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Technologie

CMOS Image Sensor Technologie

Glossary

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) ist die “Mainstream� Halbleiter Technologie, welche zur Herstellung der meisten integrierten Schaltungen eingesetzt wird. Bildsensoren basierend auf CMOS können alle Vorteile der raschen Weiterentwicklung dieser Technologie nutzen, wie kleinere Strukturbreiten und den damit verbundenen höheren Taktraten, als auch die Integration immer komplexerer Komponenten und Designblöcke. Ebenso können CMOS Bildsensoren alle Kostenvorteile ausnutzen, welche durch einen hohen Integrationsgrad „Very Large Scale Integration“ (VLSI), durch „System on Chip Integration“ (SOC) und durch die automatisierte Grosserienproduktion entstehen.

CMOS Bildsensoren bieten für Applikationen in der rechnergestützten Bildverarbeitung eine Reihe von Eigenschaften, welche nur in dieser Technologie realisiert werden können, wie zum Beispiel dass jedes Bildelement (Pixel) nicht nur ein lichtempfindlicher Detektor ist, sondern ein aktives Element auch bezeichnet als „Active Pixel Sensor“ (APS)
In Darstellung 1 ist das Funktionsprinzip eines active pixel“ CMOS Bildsensors (APS) aufgezeigt

• Darstellung 1: Active Pixel CMOS Bildsensor. APS
• Darstellung 2: Prinzipielle Schaltung eines CMOS Bildsensor Pixels
  In Darstellung 2 wird der grundlegende Aufbau eines CMOS Pixels beschrieben.

Einer der Vorteile der von AWAIBA entwickelten CMOS Bildsensor Technologie, ist die Fähigkeit extrem hohe Beleuchtungspegel verkraften zu können. Andere Bildsensoren welche z.B. auf der „Charged Coupled Devices“ (CCD) Technologie beruhen, haben bei hohen Lichtpegeln Artefakte wie „blooming“ und „smear“. Die aktive Kontrolle der Sättigung der Photodiode in CMOS Sensoren, welche von AWAIBA entwickelt wurden, führt zu sehr hohen Kontrasten im Bild ohne Übersättigung oder Artefakten. Darstellung 3 zeigt das „blooming“ welches bei einem CCD Sensor entsteht, wenn eine hochdynamische Szene aufgenommen wird. Im Gegensatz dazu zeigt Darstellung 4 eine Szene mit annähernd 95dB Kontrast, für welche ein CMOS Sensor verwendet wurde. Das Bild zeigt ein menschliches Auge bei einer augenärztlichen Untersuchung, welches mit einer Schlitzbeleuchtung bestrahlt wird.

• Darstellung 3: Blooming Artefakte bei einem CCD Bildsensor
• Darstellung 4: Hochdynamische Szene ohne Sättigung oder Artefakte, aufgenommen mit einem CMOS Bildsensor. Das Bild zeigt ein menschliches Auge während der Untersuchung mit einer Schlitzbeleuchtung.

Ein weiterer Vorteil der Bildsensortechnologie von AWAIBA ist das Prinzip des globalen oder synchronen Shutters. Dieser ermöglicht alle Pixel gleichzeitig zu belichten, im Gegensatz zum „Rolling Shutter“, welcher Vorzugsweise in Consumer Anwendungen eingesetzt wird. Bei sich schnell bewegenden Objekten führt ein „Rolling Shutter“ zu Artefakten, was bei einem „Global Shutter“ nicht der Fall ist. Der Unterschied lässt sich leicht in Darstellung 5 und 6 erkennen.

• Darstellung 5: Bild eines schnell rotierenden Lüfters, aufgenommen mit einem “Rolling Shutter Bildsensor.
• Darstellung 6: Verzerrungsfreies Bild eines schnell rotierenden Lüfters, aufgenommen mit einem “Global Shutter“ Bildsensor.
  AWAIBA hat auch Techniken entwickelt, um die spektrale Empfindlichkeit zu erhöhen, sowohl im kurzwelligen (UV), als auch im langwelligen Nahinfrarotbereich (NIR).

Eine typische spektrale Empfindlichkeit ist in Darstellung 7.

AWAIBA CMOS hochdynamik Bildsensor für automobil Anwendungen