Bei der Entwicklung einer Lösung, die einen aktiven Pixel-Array-CMOS-Digitalbildsensor erfordert, müssen zahlreiche Sensorspezifikationen berücksichtigt werden. Dazu gehören unter anderem die Auflösung des Sensors, das optische Format, der Verschlusstyp, die maximale Bildrate, der Dynamikumfang, das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und die Pixelstruktur. Erschwerend kommen noch Sensoreigenschaften und -funktionen hinzu, wie Stromverbrauch, Schnittstelle, Gehäusetyp, integrierte HDR-Verarbeitung und Bereiche von Interesse (Region of Interest). Die beste Wahl ist nicht immer auf den ersten Blick ersichtlich.

Um diese Spezifikationen und Funktionen zu filtern, ist eine wichtige Überlegung die beabsichtigte Anwendung des Sensors. Manche Anwendungen erfordern eine sehr hohe Auflösung, um stehende Objekte zu erfassen, während andere die Erfassung sich schnell bewegender Objekte und die Fähigkeit zur Wiedergabe eines "eingefrorenen" Effekts benötigen. Ein weiterer wichtiger anwendungsbezogener Aspekt ist die Leistungsaufnahme. Bei fest installierten Anwendungen mag der Stromverbrauch des Sensors unwichtig sein. In tragbaren Anwendungen jedoch, bei denen der Sensor mit Batteriestrom betrieben werden muss, wird die Energieeffizienz des Sensors entscheidend.

Der geeignetste Ausgangspunkt für die Sensorauswahl ist die Geschwindigkeit der Anwendung, d. h. die Geschwindigkeit, mit der sich Objekte bewegen. Denn dies bestimmt den erforderlichen Verschlusstyp. Im Bereich der digitalen Bildsensoren gibt es im Wesentlichen nur zwei Optionen: Rolling Shutter und Global Shutter.

Hinweise zum Bildsensor

Rolling Shutter

Digitale Bildsensoren bestehen aus einem Pixel-Array, das in Zeilen angeordnet ist. Bei einem Rolling-Shutter-Bildsensor wird jede Zeile des Arrays nacheinander von oben nach unten belichtet. Mit anderen Worten: Benachbarte Zeilen haben leicht unterschiedliche Belichtungszeiten (sogenannte Zeilenzeit), wobei der Zeitunterschied zwischen benachbarten Zeilen etwa 10 Mikrosekunden beträgt.

Im völligen Gegensatz zum Rolling Shutter belichtet der Global Shutter jedes Pixel im Array gleichzeitig. Diese Sensoren müssen über Pixel mit einem "Speicherknoten" verfügen, der die Ladung während des gesamten Auslesevorgangs des Sensors speichern kann. Rolling Shutter und Global Shutter haben jeweils Vor- und Nachteile.

Im Vergleich zum Global Shutter ist der Rolling Shutter kosteneffizienter und einfacher zu realisieren. Bei Global-Shutter-Sensoren sind die Speicherknoten anfällig für Streulicht, weshalb das Rauschen oft höher ist. Außerdem befindet sich der Speicherknoten neben dem Pixel, was die Pixelgröße einschränkt. Demgegenüber steht der Nachteil des Rolling Shutters, dass er bei der Aufnahme sich schnell bewegender Objekte zu Bewegungsartefakten neigt.

Da das Rolling-Shutter-Array sequentiell belichtet wird, kommt es bei der Aufnahme beweglicher Objekte zu räumlichen Verzerrungen. Da verschiedene Bereiche des Arrays zu unterschiedlichen Zeiten (möglicherweise unter verschiedenen Lichtbedingungen) aufgenommen werden, können sie zudem von nicht zusammenhängenden Lichtverhältnissen beeinflusst werden.

Daher eignet sich das Rolling-Shutter-Array nicht gut für die Aufnahme beweglicher Objekte, ist aber eine ausgezeichnete Wahl für statische Hochauflösungsanwendungen.

Global Shutter

Der Global Shutter eignet sich für Szenarien, in denen der Rolling Shutter schlecht abschneidet, darunter sich schnell bewegende Objekte, insbesondere mit hoher Winkelgeschwindigkeit. Anwendungen, bei denen der Global Shutter hervorragende Leistungen zeigt, umfassen Augmented Vision (AV), Virtual Reality (VR), Maschinenvision (MV) sowie Umgebungen mit starken Vibrationen, wie Barcode-Scanner und Roboteranwendungen.

Der Global Shutter hat weitere Vorteile: Da das gesamte Array gleichzeitig belichtet wird, kann der Global Shutter direkt mit anderen Global Shuttern oder Lichtquellen (wie Blitzen) synchronisiert werden. Da der Global Shutter nicht mit nicht zusammenhängenden Lichtverhältnissen umgehen muss, ist auch eine automatische Belichtungssteuerung einfacher zu realisieren.

Leistungsaspekte des Global Shutters

Der erste Schritt zur Bewertung der Global-Shutter-Leistung ist der Bezug auf seine bereits demonstrierten Kennzahlen. Bei der Bewertung von Global-Shutter-Sensoren müssen sowohl anwendungsorientierte als auch leistungsorientierte Kennzahlen berücksichtigt werden. Anwendungsorientierte Kennzahlen helfen Ihnen bei der Auswahl des für eine bestimmte Anwendung geeigneten Sensors innerhalb einer bestimmten Produktfamilie, während leistungsorientierte Kennzahlen den Vergleich von Produkten verschiedener Hersteller ermöglichen.

Der einfachste Ansatz besteht darin, mit den anwendungsorientierten Kennzahlen zu beginnen. Die fünf Hauptkennzahlen, die sich aus dem Endverwendungszweck ergeben, sind:

1. Auflösung
2. Optisches Format
3. Global-Shutter-Effizienz (GSE)
4. Bildrate
5. Stromverbrauch

Die Priorität dieser fünf Kennzahlen variiert je nach den spezifischen Anforderungen des Endverwendungszwecks. Beispielsweise kann eine hochauflösende Anwendung eine Auflösung von 2 Megapixeln (MP) und ein optisches Format von 1/2,8 Zoll erfordern, während eine niedrigauflösende Anwendung möglicherweise nur eine VGA-Auflösung und ein optisches Format von 1/8 Zoll benötigt.

Bildrate

Die Bildrate wird in Bildern pro Sekunde (frames per second, fps) gemessen und gibt an, wie viele Bilder der Sensor pro Sekunde aufnehmen kann. Für die Aufnahme sich schnell bewegender Objekte sind höhere Bildraten erforderlich, um Unschärfe zu vermeiden.

Global-Shutter-Effizienz (GSE)

Wie oben erwähnt, ist die GSE ein Verhältnis, das die Fähigkeit des Global Shutters angibt, Streulicht zu unterdrücken. Sie wird in der Regel bei einer bestimmten Wellenlänge und Blende (f/stop) angegeben. Höhere Werte bedeuten eine bessere Leistung.

Energieeffizienz

Die Optimierung des geringen Stromverbrauchs in Consumer-Anwendungen ist bei der Entwicklung entscheidend, insbesondere bei Anwendungen wie Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR) und Mixed Reality (MR) Headsets. Darüber hinaus sind autonome mobile Roboter (AMR) und handgehaltene Barcode-Scanner einige Beispiele für batteriebetriebene Geräte im Industriesektor. Durch die Verbesserung der Energieeffizienz dieser Geräte kann ihre Betriebslebensdauer erheblich verlängert werden, wodurch sich die Ladehäufigkeit verringert und das allgemeine Benutzererlebnis verbessert wird. Die übrigen Kennzahlen sind leistungsorientiert und können zum Vergleich von Produkten verschiedener Hersteller verwendet werden.

Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)

Das Signal-Rausch-Verhältnis wird in Dezibel (dB) angegeben und als Maximalwert definiert. Es ist ein Maß für die Leistung des Sensors bei kleinen (d. h. schwachen Licht-) Signalen. Je größer der Wert, desto besser die Leistung. Der SNRmax (maximales SNR) spiegelt den linearen Full Well (LFW) bzw. im Wesentlichen die Anzahl der Photonen wider, die ein Pixel erfassen kann.

Dynamikumfang

Der Dynamikumfang wird ebenfalls in dB angegeben und bezeichnet das Verhältnis des maximal messbaren Eingangssignals zum minimal messbaren Eingangssignal (d. h. Rauschpegel). Er gibt die Fähigkeit des Sensors an, Eingangssignale unterschiedlicher Intensität in derselben Szene zu verarbeiten. Je höher der Dezibelwert, desto besser. Tunnel sind ein gutes Beispiel für Szenen mit hohem Dynamikumfang, da das Innere des Tunnels dunkel sein kann, während das Licht außen hell ist. Der Sensor muss in der Lage sein, sich an beide Gegebenheiten in derselben Szene anzupassen.

Neben den Leistungskennzahlen können bestimmte Anwendungen erfordern, dass der Sensor bestimmte Eigenschaften aufweist, um bestimmte Funktionen ausführen oder besondere Fähigkeiten besitzen zu können. Nicht alle Global-Shutter-Sensoren verfügen über diese Funktionen. Die Anforderungen der Anwendung bestimmen, welche Funktionen benötigt werden und welche Sensoren in Frage kommen.

Synchronisierte Sensoren

Einer der Vorteile des Global Shutters, der das gesamte Sensor-Array gleichzeitig belichtet, besteht darin, dass der Moment der Array-Belichtung präzise mit anderen Ereignissen (wie anderen Sensoren und Blitzen) synchronisiert werden kann.

Durch den "Trigger"-Modus synchronisierter Sensoren kann eine präzise aktive Beleuchtung mit Blitzen gesteuert oder mehrere Kameras für Stereo- oder Breitbildaufnahmen synchronisiert werden.

Eingebettete automatische Belichtung

Die automatische Belichtungsfunktion ermöglicht es dem Sensor, Verstärkung und Belichtung automatisch an die gegebenen Lichtverhältnisse anzupassen. Die automatische Belichtung ist eine grundlegende Funktion des Sensors, um sich an dynamische Lichtverhältnisse anzupassen.

Durch die direkte Integration dieser Funktion in den Sensor kann die Belichtungssteuerung beschleunigt werden, sodass Echtzeit-Reaktionen möglich sind, während die Abhängigkeit von der Host-Steuerung zu langsameren Reaktionszeiten führt. Für die meisten Hochgeschwindigkeitsanwendungen ist die eingebettete automatische Belichtung unerlässlich.

Szenenwechsel

Die Szenenwechselfunktion ermöglicht es dem Sensor, die Einstellungen schnell an unterschiedliche Auflösungen, Verstärkungen, Belichtungen und Bildraten anzupassen, um sich an verschiedene Bildgebungsszenarien anzupassen. Bei vielen Sensoren sind diese "Szenen" gespeichert und können über eine einzige Registereinstellung dynamisch geändert werden.

Programmierbare und umschaltbare Bereiche von Interesse (Regions of Interest, ROI)

Bereiche im Bild sind relevante Pixel-Ansammlungen, die hauptsächlich der Objektanalyse dienen. ROIs ermöglichen es dem Sensor, sich durch Ausfiltern anderer Bereiche auf einen bestimmten Bereich zu konzentrieren. Dies ist eine Methode zur Optimierung der Datenübertragung und -verarbeitung. Programmierbare ROIs ermöglichen Echtzeit-Computervision-Anwendungen.

Zusammenfassend können anwendungsorientierte Kennzahlen, leistungsorientierte Kennzahlen und spezifische Funktionen kombiniert werden, um aus einer Reihe von Sensoren einen bestimmten Global-Shutter-Sensor auszuwählen und den Hersteller zu bestimmen, der die Anforderungen des Endverwendungszwecks erfüllt.

Hyperlux SG Serie von Global-Shutter-Sensoren

onsemi hat die leistungsstarke, kompakte Global-Shutter-Sensorreihe Hyperlux SG entwickelt, zu der die Produkte ARX383, AR0145 und AR0235 gehören. Die Hyperlux SG Sensoren kombinieren branchenführende Global-Shutter-Effizienz (GSE) mit geringem Stromverbrauch und sind daher ideal für tragbare Anwendungen mit hohen Vibrationen.

Abbildung 1 Hyperlux SG Bildsensor-Familie

Die Hyperlux SG Serie verwendet ein neuartiges und innovatives Global-Shutter-Pixel-Design, das für die genaue und schnelle Erfassung von Bewegungsszenen optimiert ist. Es liefert sowohl bei schwachem Licht als auch bei hellen Szenen klare, rauscharme Bilder.

Die Hyperlux SG Sensorfamilie bietet folgende Eigenschaften:

• Horizontale/vertikale Spiegelung, Fensterung und Pixel-Binning
• Programmierbare Bereiche von Interesse (ROI)
• Integrierter Trigger-Modus für Synchronisation
• Integrierte automatische Belichtung (On-Chip Auto-Exposure)
• Integrierte Blitzsteuerung
• Szenenwechsel
• Flexible Steuerung von Skip-Zeilen und Skip-Spalten-Modi

Die Auflösungen der Sensorkombination reichen von VGA (640 x 480) bis zu 2,3 Megapixeln (1920 x 1200), die optischen Formate von 1/8 Zoll bis 1/2,8 Zoll und die Bildraten bis zu 120 Bildern pro Sekunde, was sie für eine Vielzahl von Hochgeschwindigkeits-Bildgebungsanwendungen geeignet macht. Jede Spezifikation hat im Vergleich zu anderen ähnlichen Produkten Vorteile, und es ist die Kombination aus überragender Leistung und Funktionen, die die Hyperlux Serie auf dem Markt einzigartig macht. Diese Sensoren eignen sich hervorragend für Hochgeschwindigkeitsanwendungen, darunter Barcode-Scanning, Maschinenvision, AMR, AGV, AV/VR/MR, Drohnen und 3D-Scanning.

Abbildung 2. Hyperlux SG Anwendungsbereiche

Zur Förderung der Produktaufklärung und des Systemdesigns wird zudem eine umfassende Entwicklungsplattform bereitgestellt, die eine schnelle Systementwicklung ermöglicht. Sie umfasst vollständige Testfunktionen zur Bewertung des Produkts vor dem Design sowie Referenzdesigns für die Nutzung in der Designphase.

Global-Shutter-Sensoren sind die beste Wahl für Hochgeschwindigkeits-Bildgebungsanwendungen. Sobald der Verschlusstyp ausgewählt ist, stehen dennoch zahlreiche Spezifikationen und Funktionen zur Auswahl, um sicherzustellen, dass der Sensor für die beabsichtigte Anwendung geeignet ist.

Eine wichtige Überlegung, die bei der Bewertung von Global-Shutter-Sensoren stets im Auge behalten werden muss, ist die Global-Shutter-Effizienz (GSE). Ohne eine ausreichend hohe GSE könnten alle anderen Spezifikationen zusammen dennoch zu inakzeptablen Bewegungsartefakten im Bild führen. Für Anwendungen, die geringen Stromverbrauch, hohe Leistung und hohe GSE erfordern, hat onsemi die Hyperlux SG Serie von Global-Shutter-Sensoren entwickelt.