CMOS-Sensor

Ein Active Pixel Sensor (APS, dt. aktiver Pixelsensor) ist ein Halbleiterdetektor zur Lichtmessung, der in CMOS-Technik gefertigt ist und deshalb oft als CMOS-Sensor bezeichnet wird.

Durch die Verwendung der CMOS-Technik wird es möglich, weitere Funktionen in den Sensorchip zu integrieren, wie beispielsweise die Belichtungskontrolle, die Kontrastkorrektur oder die Analog-Digital-Wandlung.

Einer der ersten CMOS-APS, eine Entwicklung der NASA

Funktionsprinzip

Prinzipbild eines einzelnen Pixels in einem AP-Sensor

Die Lichtempfindlichkeit der APS basiert – wie auch der CCD-Sensoren – auf dem inneren fotoelektrischen Effekt.

Zu jeder Fotodiode ist ein Kondensator parallel geschaltet, der durch den Fotostrom aufgeladen wird. Die 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.

Das bedeutet, dass jedes Bildelement zusätzlich zur Fotodiode eine Vielzahl von Transistoren enthält, die die gesammelte Ladung in eine messbare Spannung umwandeln. Der Vorteil ist, dass die Elektronik direkt das Spannungssignal jedes einzelnen Pixels auslesen kann, ohne die Ladungen verschieben zu müssen, was eine deutlich geringere Neigung zum Blooming zur Folge hat. Der Nachteil ist, dass sich zwischen den lichtempfindlichen Fotodioden viel Elektronik befindet, die selbst nicht lichtempfindlich ist, was bei gleicher Chipfläche ursprünglich zu einer im Verhältnis zur CCD-Technik kleineren Lichtempfindlichkeit führte. Da die notwendige Integrationsdichte, um mit CCD konkurrenzfähig zu sein, noch nicht erreicht war, war diese Technik in den 1970er und 1980er Jahren noch bedeutungslos.

Geschichte

Wegen der anfänglich nur schlecht verkleinerbaren Ausleseelektronik lag der Füllfaktor, also der Anteil der lichtempfindlichen Fläche an der Gesamtfläche eines Pixels, bei nur 30 Prozent, d. h. die Ladungsausbeute war gering (somit auch die erzielbare Signalstärke), was zu einem schlechten Signal-Rausch-Verhältnis führte und sich in starkem Bildrauschen bei schlechter Lichtempfindlichkeit äußerte.

Diese Nachteile wurden erst später durch intensive Weiterentwicklung in der Miniaturisierung der CMOS-Technik und durch den Einsatz von Mikrolinsen über jedem Bildelement, die das gesamte einfallende Licht auf den lichtempfindlichen Teil lenken, reduziert.

Anwendungsgebiete

AP-Sensoren werden als Bildsensoren in digitalen Fotoapparaten und Videokameras eingesetzt. Sie kommen heute in verschiedenen digitalen Spiegelreflexkameras zum Einsatz. In Mobiltelefonen mit Kamerafunktion kommen praktisch ausschließlich solche Sensoren zum Einsatz.

In Camcordern werden momentan fast ausschließlich CCD-Sensoren eingesetzt, jedoch hat Sony 2005 den HDR-HC1 veröffentlicht, einen HDV-Camcorder, der einen AP-Sensor verwendet. AP-Sensoren finden auch in vielen Industriekameras Verwendung. Die Münchener Firma Arri brachte 2004 mit der D-20 eine Videokamera heraus, die einen AP-Sensor mit einer Bildauflösung von 2880×1620 Pixel verwendet. Seine Größe entspricht der aktiven Bildfläche eines 35-mm-Films, was den Einsatz von generischen Filmobjektiven erlauben und die Schärfentiefe der Bilder an die des Filmes angleichen soll.

Eine Spezialform der CMOS-Bildsensoren stellen die Fotodioden-Arrays dar, die quasi ein n×1-CMOS-Bildsensor sind. Sie werden in der Regel nur in embedded-Anwendungen, d. h. Anwendungen verwendet, bei denen das Bild nicht von Menschen betrachtet oder ausgewertet wird. Beispiele dafür sind Barcodelesegeräte und Winkelsensoren.

Unterschiede zu CCD-Sensoren

Die CMOS-Technik der APS weist gegenüber den MOSFET-basierten CCD-Sensoren auch einen deutlich geringeren Energieverbrauch auf (ca. zehn Prozent der CCDs).

Anfangs erhoffte man sich eine günstige Produktion bei einem größeren Produktionsvolumen, unter der Annahme, dass die Sensoren ohne Umrüstung auf den für hohe Stückzahlen ausgelegten Fertigungsstraßen gefertigt werden könnten und so einen geringeren Fertigungsaufwand pro Chip verursachen würden. Dies hat sich nicht bestätigt (Stand 2001). ^[1] Die Anforderungen der Produktion (Strukturen von 0,0003 mm gegenüber 0,0006 mm bei Speicherbausteinen) erforderte die Entwicklung neuer Fertigungsanlagen.

CMOS-Bildsensoren besitzen oft eine höhere Empfindlichkeit im NIR-Bereich (engl. near infra-red, kurzwellige Infrarotstrahlung) als CCD-Sensoren. Bei vielen CMOS-Sensoren liegt das Empfindlichkeitsmaximum im NIR-Bereich (> 650 nm), während CCD-Sensoren das Maximum im sichtbaren Bereich (grünes Licht, 550 nm) besitzen.

Vorteile

• Geringerer Stromverbrauch.
• Es lassen sich mehrere Pixel gleichzeitig auslesen.
• Die Auslesesteuerung kann direkt auf dem Sensor integriert werden (System on a Chip).
• Kaum Blooming.
• Flexibler auszulesen (schnelle Vorschau-Ansicht (preview), Video, Binning, mehrfaches Auslesen).
• Manche Verarbeitungsschritte können gleich im Pixel-Verstärker vorgenommen werden, z. B. Logarithmierung beim HDRC-Sensor (engl. high dynamic range CMOS).
• Sehr hohe Bildraten im Vergleich zu einem CCD gleicher Größe.

Nachteile

• geringerer Füllfaktor (Verhältnis der fotoempfindlichen zur gesamten Pixelfläche)
• größere Empfindlichkeitsunterschiede zwischen den Pixeln, was bei Bayer-Sensoren zu einem stärkeren Farbrauschen führt.
• übliche CMOS-Sensoren sind weniger lichtempfindlich als CCD-Sensoren (Ausnahme: teure Spezialsensoren)

Siehe auch

• Foveon X3 Direkt-Bildsensor
• Rolling-Shutter-Effekt
• Digital Pixel Sensor (DPS)

Weblinks

• Wissenswertes zu Bildsensoren
• Sensortechnik
• Common Image Sensor Sizes
• APS in der Mikroskopie mit Bild eines APS-Dies
• Seminararbeit Digitalkameratechnologien: Eine vergleichende Betrachtung CCD kontra CMOS (PDF)
• Diplomarbeit von J. Anhofer (PDF – Seite 49 bis 53, mit sehr gutem 3D-Schnittbildern)
• Messen optischer Größen (PPT – Bilder zur Veranschaulichung)
• Canon Deutschland zur Weiterentwicklung der CMOS-Technik für die Canon EOS 350D
• Artikel 17 Bit für jedes Pixel über eine neue Generation von CMOS-Bildsensoren mit hoher Dynamik

Einzelnachweise

1. ↑ Dave Litwiller: CCD vs. CMOS: Facts and Fiction. In: Photonics Spectra. Nr. 1, 2001, S. 154–158.