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Welcher CMOS-Sensor ist der richtige für meine Anwendung?

CMOS-Sensoren haben ihre CCD-Pendants in der Bildverarbeitung weitgehend abgelöst. Die modernere Technologie hat sich in den vergangenen Jahren sehr schnell weiterentwickelt, woran Sony als einer der wesentlichen Hersteller von CMOS-Sensoren maßgeblichen Anteil hat. Die Modelle der IMX-Reihe zählen dabei zu den am häufigsten in Industriekameras eingesetzten Sensoren. Dieser Text soll die wesentlichen Unterschiede der verschiedenen IMX-Modellreihen von Sony erläutern, die auch unter den Namen Pregius, STARVIS und Pregius S bekannt sind.

Noch vor wenigen Jahren stellte die CCD-Technologie mit deutlichem Abstand den größten Anteil an Sensoren in Kameras für die industrielle Bildverarbeitung. CMOS-Sensoren galten zu diesem Zeitpunkt zwar als vielversprechende, aber noch nicht ausgereifte Technologie, in der selbst Experten in naher Zukunft keine ernsthafte Konkurrenz zu den etablierten CCD-Sensoren sahen.

Dies änderte sich schlagartig, als Sony als einer der international wichtigsten Sensorhersteller Anfang 2015 die Einstellung seiner CCD-Produktion ankündigte und damit das Ende der CCD-Ära in der industriellen Bildverarbeitung und in vielen weiteren Bereichen einläutete. Etwa zwei Jahre zuvor hatte das Unternehmen die erste von aktuell vier Generation einer neuen CMOS-Sensorfamilie namens IMX vorgestellt, die insbesondere im Hinblick auf ihren deutlich größeren Dynamikbereich für Aufsehen sorgte. Diese immer noch verfügbaren Sensoren ermöglichen kurze Belichtungszeiten, verfügen über die in der Bildverarbeitung nötige Auswahl an Trigger- und Ausleseoptionen und erlauben die Aufnahme von Bildern in herausragender Qualität, die über der von konkurrierenden Sensoren im selben Preissegment liegt.

Einer der Gründe für die hohe Bildqualität der IMX-Sensoren besteht in einer speziellen Technologie von Sony namens Exmor, bei der das vom Sensor aufgenommene, rauschreduzierte Analogsignal direkt beim Auslesen der Pixel in ein digitales Signal umgewandelt wird. Diese Vorgehensweise unterscheidet IMX-Sensoren von den Sensoren anderer Hersteller und verbessert nicht nur das Rauschverhalten, sondern ermöglicht zudem auch höhere Bildraten.

Ein sehr wichtiges Merkmal eines Sensors stellt zudem sein Shutter dar, der in seiner Funktionalität der Blende einer herkömmlichen Kamera entspricht und in der Sensorelektronik realisiert ist. In der industriellen Bildverarbeitung existieren hier zwei unterschiedliche Konzepte:
Bei Sensoren mit Rolling Shutter werden die Zeilen eines Sensors einzeln nacheinander belichtet und ausgelesen. Diese Vorgehensweise führt bei Anwendungen mit bewegten Objekten zu einer zeitversetzten Belichtung der Sensorzeilen und kann, je nach Prüfsituation, unerwünschte Verzerrungen in den aufgenommenen Bildern verursachen.

Sensoren mit Global Shutter arbeiten anders: Sie lesen alle belichteten Pixel zum selben Zeitpunkt aus und sorgen auf diese Weise dafür, dass auch Bilder von bewegten Prüfobjekten oder Aufnahmen von fahrenden Fahrzeugen bei der Anwendung im Traffic-Bereich ohne Verzerrungen erfasst werden können.

Darüber hinaus hatten die Sony-Entwickler schon in diese erste IMX-Generation Funktionen integriert, die große Vorteile für den Einsatz in der industriellen Bildverarbeitung mit sich brachten. Dazu zählt unter anderem die Möglichkeit, kleinere Regions of Interest (ROIs) zu definieren. Durch diese Beschränkung des Sensor-Auslesebereichs lässt sich die Geschwindigkeit der Bildaufnahme erhöhen sowie die Größe der Bilddaten für die Datenübertragung reduzieren. Diese Eigenschaft spielt ihre Vorteile immer dann aus, wenn für die Inspektion von Objekten nur bestimmte Teilbereiche betrachtet werden müssen.

IMX174 und IMX249 heißen die Sensoren der ersten IMX-Generation, die auch unter der Bezeichnung Pregius bekannt ist. Diese Global-Shutter-Sensoren arbeiten mit quadratischen Pixeln mit einer Kantenlänge von 5,68 µm und einer Auflösung von 1920 x 1200 Pixeln und unterscheiden sich in ihrer Geschwindigkeit: IMX249 erlaubt eine Bildaufnahmegeschwindigkeit von 41 Bildern pro Sekunde, die Highspeed-Variante IMX174 kommt sogar auf eindrucksvolle 166 Bilder pro Sekunde.

Für Anwendungen, in denen eine Auflösung von 2,3 Megapixeln für die Lösung der Aufgabenstellung ausreicht, stellen Kameras auf Basis von IMX174- und IMX249-Sensoren aufgrund der hohen Sättigungskapazität, des hohen Signal-Rauschabstands und des beeindruckenden Dynamikumfangs noch heute oft die perfekte Wahl dar.

Die Bandbreite der möglichen Auflösungen nahm mit der 2. Generation der IMX-Sensoren deutlich zu.

Die Bandbreite der möglichen Auflösungen nahm mit der 2. Generation der IMX-Sensoren deutlich zu.

Zweite IMX-Generation mit verkleinerten Pixeln

In der zweiten IMX-Sensorgeneration verkleinerte Sony die Pixelgröße auf 3,45 µm x 3,45 µm und stellte Ende 2016 Modelle mit Auflösungen von 3 Megapixeln (MP; IMX252 und IMX265), 5 MP (IMX250 und IMX264), 9 MP (IMX255 und IMX267) und 12 MP (IMX253 und IMX304) vor. Auch diese Sensoren bieten Anwendern die Vorzüge eines Global Shutter und nutzen die Exmor-Technologie für eine hervorragende Bildqualität. In Bezug auf die Geschwindigkeit liegen die Standard-Modelle der zweiten Generation (IMX265, IMX264, IMX267 und IMX304) zwischen 23 und 56 Bildern pro Sekunde, die Highspeed-Versionen ermöglichen die Aufnahme von 68 bis 216 Bildern pro Sekunde.

Wesentliche Unterschiede im Vergleich zu den ersten IMX-Sensoren zeigt die zweite Generation bei der Sättigungskapazität, die deutlich unterhalb der Werte ihrer Vorgänger liegt, jedoch immer noch im Bereich der CMOS-Sensoren anderer Hersteller. Diese Eigenschaft wird jedoch dadurch aufgewogen, dass Sony die erzielbare Auflösung bei vergleichbarem Sensorformat nahezu verdreifachen konnte.

STARVIS-Sensoren mit Backside-Illuminated-Technologie

Mit der STARVIS-Familie bietet Sony bereits seit geraumer Zeit eine leistungsfähige Sensortechnologie an, die zunächst nur in verschiedenen Farbvarianten existierte, und vor allem im Surveillance-Bereich eingesetzt wurde. Nach der Vorstellung monochromer STARVIS-Modelle wurden diese Sensoren zunehmend auch für Anwendungen in der Fabrikautomation interessant. Diese Sensorfamilie von Sony wurde parallel zur Pregius-Linie entwickelt und war zunächst nur mit Rolling Shutter, später jedoch auch mit Global Shutter verfügbar. STARVIS-Sensoren sind ebenfalls mit dem Kürzel IMX gekennzeichnet und arbeiten mit quadratischen Pixeln zwischen 1,85 µm und 3,76 µm Kantenlänge.

Wesentlichste Unterscheidungsmerkmale zwischen STARVIS und den Pregius-Generationen 1 und 2 sind der Rolling Shutter sowie die Backside-Illuminated-Technologie der STARVIS-Sensoren. Dieser auch als BSI bekannte Sensoraufbau ist eine durchdachte Entwicklung von Sony, die ein Problem elegant löst: STARVIS-Sensoren arbeiten mit sehr kleinen Pixeln von nur bis zu 1,85 µm Kantenlänge. Bei derart geringen Pixelgrößen entsteht ein ungünstiges Verhältnis zwischen den Flächen, die für die lichtaufnehmenden Pixel und die erforderlichen Elektronikbauteile wie Verstärker oder A/D-Wandler auf dem Sensor zur Verfügung stehen. Nehmen die nicht lichtempfindlichen Anteile zu, so sinkt die Quanteneffizienz eines Sensors.

Diese Situation umgeht Sony durch die Bestückung der reinen Verstärker- und Auswerteelektronik auf der Rückseite des Sensors und nicht wie bei herkömmlichen, so genannten Frontside-illuminated Sensoren (FSI) auf der Vorderseite. Auf dieser werden nur die lichtempfindlichen Teile des Sensors platziert. Durch diesen Kunstgriff kann nahezu die gesamte Pixelfläche zur photoelektrischen Reaktion genutzt werden und die Reflexion des Lichts von den elektronischen Bauteilen wird reduziert. Zudem liegt die lichtempfindliche Ebene eines BSI-Sensors höher als bei der konventionellen FSI-Bauweise, was ebenfalls zu einer verbesserten Abbildungsleistung beiträgt.

Frontside-illuminated (FSI) im Vergleich zu Backside-illuminated (BSI) Sensor:

Bei FSI-Sensoren (links) befindet sich die Verdrahtung oberhalb der lichtempfindlichen Pixelfläche. Das Licht muss eine Art „Tunnel“ passieren, bevor es die Photodiode erreicht, und wird dabei teilweise von den elektronischen Bauteilen reflektiert. Bei der BSI-Technologie (rechts) ist die Verdrahtung unter den Fotodioden realisiert.

Welche Auswirkungen dies hat, zeigt ein Vergleich des absoluten Empfindlichkeitsschwellwertes, der im Standard EMVA1288 definiert ist und angibt, wie viel Licht, also Photonen, die Sensoren durchschnittlich benötigen, um ein Signal zu erzeugen, das sich ausreichend vom Rauschen abhebt. Dieser Wert liegt bei Pregius-Sensoren der ersten Generation bei 10, die Modelle der zweiten Pregius-Generation erzielen hingegen einen Wert von 3 und STARVIS-Sensoren erreichen den Wert 4.

Pregius S, die aktuelle 4. Generation

Im Jahr 2020 hat Sony unter der Bezeichnung Pregius S die derzeit fortschrittlichste Sensorgeneration mit einer Pixelgröße von 2,74 µm x 2,74 µm und Auflösungen von 5,1 bis 24,5 Megapixel vorgestellt. Die Standardmodelle IMX540, IMX541, IMX542, IMX545, IMX546 und IMX547 decken Bildaufnahmegeschwindigkeiten von 35 bis 122 Bildern pro Sekunde bzw. bis zu 870 Megapixel pro Sekunde ab, die Highspeed-Varianten IMX530, IMX531, IMX532, IMX535, IMX536 und IMX537 bringen es sogar auf 106 bis 259 Bilder pro Sekunde bzw. bis zu 2600 Megapixel pro Sekunde und ermöglichen damit die Überprüfung von sehr schnell bewegten Objekten.

Pregius S-Sensorenkombinieren die Vorzüge der für die STARVIS-Familie entwickelten BSI-Technologie mit dem Global Shutter-Ansatz der ersten beiden Pregius-Serien und setzen zudem weiterhin auf die Vorteile der Exmor-Rauschreduzierung.

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Die Anwendung entscheidet

Welcher CMOS-Sensor für eine Anwendung optimal geeignet ist, hängt von der jeweiligen Aufgabenstellung ab. Eines der entscheidenden Kriterien ist hierbei die Trigger-Geschwindigkeit der eingesetzten Kameras und ihrer Sensoren: Sollen Aufnahmen von schnell bewegten Objekten gemacht werden, so muss das Triggern möglichst schnell und exakt erfolgen. Hier weisen Pregius-Sensoren bessere Werte auf als Sensoren der STARVIS-Reihe: Zwischen Trigger und Auslesen eines Bildes liegen bei Pregius-Sensoren nur rund 20 µs, während diese Zeit bei STARVIS-Sensoren 450 µs und mehr betragen kann. In Anwendungen, bei denen eine exakte Ausführung des Triggers entscheidend für die Bildqualität ist, sind Kameras mit Pregius-Sensoren daher die bessere Wahl. Beispiele aus der Industrie sind unter anderem die Inspektion sehr schnell bewegter Objekte wie Flaschen oder Leiterplatten sowie Bewegungsanalysen im Sport. Auch 3D-Anwendungen oder Applikationen, bei denen Multikamera-Systeme im Einsatz sind, profitieren von der hohen Trigger-Geschwindigkeit und -Genauigkeit Pregius-basierter Kameras.

Häufig suchen Anwender einen adäquaten CMOS-Ersatz für Kameras, die vergleichbare Eigenschaften der CCD-Technologie aufweisen. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ist es dabei sinnvoll, Kameras mit einem CMOS-Sensor auszuwählen, der eine möglichst geringe Anpassung der vorhandenen Beleuchtung und Optik erfordert. Die Formate der Pregius-Sensoren ähneln denen früherer CCD-Kameras in stärkerem Maße als die STARVIS-Reihe und eignen sich daher eher für Anwendungen, in denen dieses Argument besonders wichtig ist. So können beispielsweise die 5 Megapixel-Varianten IMX264 und IMX250 der Pregius-Reihe hervorragend als Ersatz für den weit verbreiteten CCD-Sensor ICX625 genutzt werden. Kameras, die mit dem CCD-Sensor ICX824 ausgestattet sind, lassen sich mit geringem Aufwand durch Modelle mit den 8,9 Megapixel-Pregius-Versionen IMX267 und IMX255 austauschen, ohne das optische Setup des Systems stark anpassen zu müssen.

STARVIS-Sensoren bieten hingegen einen klaren Kostenvorteil gegenüber der Pregius-Reihe. Wenn die zu prüfenden Objekte also nicht in der Bewegung aufgenommen werden müssen, fällt der Rolling Shutter von STARVIS-basierten Kameras kaum ins Gewicht. Diese Sensoren erlauben aufgrund ihrer sehr kleinen Pixelgröße zudem höhere Auflösungen bei kleinerem Sensor, was jedoch bei der Wahl der Optik beachtet werden muss.

Trends

Die Sensorentwicklungen der letzten Jahre zeigen einen Trend hin zu mehr und vielfältigeren Funktionen neuer Modelle. So stellte Sony beispielsweise mit der zweiten Pregius-Generation einen Multi-Exposure-Trigger vor, bei dem ein einzelner Trigger-Impuls die schnelle Aufnahme mehrerer Bilder auslöst und ein Objekt somit mit verschiedenen Bildhelligkeiten aufgenommen werden kann. Auf diese Weise kann für die anschließende Bildauswertung das optimale Bild ausgewählt werden. Diese Funktion steht Anwendern der dritten und vierten Generation ebenfalls zur Verfügung.

Dies gilt auch für zwei Innovationen der dritten Generation, die bei den Highspeed-Sensoren sogenannte Self- und Dual-Trigger einführte. Bei einem Self-Trigger werden zwei unterschiedliche Bildbereiche (Regions of Interest, ROI) definiert und ein Bild von einem der beiden Bereiche aufgenommen, sobald eine Veränderung im anderen Bildausschnitt erkannt wird. Die Dual-Trigger-Funktion wiederum ermöglicht die Definition von zwei unterschiedlichen Werten für Belichtungszeit und Verstärkung, die unabhängig voneinander angesteuert werden können. Self- und Dual-Trigger sind in allen Sensoren der vierten Generation enthalten.

Diese Beispiele zeigen, dass die Funktionen vorangegangener Sensor-Generationen in der Regel in die nächste Entwicklungsstufe übernommen werden und Anwendern somit noch mehr Möglichkeiten zur Verfügung stehen.

Ein weiterer wichtiger Trend in der Sensorentwicklung geht hin zu immer kleineren Sensoren mit hoher Auflösung. Möglich wird dies durch immer kleinere Pixelgrößen, die aufgrund von Fortschritten in den Produktionsprozessen möglich werden. Aus dieser Miniaturisierung der Sensoren ergibt sich die Möglichkeit, auch die Kamerabaugrößen weiter zu reduzieren. Zudem kann in bestimmten Fällen die Anzahl der eingesetzten Kameras aufgrund der höheren Auflösungen verringert werden. Auch der Einsatz kostenoptimierter Kamerasysteme wird dadurch möglich. Bei Pregius-Sensoren sind oftmals kostenintensive 1“-Objektive nötig, die bei den kleineren Sensorgrößen der Pregius S-Reihe durch günstigere, aber ebenso leistungsstarke Objektive abgelöst werden können. Dies macht den Einsatz von Kameras mit Pregius S-Sensoren so beliebt.

Fazit

Als weltweit wichtigster Sensorhersteller hat sich Sony auf die CMOS-Technologie festgelegt und damit das Ende der Ära von CCD-Sensoren und -Kameras eingeläutet. Die technischen Eigenschaften der ersten vier IMX-Generationen Pregius, STARVIS und Pregius S bieten Entwicklern und Anwendern in zahlreichen Einsatzfeldern, wie unter anderem der industriellen Bildverarbeitung, umfangreiche Optionen in Bezug auf die verfügbaren Auflösungen, Geschwindigkeiten und Funktionen. Aufgrund der ständigen Weiterentwicklungen ist davon auszugehen, dass die nächste Sensorgeneration noch umfangreichere technische Möglichkeiten bieten wird.