeln - die Sensoren, Prozessoren und Schnittstellenschaltungen auf einem einzigen Chip integrieren, wodurch der Montageprozess und die Anforderungen an die Peripherieschaltung weiter vereinfacht werden.
Im Gegensatz dazu ist der Herstellungsprozess von CCD einzigartig und komplex, wobei nur Sony und DALSA, Panasonic und einige andere Hersteller über Produktionskapazitäten verfügen. Sein Ladungsübertragungsmechanismus ist extrem empfindlich gegenüber Herstellungsfehlern: Ein einzelner Pixelfehler kann dazu führen, dass die gesamte Datenzeile nicht übertragen werden kann, wodurch die Ausbeute erheblich reduziert wird. Darüber hinaus benötigen CCD-Kameras zusätzliche unterstützende Schaltungen (einschließlich Timing-Controller, Analog-Digital-Wandler und Signalprozessoren), die zusammen den Preis des Endprodukts in die Höhe treiben, wodurch die Kosten für CCD-Industriekameras typischerweise das 1,5- bis 3-fache der Kosten von CMOS-Kameras mit den gleichen Spezifikationen betragen.