Ein Bildsensor dient der Bildgebung . Er erfasst und übermittelt Informationen zur Bilderzeugung . Dies geschieht durch die Umwandlung der variablen Dämpfung von Lichtwellen ( beim Durchgang durch oder der Reflexion an Objekten) in Signale – kurze Stromimpulse, die die Information transportieren. Die Wellen können Licht oder andere elektromagnetische Strahlung sein . Bildsensoren werden in elektronischen Bildgebungsgeräten analoger und digitaler Bauart eingesetzt, darunter Digitalkameras , Kameramodule , Kamerahandys , optische Mäuse , medizinische Bildgebungsgeräte , Nachtsichtgeräte wie Wärmebildkameras , Radar , Sonar und andere. Mit dem technologischen Fortschritt werden chemische und analoge Bildgebungsverfahren zunehmend durch elektronische und digitale Verfahren ersetzt.

Die beiden Haupttypen elektronischer Bildsensoren sind der CCD-Sensor ( Charge-Coupled Device ) und der CMOS -Sensor ( Active-Pixel- Sensor). Beide basieren auf der Metall-Oxid-Halbleiter- Technologie (MOS), wobei CCDs auf MOS-Kondensatoren und CMOS-Sensoren auf MOSFET- Verstärkern (MOS-Feldeffekttransistoren) beruhen . Analoge Sensoren für unsichtbare Strahlung verwenden in der Regel Vakuumröhren verschiedener Art, während digitale Sensoren Flachdetektoren umfassen .

Vergleich zwischen CCD- und CMOS-Sensoren

Eine Mikrofotografie der Ecke des Fotosensorarrays einer digitalen Webcam -Kamera
Bildsensor (oben links) auf der Hauptplatine einer Nikon Coolpix L2 6 MP

Die beiden Haupttypen digitaler Bildsensoren sind der Charge-Coupled Device (CCD) und der Aktivpixel-Sensor (CMOS-Sensor), die in komplementärer MOS-Technologie (CMOS) oder N-Typ -MOS-Technologie ( NMOS oder Live MOS ) gefertigt werden . Sowohl CCD- als auch CMOS-Sensoren basieren auf der MOS-Technologie [ 1 ] , wobei MOS-Kondensatoren die Bausteine ​​eines CCD [ 2 ] und MOSFET- Verstärker die Bausteine ​​eines CMOS-Sensors [ 3 ] [ 4 ] sind.

In kleinen Konsumprodukten integrierte Kameras verwenden in der Regel CMOS-Sensoren, die im Vergleich zu CCDs üblicherweise günstiger sind und in batteriebetriebenen Geräten einen geringeren Stromverbrauch aufweisen. [ 5 ] CCD-Sensoren kommen in hochwertigen Videokameras für den Broadcast-Bereich zum Einsatz, während CMOS-Sensoren in der Fotografie und bei Konsumgütern dominieren, wo die Gesamtkosten eine wichtige Rolle spielen. Beide Sensortypen erfüllen dieselbe Aufgabe: Sie erfassen Licht und wandeln es in elektrische Signale um.

Jede Zelle eines CCD -Bildsensors ist ein analoges Bauelement, eine Fotodiode mit Pinning-Technologie . [ 6 ] Trifft Licht auf den Chip, wird es in jeder Fotodiode als kleine elektrische Ladung gespeichert. Die Ladungen in der Zeile mit den Pixeln, die den (einen oder mehreren) Ausgangsverstärkern am nächsten liegen, werden verstärkt und ausgegeben. Anschließend verschiebt jede Pixelzeile ihre Ladungen um eine Zeile näher an die Verstärker heran und füllt so die leere Zeile in der Nähe der Verstärker auf. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die Ladung aller Pixelzeilen verstärkt und ausgegeben wurde. [ 7 ]

Ein CMOS-Bildsensor besitzt im Vergleich zu den wenigen Verstärkern eines CCD-Sensors einen Verstärker pro Pixel. Dadurch steht für die Photonenerfassung weniger Fläche zur Verfügung als bei einem CCD. Dieses Problem wurde jedoch durch den Einsatz von Mikrolinsen vor jeder Fotodiode gelöst. Diese fokussieren Licht auf die Fotodiode, das andernfalls auf den Verstärker treffen und nicht detektiert werden würde. [ 7 ] Einige CMOS-Bildsensoren nutzen zudem die Rückseitenbeleuchtung, um die Anzahl der auf die Fotodiode treffenden Photonen zu erhöhen. [ 8 ] CMOS-Sensoren können potenziell mit weniger Bauteilen realisiert werden, verbrauchen weniger Strom und/oder ermöglichen ein schnelleres Auslesen als CCD-Sensoren. [ 9 ] Sie sind außerdem weniger anfällig für statische Entladungen.

Ein weiteres Design, eine hybride CCD/CMOS-Architektur (unter dem Namen „ sCMOS “ vertrieben), besteht aus CMOS-Auslese-ICs (ROICs), die mittels Bump-Bonding auf ein CCD-Bildgebungssubstrat aufgebracht werden – eine Technologie, die für Infrarot - Senderarrays entwickelt und für siliziumbasierte Detektortechnologie adaptiert wurde. [ 10 ] Ein anderer Ansatz nutzt die in der modernen CMOS-Technologie verfügbaren sehr feinen Dimensionen, um eine CCD-ähnliche Struktur vollständig in CMOS-Technologie zu realisieren: Solche Strukturen lassen sich durch die Trennung einzelner Polysilizium-Gates mit einem sehr kleinen Spalt erreichen. Obwohl hybride Sensoren noch Forschungsergebnisse darstellen, können sie potenziell die Vorteile von CCD- und CMOS-Bildsensoren vereinen. [ 11 ]

Leistung

Es gibt viele Parameter zur Bewertung der Leistungsfähigkeit eines Bildsensors, darunter Dynamikumfang , Signal-Rausch-Verhältnis und Empfindlichkeit bei schwachem Licht. Bei Sensoren vergleichbarer Bauart verbessern sich Signal-Rausch-Verhältnis und Dynamikumfang mit zunehmender Größe . Dies liegt daran, dass bei gleicher Belichtungszeit mehr Photonen auf ein Pixel mit größerer Fläche treffen.

Belichtungszeitsteuerung

Die Belichtungszeit von Bildsensoren wird im Allgemeinen entweder durch einen herkömmlichen mechanischen Verschluss , wie bei Filmkameras, oder durch einen elektronischen Verschluss gesteuert . Elektronische Verschlüsse können „global“ sein, wobei die Akkumulation von Photoelektronen über die gesamte Sensorfläche gleichzeitig beginnt und endet, oder „rolling“, wobei das Belichtungsintervall jeder Zeile unmittelbar vor dem Auslesen dieser Zeile erfolgt. Dieser Vorgang „rollt“ über das Bildfeld (typischerweise von oben nach unten im Querformat). Globale elektronische Verschlüsse sind weniger verbreitet, da sie Speicherschaltungen benötigen, um die Ladung vom Ende des Belichtungsintervalls bis zum Auslesevorgang, der typischerweise einige Millisekunden später erfolgt, zu halten. [ 12 ]

Farbtrennung

Bayer-Muster auf dem Sensor
Foveons Schema der vertikalen Filterung zur Farberkennung

Es gibt mehrere Haupttypen von Farbbildsensoren, die sich durch die Art des Farbtrennungsmechanismus unterscheiden:

  • Integrale Farbsensoren [ 13 ] verwenden ein Farbfilterarray, das auf einem einzelnen monochromen CCD- oder CMOS-Bildsensor aufgebracht ist. Das gebräuchlichste Farbfilterarray-Muster, das Bayer-Muster , verwendet eine Schachbrettanordnung mit zwei grünen Pixeln für jedes rote und blaue Pixel. Es wurden jedoch viele weitere Farbfiltermuster entwickelt, darunter solche mit Cyan-, Magenta-, Gelb- und Weißpixeln. [ 14 ] Integrale Farbsensoren wurden ursprünglich hergestellt, indem Farbstoffe durch Fotolackfenster auf eine Polymer-Empfangsschicht übertragen wurden, die auf einem monochromen CCD-Sensor aufgebracht war. [ 15 ] Da jedes Pixel nur eine einzige Farbe (z. B. Grün) liefert, werden die „fehlenden“ Farbwerte (z. B. Rot und Blau) des Pixels mithilfe benachbarter Pixel interpoliert. [ 16 ] Diese Verarbeitung wird auch als Demosaicing oder Debayering bezeichnet .
  • Der Foveon X3-Sensor nutzt ein Array aus geschichteten Pixelsensoren und trennt Licht durch die inhärente, wellenlängenabhängige Absorptionseigenschaft von Silizium, sodass an jeder Stelle alle drei Farbkanäle erfasst werden. Dieses Verfahren ähnelt der Funktionsweise von Farbfilm in der Fotografie.
  • 3CCD- Sensoren verwenden drei separate Bildsensoren, wobei die Farbtrennung durch ein dichroitisches Prisma erfolgt . Die dichroitischen Elemente sorgen für eine schärfere Farbtrennung und verbessern so die Farbqualität. Da jeder Sensor innerhalb seines Durchlassbereichs und bei voller Auflösung gleich empfindlich ist, liefern 3CCD-Sensoren eine bessere Farbqualität und eine bessere Leistung bei schwachem Licht. 3CCD-Sensoren erzeugen ein vollständiges 4:4:4- Signal, das in der Fernsehübertragung , der Videobearbeitung und bei Chroma-Key -Effektenbevorzugt wird

Spezialsensoren

Infrarotaufnahme des Orionnebels , aufgenommen mit dem kryogenen Weitfeld-Bildgeber HAWK-I der ESO [ 17 ].

Spezielle Sensoren werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise zur Erstellung multispektraler Bilder , Videolaryngoskopen , Gammakameras , Flachbilddetektoren und anderen Sensorarrays für Röntgenstrahlen , Mikrobolometerarrays in der Thermografie und anderen hochempfindlichen Arrays für die Astronomie . [ 18 ]

Während Digitalkameras im Allgemeinen einen flachen Sensor verwenden, entwickelte Sony 2014 einen Prototyp eines gekrümmten Sensors, um die bei flachen Sensoren auftretende Petzval-Bildfeldwölbung zu reduzieren bzw. zu eliminieren . Die Verwendung eines gekrümmten Sensors ermöglicht ein kürzeres Objektiv mit kleinerem Durchmesser, weniger Elementen und Komponenten, einer größeren Blendenöffnung und einem geringeren Lichtabfall am Bildrand. [ 19 ]

Geschichte

Frühe analoge Sensoren für sichtbares Licht waren Videokameraröhren . Sie stammen aus den 1930er Jahren, und bis in die 1980er Jahre wurden verschiedene Typen entwickelt. Anfang der 1990er Jahre wurden sie durch moderne Festkörper- CCD-Bildsensoren ersetzt. [ 20 ]

Die Grundlage moderner Festkörper-Bildsensoren bildet die MOS-Technologie [ 21 ] [ 22 ] , die auf die Erfindung des MOSFET durch Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng bei den Bell Labs im Jahr 1959 zurückgeht [ 23 ]. Spätere Forschungen zur MOS-Technologie führten zur Entwicklung von Halbleiter - Bildsensoren, darunter der Charge-Coupled Device (CCD) und später der Aktivpixel-Sensor ( CMOS- Sensor) [ 21 ] [ 22 ] .

Der passive Pixelsensor (PPS) war der Vorläufer des aktiven Pixelsensors (APS). [ 4 ] Ein PPS besteht aus passiven Pixeln, die ohne Verstärkung ausgelesen werden . Jedes Pixel besteht aus einer Fotodiode und einem MOSFET- Schalter. [ 24 ] Es handelt sich um eine Art Fotodiodenarray , dessen Pixel einen pn-Übergang , einen integrierten Kondensator und MOSFETs als Selektionstransistoren enthalten . Ein Fotodiodenarray wurde 1968 von G. Weckler vorgeschlagen. [ 3 ] Dies bildete die Grundlage für den PPS. [ 4 ] Diese frühen Fotodiodenarrays waren komplex und unpraktisch, da Selektionstransistoren in jedem Pixel sowie On-Chip - Multiplexerschaltungen integriert werden mussten . Das Rauschen der Fotodiodenarrays schränkte die Leistung ebenfalls ein, da die Auslesekapazität der Fotodioden zu einem erhöhten Rauschpegel führte. Auch die korrelierte Doppelabtastung (CDS) konnte ohne externen Speicher nicht mit einem Fotodiodenarray verwendet werden . [ 3 ]

Im Juni 2022 gab Samsung Electronics die Entwicklung eines Bildsensors mit 200 Millionen Pixeln bekannt. Der 200MP ISOCELL HP3 verfügt über 0,56 Mikrometer große Pixel. Samsung gab an, dass frühere Sensoren 0,64 Mikrometer große Pixel aufwiesen, was einem Rückgang von 12 % gegenüber 2019 entspricht. Der neue Sensor enthält 200 Millionen Pixel in einem 1 × 1,4 Zoll (25 × 36 mm) großen Objektiv. [ 25 ]

Ladungsgekoppeltes Bauelement

Der Charge-Coupled Device (CCD) wurde 1969 von Willard S. Boyle und George E. Smith in den Bell Labs erfunden. [ 26 ] Bei ihren Forschungen zur MOS-Technologie erkannten sie, dass eine elektrische Ladung analog zu einer magnetischen Blase ist und auf einem winzigen MOS-Kondensator gespeichert werden kann . Da es relativ einfach war, mehrere MOS-Kondensatoren in Reihe zu schalten , schlossen sie eine geeignete Spannung an, um die Ladung schrittweise von einem zum nächsten zu übertragen. [ 21 ] Der CCD ist ein Halbleiterschaltkreis, der später in den ersten digitalen Videokameras für die Fernsehübertragung eingesetzt wurde . [ 27 ]

Frühe CCD-Sensoren litten unter Auslöseverzögerungen . Dieses Problem wurde weitgehend mit der Erfindung der Pinned Photodiode (PPD) behoben. [ 4 ] Sie wurde 1980 von Nobukazu Teranishi , Hiromitsu Shiraki und Yasuo Ishihara bei NEC erfunden. [ 4 ] [ 28 ] Es handelte sich um eine Fotodetektorstruktur mit geringer Verzögerung, niedrigem Rauschen , hoher Quanteneffizienz und niedrigem Dunkelstrom . [ 4 ] Ab 1987 wurde die PPD in die meisten CCD-Sensoren integriert und etablierte sich zunächst in Videokameras für Unterhaltungselektronik und später in Digitalkameras . Seitdem wird die PPD in nahezu allen CCD-Sensoren und später auch in CMOS-Sensoren eingesetzt. [ 4 ]

Aktivpixelsensor

Der NMOS -Aktivpixelsensor (APS) wurde Mitte der 1980er-Jahre von Olympus in Japan entwickelt. Dies wurde durch Fortschritte in der MOS- Halbleiterfertigung ermöglicht , wobei die MOSFET-Skalierung immer kleinere Mikrometer- und schließlich Submikrometerbereiche erreichte . [ 3 ] [ 29 ] Der erste NMOS-APS wurde 1985 von Tsutomu Nakamuras Team bei Olympus hergestellt. [ 30 ] Der CMOS -Aktivpixelsensor (CMOS-Sensor) wurde später, im Jahr 1993 , von einer Gruppe von Wissenschaftlern am Jet Propulsion Laboratory der NASA verbessert. [ 4 ] Bis 2007 hatten die Verkaufszahlen von CMOS-Sensoren die von CCD-Sensoren übertroffen. [ 31 ] In den 2010er-Jahren verdrängten CMOS-Sensoren CCD-Sensoren in nahezu allen neuen Anwendungen.

Andere Bildsensoren

Die erste kommerzielle Digitalkamera , die Cromemco Cyclops aus dem Jahr 1975, verwendete einen 32×32 MOS-Bildsensor. Es handelte sich um einen modifizierten MOS Dynamic RAM ( DRAM ) -Speicherchip . [ 32 ]

MOS-Bildsensoren finden breite Anwendung in der optischen Maustechnologie . Die erste optische Maus, 1980 von Richard F. Lyon bei Xerox entwickelt, nutzte einen 5  μm NMOS- Sensorchip . [ 33 ] [ 34 ] Seit der Einführung der ersten kommerziellen optischen Maus, der IntelliMouse im Jahr 1999, verwenden die meisten optischen Mäuse CMOS-Sensoren. [ 35 ]

Im Februar 2018 kündigten Forscher des Dartmouth College eine neue Bildsensortechnologie an, die sie QIS (Quanta Image Sensor) nennen. Anstelle von Pixeln verwenden QIS-Chips sogenannte „Jots“. Jeder Jot kann ein einzelnes Lichtteilchen, ein Photon , detektieren . [ 36 ]

Siehe auch

Referenzen

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