CMOS Bildsensor Technologie
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.
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Pixel technology
AWAIBA nutzt mittels seiner Produktionspartner, welche allesamt zu den weltweit führenden Silizium Herstellern gehören, die neusten Entwicklungen in der Bildsensor Technologie. Solche Entwicklungen ermöglichen in CMOS Technologie “vergrabene” Photodioden und Transistor Kanäle zu realisieren, wie sie früher nur bei CCD’s bekannt waren. AWAIBA entwickelt mit den modernsten Technologien sein eigenes Pixel IP, sei es für kleinste “rolling shutter” Pixel oder für hochdynamische “global shutter” Pixel. Bild 1 zeigt ein klassisches 3-Transistor Pixel, während Bild 2 ein 4-Transsitor Pixel mit “pinned” Photodiode Zeigt. AWAIBA ergänzt diese Basisarchitekturen mit Elementen die hohe Empfindlichkeit, geringes Rauschen und “global shutter” erlauben.
Active Pixel CMOS image sensors. APS
4T Pinned pixel principle.
Global Shutter
Ein weiterer Vorteil der Bildsensor Technologie 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.
Image of rotating fan with rolling and with global shutter image sensor.
Hoher Bildkontrast
Extrem hoher in Bild Kontrast ist wichtig in automobil Anwendungen z.B. für Fahrer Assistenz Systeme. Ebenso ist in gewissen industriellen Bildverarbeitungsaufgaben ein hoher in Bild Kontrast oder Dynamikbereich sehr wichtig, so z.B. bei der Inspektion von Schweissvorgängen oder beim Messen auf reflektierenden Oberflächen. Aber auch wenn das Auflösen von sehr hellen Stellen manchmal nicht notwendig ist, so führen doch die auf gewissen Sensoren von solchen Überbelichtungen generierten Artefakte oft zu Problemen.
Für diese Anwendungen hat AWAIBA seine hochdynamik Pixelarchitektur entwickelt. Diese Pixel bleiben frei von Artefakten wie “blooming”, “smear” oder “lag”. Ebenso kennen AWAIBA Sensoren keinen “Corona” Effekt, auch bei sehr starker Überbelichtung.
Blooming artefacts of CCD image sensors
High dynamic scene without saturation and artefacts acquired by CMOS image sensor. The image shows a human eye under inspection with a slit lamp.
Komprimierter Film eines AWAIBA HDR-Sensors mit 750 x 400 Bildpunkten.(10MB).
Spektrale Response
AWAIBA Sensoren in CMOS Technologie sind auf eine sehr breite Spektrale Response optimiert. Ein typischer Quanteneffizienz Graph ist unten aufgezeigt.
Typical quantum efficiency versus wavelength of CMOS photo diode in AWAIBA technology
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Flächen Sensoren
Flächen Sensoren stellen den Hauptart der Bildsensoren dar. Flächen Sensoren bestehen aus einer 2 dimensionalen Matrix an Bildpunkten und erfassen ein 2 dimensionales Bild in ein und derselben Belichtung.
AWAIBA entwickelt verschiedenste solcher Flächensensoren, hauptsächlich für sehr schnelle Anwendungen, z.B. “Crashtests” aber auch für Anwendungen mit sehr begrenztem Platzbedarf, wie der Endoskopie, oder Sensoren mit sehr grossen Flächen wie für die Radiologie.
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Zeilen Sensoren
Im Gegensatz zu Flächensensoren bestehen Zeilensensoren lediglich aus einem eindimensionalen Array von Bildpunkten. Daher kann das zur Verfügung stehende Licht auf nur eine Zeile fokussiert werden. Dies ermöglicht sehr kurze Belichtungszeiten zu realisieren, wie sie bei der Inspektion von sich sehr schnell bewegenden Materialien notwendig sind. Wenige Mikrosekunden (1/1Mio) Belichtungszeit sind möglich. Ausserdem ermöglicht die Zeilensensor Technologie sehr hohe Auflösungen mit beschränktem Speicherplatz zu realisieren, da die Bilder auf Basis von nur einigen Zeilen ausgewertet werden können.
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Neuartige Chip Aufbautechnologien
Nicht nur der Bildsensor ist ein kritisches Element dessen Leistung optimiert werden muss, sondern auch seine Aufbau art (chip packaging). AWAIBA arbeitet auch in dem Bereich mit den modernsten Aufbautechnologien und ist ein aktiver Vorreiter in der Nutzung von Wafer basierten Aufbautechnologien die bereits die Optik mit integrieren, was komplette “Kameras” auf kleinstem Raum ermöglicht.
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