Bei den sCMOS-Sensoren der zweiten Generation wurde die Rauschstatistik deutlich verbessert. Das vergrößert den abbildbaren Dynamikbereich so stark, dass sie auch Zwielicht- oder Aufblendsituationen differenziert erfassen können. Zudem sagt ein von Eureca entwickeltes Simulationssystem genau voraus, welche Leistung ein Sensor mit einer bestimmten Kamerakonfiguration erbringen wird.
Christine Gassel, freie Redakteurin, München
Auf der Vision 2014 in Stuttgart wurde zum ersten Mal in Deutschland die zweite Generation der sogenannten scientific CMOS-Bildsensoren (sCMOS) vorgestellt. Produziert werden sie vom US-Kamerakomponentenhersteller Fairchild Imaging und hierzulande vertrieben durch den Entwicklungsdienstleister Eureca Messtechnik. Die Rauschstatistik wurde bei diesen empfindlichen Sensoren signifikant verbessert und der abbildbare Dynamikbereich so stark vergrößert, dass sie auch Zwielicht- oder Aufblendsituationen differenziert erfassen können. Zudem kann aufgrund der hohen Lichtempfindlichkeit auf einen Bildverstärker verzichtet werden. Durch die neuen Features in Verbindung mit ihren niedrigen Fertigungskosten eignen sich die Sensoren inzwischen auch für den breiten Einsatz in der industriellen Überwachung, in der Sicherheitstechnik oder für den kommerziellen Foto- und Videobereich.
Qualitativ hochwertige Nachtaufnahmen ganz ohne Bildverstärker
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 besten CCDs reduziert werden. Seither hat sich diese Bildgebungstechnologie vor allem im wissenschaftlichen Bereich weltweit etabliert. Die 2.0-Modelle gehen nun noch einen Schritt weiter: Der neue Hawkeye CIS 1910F mit einem aktiven Bildbereich von 1920 x 1080 Pixeln bei 6,5 µm x 6,5 µm Pixelgröße verbindet beispielsweise eine hohe Quantenausbeute mit Empfindlichkeit, einem sehr niedrigen Dunkelstrom sowie einem Ausleserauschen von annähernd einem Elektron (rms). Der Sensor übertrifft damit die Werte herkömmlicher CCD-Lösungen und liefert sogar bei sehr wenig Licht eine Bildqualität, die sich mit Aufnahmen konventioneller Kamerasysteme mit Bildverstärker messen kann.
Erreicht wurde dies durch den Einsatz von rund 4000 auf dem Chip integrierten Analog-Digital-Wandlern, welche auch bei einer 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 vermeiden.
Seit Mitte 2014 sind die Bildsensoren in zunächst fünf Ausführungen mit Auflösungen von bis zu 5,5 MP in Europa erhältlich. Die Produktfamilie soll in nächster Zeit aber noch um weitere Modelle erweitert werden. Außerdem sind Varianten mit speziellen Gehäusen oder Sensorversionen sowohl in Monochrom als auch in Farbe angedacht. „Insbesondere durch das extrem niedrige Ausleserauschen sind diese Sensoren nicht nur für wissenschaftliche Anwendungen interessant, sondern gewinnen auch immer mehr Bedeutung in den Bereichen der Sicherheitstechnik und Videoproduktion“, so Karsten Sengebusch. Sengebusch, einer der Geschäftsführer des Optoelektronikspezialisten Eureca, war schon an der Entwicklung des ursprünglichen sCMOS von Fairchild Imaging beteiligt und hat den Vertrieb des Nachfolgers unter anderem in Deutschland, Österreich und der Schweiz übernommen. Daneben macht aber auch der günstige Herstellungspreis die Sensoren für diese Branchen zu einer echten Alternative zur CCD-Technik. Ein erster Großhersteller von Kameras für Überwachungs- und Medienaufnahmen arbeitet bereits an Prototypen mit sCMOS 2.0.
Simulation sagt zuverlässig Bildqualität von Kamerakonfigurationen voraus
Aber auch ohne Prototypenbau, Labormuster oder andere Hardware können sich Interessenten einen Eindruck von der Bildqualität der Sensoren in einer Kamerakonfiguration ihrer Wahl verschaffen: Möglich macht dies ein von Eureca entwickeltes Simulationssystem, das aus den technischen Daten von Bildsensor und Kamera mittels physikalischer Gesetzmäßigkeiten ableiten kann, 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.
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 wirken als Alleinstellungsmerkmal, 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 teure Redesigns oder große Lagermengen für die restliche Projektlaufzeit. Dies ist gerade im Zeitalter der immer kürzer werdenden Produktzyklen von Bildsensoren enorm wichtig. Um hier die bestmögliche Konfiguration zu finden, begleitet Eureca auf Wunsch den gesamten Produktlebenszyklus – von der Konzeption über die Wahl des Fertigungspartners bis zum Ende der Produktlaufzeit. mc
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Eureca Messtechnik GmbH
Eupener Straße 150
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