Multi-Line CMOS-Technologie - konstruktion.de

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Wie in allen Branchen üblich, nimmt auch in der Kameratechnik für die industrielle Bildverarbeitung die Jagd nach immer höheren Auflösungen und Geschwindigkeiten kein Ende. Der Grund hierfür liegt in den immer kleineren Strukturgrößen. Feinste Details müssen bei gleichzeitig steigenden Taktzahlen kontrolliert werden – und Zeilenkameras müssen hier Schritt halten können. Die Abbildungsverhältnisse in Zeilenkamera-Applikationen werden meist so gewählt, dass die Pixelauflösung sowohl entlang der Zeile als auch in Transportrichtung gleich ist. Erhöht man die horizontale Auflösung, muss auch die Auflösung in Transportrichtung, also die Zeilenrate, erhöht werden. Dieser Zusammenhang verhindert in einigen Anwendungen den Einsatz höchstauflösender Zeilenkameras. So werden in manchen schnellen Applikationen z.B. drei 4k-Zeilenkameras mit bis zu 72 kHz verbaut, da eine 12k-Zeilenkamera nur mit maximal 25 kHz läuft – die Multi-Kamera-Lösung ist also um rund Faktor 3 schneller als die Lösung mit nur einer Zeilenkamera. Für hohe Auflösungen von 8k, 12k und mehr Pixel/Zeile ist also eine deutliche Steigerung der Zeilenrate erforderlich, um derartige Anwendungen mit nur einer Zeilenkamera umzusetzen. Mit den steigenden Geschwindigkeiten steht zwangsläufig immer weniger Zeit für die Belichtung zur Verfügung. Das heißt die Lichtempfindlichkeit des Sensors muss ebenfalls gesteigert werden. Eine Lösung für die beschriebene Problematik stellt die neue ELiiXA+ Zeilenkamera von e2v mit Multi-Line-CMOS-Architektur dar.
Zeilenpaar A Zeilenpaar B A1 A2 B1 B2 A1 A2 B1 B2 A1 A2 B1 B2 A1 A2 B1 B2 1 2 3 ... 16.384 Pixel A1+A2 B1+B2 A1+A2 + B1+B2 A1+A2 + B1+B2 A1+A2 + B1+B2 A1+A2 + B1+B2 Der neue CMOS-Sensor verfügt über 16.384 Pixel, die mit einer maximalen Zeilenrate von bis zu 100 kHz ausgelesen werden. Mit 5 mm Pixelgröße ist der Sensor auch hinsichtlich Optik gut handhabbar. Die MTF (Modulationsübertragungsfunktion) ist mit heute existierenden Optiken hoch und wird nicht durch eine zu kleine Pixelgröße eingeschränkt. e2v erreicht im eigenen Produktionsprozess eine gute Planarität des Sensors, sodass eine scharfe Abbildung über die gesamte Sensorlänge von 82 mm sichergestellt ist. Der Aufbau des Multi-Line CMOS-Sensors gewährleistet einen großen Dynamikumfang von bis zu 73 dB.: vor der Analog-Digital-Wandlung wird durch das Design der Photodiode ein hoher Charge-Conversion-Faktor erreicht. Die Verstärker sind direkt neben den aktiven Pixeln angeordnet, was zu einer hohen Quanteneffizenz (QE) von bis zu 72% bei 550 nm führt. Das Correlated Double Sampling (CDS) sorgt für homogene, rauscharme Bilder. Die Neuheit des Sensors liegt aber in seiner speziellen Multi-Line-Architektur. Er besteht aus vier aktiven Zeilen mit je 16k Pixel, die ohne Abstand nebeneinander liegen. Jeweils zwei nebeneinanderliegende Zeilen bilden ein Zeilenpaar, das rauschfrei die analogen Spannungen addiert. Die beiden Intensitätswerte, die nach der A-D-Wandlung jedes Zeilenpaares vorliegen, werden dann digital im FPGA summiert. Dieses kombinierte Verfahren der Addition von analogen Spannungs- und digitalen Helligkeitswerten erhöht die Empfindlichkeit des Sensors um Faktor 4. Dieser Sensor ist mit seinen 450 LSB/(nJ/cm 2 ) empfindlich genug, auch im Praxiseinsatz ohne kostenintensive Spezialbeleuchtung die höchste Geschwindigkeit zu fahren. A1 A2 B1 B2 Auslesemechanismus jedes einzelnen Pixels 1 2 3 ... 16.384 Pixel
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