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Sensoren

Sensoren Hochleistungsbildsensoren für Industrie und Sicherheitsaufgaben Besser als CCD: Neue sCMOS 2.0-Sensoren bieten hohe Lichtempfindlichkeit und einen weiten Dynamikbereich bei gleichzeitiger Rauschminimierung Bild 1: Die neuen sCMOS 2.0-Bildsensoren, die im deutschsprachigen Raum exklusiv von Eureca vertrieben werden, verbinden einen sehr weiten Dynamikumfang mit großer Lichtempfindlichkeit und einer verbesserten Rauschstatistik. Quelle: Eureca Messtechnik GmbH Qualitativ hochwertige Nachtaufnahmen ganz ohne Bildverstärker: Auf der Vision 2014 wurde zum ersten Mal in Deutschland die zweite Generation der sogenannten scientific CMOS-Bildsensoren (sCMOS) vorgestellt, die vom US- Kamerakomponentenhersteller Fairchild Imaging produziert und hierzulande durch die Eureca Messtechnik GmbH vertrieben wird. Die Rauschstatistik wurde bei diesen hochempfindlichen Sensoren signifikant verbessert und der abbildbare Dynamikbereich so stark vergrößert, dass sie auch Zwielicht- oder Aufblendsituationen differenziert erfassen können. Zudem kann aufgrund der hohen Lichtempfindlichkeit auf einen Bildverstärker verzichtet werden. Durch die neuen Features in Verbindung mit ihren sehr niedrigen Fertigungskosten eignen sich die Sensoren inzwischen auch für den breiten Einsatz in der industriellen Überwachung, in der Sicherheitstechnik oder für den kommerziellen Foto- und Videobereich. Mit den ersten sCMOS-Sensoren gelang es Fairchild Imaging und Eureca vor rund drei Jahren, die bisher maßgeblichen CCD-Sensoren qualitativ zu übertreffen. Durch die gleichzeitige Digitalisierung tausender Pixel und speziell angepasste Halbleiterstrukturen konnte das Ausleserauschen unter die entsprechenden Werte der besten CCDs reduziert werden. Seither hat sich diese Bildgebungstechnologie vor allem im wissenschaftlichen Bereich weltweit etabliert. Die 2.0-Modelle gehen nun noch einen Schritt weiter: Der neue Hawkeye CIS 1910F mit einem aktiven Bildbereich von 1920x1080 Pixel bei 6,5 µm x 6,5 µm Pixelgröße beispielsweise verbindet eine hohe Quantenausbeute mit einer hohen Empfindlichkeit, einem sehr niedrigen Dunkelstrom sowie einem Ausleserauschen von annähernd einem Elektron (rms). Der Sensor übertrifft damit die Werte herkömmlicher CCD-Lösungen und liefert sogar bei sehr wenig Licht eine Bildqualität, die sich mit Aufnahmen konventioneller Kamerasysteme mit Bildverstärker messen kann. Differenzierte Bilder dank hohen Dynamikumfangs Erreicht wurde dies durch den Einsatz von rund 4000 auf dem Chip integrierten Analog-Digital-Wandler, welche auch bei der hohen Bildrate von 100 fps eine kombinatorische Digitalisierungstiefe von 16 Bit liefern. Unter Berücksichtigung des Ausleserauschens lässt sich damit ein effektiver linearer Dynamikbereich von 88 dBu erzielen. Auf diese Weise werden selbst bei wechselnden Lichtverhältnissen, etwa Scheinwerfern entgegenkommender Fahrzeuge, sowohl Überstrahlungen als auch undifferenzierte dunkle Zonen vermieden. Seit Mitte 2014 sind die Bildsensoren in zunächst fünf Ausführungen mit Auflösungen von bis zu 5,5 Megapixeln in Europa erhältlich. Die Produktfamilie soll in nächster Zeit aber noch um weitere Modelle erweitert werden, außerdem sind Varianten angedacht, beispielsweise mit speziellen Gehäusen oder Sensorversionen sowohl in Monochrom als auch in Farbe. „Insbesondere durch das extrem niedrige Ausleserauschen sind diese Sensoren nicht nur für wissenschaftliche Anwendungen interessant, sondern gewinnen auch immer mehr Bedeutung in den Bereichen der Sicherheitstechnik und Videoproduktion“, so Karsten Sengebusch, einer der Geschäftsführer von Eureca, der schon an der Entwicklung des ursprünglichen sCMOS von Fairchild Imaging beteiligt war und auch den Vertrieb des Nachfolgers unter anderem in Deutschland, Österreich und der Schweiz übernommen hat. Daneben macht aber auch der günstige Herstellungspreis die Sensoren für diese Branchen zu einer echten Alternative zur CCD-Technik. Ein erster Großhersteller von Kameras für Überwachungs- und Medienaufnahmen arbeitet bereits an Prototypen mit sCMOS 2.0. Bild 2: Kern der Weiterentwicklung ist eine verbesserte Schaltungstechnologie, die weit mehr Korrekturen ermöglicht als bisher. Quelle: Eureca Messtechnik GmbH 12 PC & Industrie 1/2015

Virtueller Bildvergleich: Eine von Eureca entwickelte Simulationstechnik ermöglicht es, die Qualität verschiedener Sensor-Kamera-Kombinationen ganz ohne Prototypen zu bewerten. (oben: typische Überwachungskamera mit Weitwinkel, links: Teleobjektiv-Ausschnitt bei Halbmond und Wolken mit einem Interline-CCD-Sensor, rechts: selbe Situation mit einem Hawkeye 1910-Sensor) Quelle: Peaver, morguefile.com; Eureca Messtechnik GmbH Virtuelle Bilder zum Testen der Sensorqualität Aber auch ohne Prototypenbau, Labormuster oder andere Hardware können sich Interessenten einen Eindruck von der Bildqualität der Sensoren in einer Kamerakonfiguration ihrer Wahl verschaffen: Möglich macht dies ein von Eureca entwickeltes Simulationssystem, das aus den technischen Daten von Bildsensor und Kamera mittels physikalischer Gesetzmäßigkeiten ableiten kann, wie eine Szene mit diesem Equipment abgebildet würde. Das Programm kann dabei sowohl Stand- als auch Bewegtbilder erzeugen und berücksichtigt alle relevanten Effekte, wie Photonen-, Dunkel- und Ausleserauschen, Dunkelstrom, Fixed-Pattern-Noise (FPN), Modulations- und Kontrasttransferfunktion (MTF/KTF), De-Bayering und Dynamikumfang des Sensors. Verschiedene Projekte haben die präzise Übereinstimmung von Simulation und Realbild bestätigt, so hat sich diese Methode inzwischen unter anderem als Auswahlhilfe bei der Entscheidung zwischen verschiedenen Sensortypen etabliert. Darüber hinaus bietet Eureca zusammen mit seinen Partnern Fairchild Imaging und der belgischen Firma Caeleste auch die Option, Sensoren ganz nach dem Anforderungsprofil des Kunden zu entwickeln. Diese maßgeschneiderten Lösungen wirken als Alleinstellungsmerkmal, umfassen nur wirklich benötigte Features, was Kosten in der Produktion spart, und lassen sich bei Bedarf gezielt nachbestellen. Zudem vermeidet man so die Probleme, die ansonsten bei der Abkündigung eines Standardsensors auftreten können, wie etwa teure Redesigns oder große Lagermengen für die restliche Projektlaufzeit, was gerade im Zeitalter der immer kürzer werdenden Produktzyklen von Bildsensoren enorm wichtig ist. Um hier die optimale Konfiguration zu finden, begleitet Eureca auf Wunsch den gesamten Produktlebenszyklus – von der Konzeption über die Wahl des Fertigungspartners bis zum Ende der Produktlaufzeit. Weitere Informationen stehen unter www.eureca.de zur Verfügung. • EURECA MESSTECHNIK GMBH info@eureca.de www.eureca.de PC & Industrie 1/2015 13