Was ist ein CMOS-Bildsensor?

Ein CMOS-Bildsensor ist ein Halbleiterbaustein mit CMOS-Technologie (Complementary Metal Oxide Semiconductor), der einfallendes Licht in ein digitales Bild umwandelt. Wie die meisten Digitalkameras erfasst er das einfallende Licht mit Tausenden von Photonendetektoren auf der Oberfläche eines Halbleiterchips. Jeder Detektor misst die Frequenz (Farbe) und Anzahl (Helligkeit) der absorbierten Photonen, indem er die Photonenenergie in eine elektrische Spannung umwandelt. Diese Spannung wird dann durch Transistoren verstärkt, die an jedem Detektor angebracht sind. Diese Art von Bildsensor wird als Active Pixel Sensor (APS) bezeichnet.

Da CMOS-Bildsensoren mit einer Standard-Halbleiterfertigungstechnologie hergestellt werden, enthalten die Chips in der Regel Signalverarbeitung, Analog-Digital-Wandler und digitale Logik auf dem Chip. Das Ergebnis ist eine vollständige Kamera auf einem einzigen Chip. Diese Technologie hat viele bildgebende Anwendungen ermöglicht, darunter winzige Digitalkameras in Smartphones, hochauflösende professionelle Hochgeschwindigkeitsvideokameras und Erdbeobachtungssensoren auf Satelliten.

Die beiden vorherrschenden Bildsensortechnologien CCD (Charge Coupled Device) und CMOS wurden etwa zeitgleich in den späten 1960er Jahren entwickelt. Beide nutzen den photoelektrischen Effekt, der auftritt, wenn ein Lichtteilchen[1], auch Photon genannt, von einem Atom absorbiert wird und den Elektronen des Atoms Energie zuführt.

Wenn genug Energie absorbiert wurde, stößt das Atom Elektronen aus und erzeugt eine negative Ladung im Halbleitermaterial. Der lichtabsorbierende, elektronenproduzierende Bereich eines Bildsensors wird Fotodiode genannt. Die Fotodioden sind auf einem Array angeordnet, das die Farbe und Intensität des auf ihrer Oberfläche fokussierten Lichts messen kann.

Bei CCD-Sensoren werden die Elektronen von der Fotodiode in einer Reihe von Kondensatoren eingefangen und dann verstärkt. Bei einem CMOS-Sensor werden die Elektronen direkt in Transistoren eingespeist und am Detektor verstärkt. Der große Vorteil des CCD-Ansatzes besteht darin, dass sich die Kondensatoren hinter der Fotodiode befinden und somit eine größere lichtabsorbierende Fläche für jedes Pixel zur Verfügung steht. Die Transistoren in einem CMOS-Sensor befinden sich neben der Fotodiode, so dass nur 30 % der Oberfläche, der so genannte Füllfaktor, für die Lichterkennung zur Verfügung steht.

Die CMOS-Technologie ist ein bewährtes Verfahren bei der Herstellung von Halbleitern, daher sind CMOS-Sensoren in der Herstellung viel kostengünstiger als CCD-Kameras. Anfangs wurden CCD-Sensoren häufiger verwendet, weil sie qualitativ hochwertigere Bilder mit weniger Rauschen lieferten, während CMOS-Sensoren eingesetzt wurden, wenn eine stromsparende oder kostengünstigere Lösung benötigt wurde.

Im Laufe der Zeit haben Verbesserungen in der Halbleiterfertigungstechnologie dazu geführt, dass die Pixelgröße in einem CMOS-Bildsensor kleiner wurde und die digitale Signalverarbeitung auf dem Chip die Qualitätsprobleme lösen konnte. Diese Verbesserungen brachten die Bildqualität auf die gleiche Stufe wie bei CCD-Sensoren, während gleichzeitig die Vorteile niedrigerer Kosten und höherer Energieeffizienz beibehalten wurden. Daher wurden CMOS-Bildsensoren mit niedrigem Stromverbrauch und hoher Auflösung ab den späten 2010er Jahren zur bevorzugten Wahl für die meisten Anwendungen.

Heutzutage werden CCD-Geräte vor allem in High-End-Anwendungen eingesetzt, die ein geringes Rauschen und eine hohe Sensitivität erfordern, wie z. B. in der Fotoastronomie, bei maschinellen Bildverarbeitungssystemen und in Mikroskopkameras. Aber auch CMOS-Bildsensoren kommen bei diesen Anwendungen zum Einsatz.

CCD- und CMOS-Technologie im Vergleich

CMOS-Bildsensoren bestehen aus einem Array aus Pixeln, wobei jedes Pixel von vier Fotodetektoren erfasst wird, einem für Rot, einem für Blau und zwei für Grün. Da jedes Pixel ein 2x2-Array ist und es nur drei Farben zu filtern gibt, muss sich eine Farbe wiederholen. Die Farbe Grün wurde als Wiederholungsfarbe gewählt, weil ihre Frequenz die Farbe ist, für die das menschliche Auge am empfindlichsten ist. Diese Anordnung der Farben, die Bayer-Filtermuster genannt wird, ist in der Folge Blau-Grün in den ungeraden Zeilen und in der Folge Grün-Rot in den geraden Zeilen.

Anordnung eines 2x2-Pixels aus Fotodetektoren in einem Bayer-Sensor

Jeder Fotodetektor ist auf dem Siliziumsubstrat aufgebaut und enthält eine Fotodiode zum Erfassen von Photonen und drei Transistoren: einen Zeilenselektor, einen Verstärker und einen Reset-Transistor. Oben auf dem Fotodetektor befinden sich ein Farbfilter und eine Mikrolinse, die das Licht auf die Fotodiode fokussiert. 

Die Geometrie eines einzelnen Fotodetektors

Jeder Fotodetektor besteht aus dem Siliziumsubstrat, einem Potentialtopf und einer Fotodiode zur Messung der eingehenden Photonen. Der Farbfilter und die Mikrolinse fokussieren und filtern das Licht, und die Transistoren und Busse verstärken und übertragen den erzeugten Strom.

Dieses Array von Fotodetektoren ist auf einem Chip zentriert, der die Brennfläche einer Linsenanordnung bildet. Das Array ist außerdem von analogen und digitalen Schaltkreisen umgeben, die ein digitales Bild zusammensetzen und ausgeben.

Ein CMOS-Bildsensor ist ein komplexes System, bei dem es um die Physik auf atomarer Ebene bis hin zu den mechanischen Anforderungen beim Einbau in eine Baugruppe geht. Teams, die einen neuen CMOS-Sensor entwickeln, sollten folgende Aspekte berücksichtigen:

Photonikdesign

Das Verhalten der Fotodiode ist entscheidend für die Leistung eines CMOS-Sensors. Designer*innen müssen Photonics-Parameter wie optische Effizienz, Quanteneffizienz, Dunkelstrom und die erzeugte elektrische Ladung berücksichtigen. Beim Designprozess muss außerdem die Wellenlänge des Lichts berücksichtigt werden, das detektiert werden soll, von Infrarot über das sichtbare bis hin zu Ultraviolett.

Optisches Design

Die Genauigkeit und Effizienz eines CMOS-Bildsensors hängt von der Qualität des auf das Sensor-Array projizierten Bildes ab. Optik-Techniker*innen müssen eine optimierte Linsenbaugruppe entwickeln, die eine klare und plane Projektion auf die Oberfläche ermöglicht. Der Effekt des räumlich variierenden, nicht normalen Lichteinfalls von der Linse auf die Sensoroberfläche muss ebenfalls berücksichtigt werden, um eine genauere Sensorreaktion zu erhalten. Die Techniker*innen müssen außerdem die mikroskopisch kleinen Linsen auf jedem Fotosensor konstruieren, um so viel Licht wie möglich zur Fotodiode zu leiten, und die Auswirkungen des einfallenden Lichts auf den Sensor verstehen.

Analoges und digitales Schaltkreisdesign

Einer der Vorteile der aktiven Pixelsensoren ist das Konzept, dass alle notwendigen analogen und digitalen Schaltkreise als integrierter Schaltkreis auf demselben Chip wie der Sensor untergebracht sind, wodurch eine Kamera auf einem einzigen Chip entsteht. Schaltkreisdesigner*innen müssen Leistungsprobleme, Timing, Signalintegrität und andere Überlegungen einbeziehen und dabei möglichst viele Pixel in einem möglichst kleinen Formfaktor unterbringen. Außerdem benötigen sie effiziente Analog/Digital-Wandler (ADC) und digitale Bildverarbeitungsfunktionen auf dem Chip selbst.

Packaging

Sobald der Chip designed ist, muss er geschützt und die Verbindungen zur Elektronik hergestellt werden, die das Bild verwenden soll. Das Packaging muss thermische, belastende und vibrationsbedingte Probleme lösen und gleichzeitig die Kosten niedrig halten. Häufig wird der optische Chip in dasselbe Gehäuse integriert wie die anderen Komponenten, die das Kamerasystem nutzen oder es unterstützen.

Fortschritte in der Halbleiterfertigungstechnologie haben einen direkten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von Bildsensoren. Wenn die Bauteilgröße abnimmt, können die Architekt*innen mehr Pixel in einem kleineren Bereich unterbringen. Die Verbraucher*innen sehen das vor allem daran, dass die Anzahl der Pixel auf der Handykamera immer größer wird, während das Volumen gleich bleibt oder sogar kleiner wird.

Auch die Geschwindigkeit von Kameras mit CMOS-Bildsensoren nimmt zu. Ein weiterer Wachstumssektor ist die Verbreitung von Megapixel-Videokameras in Kraftfahrzeugen, die den Fahrer*innen ein besseres Bewusstsein für ihre Umgebung geben und autonome Fahrsysteme mit Informationen versorgen.

Experten erwarten, dass die digitale Bildverarbeitung auf Sensorchips weiter verbessert wird, um noch bessere digitale Bilder zu erzeugen. Es wird zudem an unterschiedlichen Geometrien für die Fotodioden gearbeitet, indem von Rot-Grün-Blau-Filtern (RGB) über den Fotodetektoren auf Cyan-Gelb-Magenta-Filter (CYM) umgestellt wird, um eine höhere Sensitivität und ein stärkeres elektrisches Signal zu erzielen. Außerdem wird an der Verbesserung der Sensitivität bei schwachem Licht und der Leistung bei der Nahinfrarot-Bildgebung (NIR) gearbeitet.

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