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Bildqualität auf neuem Niveau: Sony Pregius CMOS-Sensoren
Überblick
Mit dem Erfolg des ersten Pregius IMX174 verlagerte Sony den Fokus von klassischen CCDs auf moderne CMOS-Sensoren. Zur zweiten Pregius-Generation zählen der 3,2-MP-IMX265 und der 5,0-MP-IMX264. Während die erste Generation 1/1.2″ mit 5,86 µm Pixelgröße nutzte, setzt die zweite Generation auf 2/3″ mit 3,45 µm. Das kleinere Format erlaubt den Einsatz kostengünstigerer Objektive. Parallel entwickelt Sony die Rolling-Shutter-CMOS-Technologie in der STARVIS-Linie weiter. Für maximale Global-Shutter-Leistung und ein überzeugendes Preis-Leistungs-Verhältnis steht jedoch weiterhin Sony Pregius.
Mit jeder neuen Sensorgeneration verbessert Sony Bildqualität, Bildrate und Funktionsumfang. Innovationen werden mit Blick auf Anwender durch sinkende Kosten und eine intuitive Handhabung zugänglich. In dieser Tradition der Sony-Pregius-Linie treiben Kameras von LUCID die digitale Bildverarbeitung voran und bleiben zugleich leicht integrierbar. Um die Vorteile von Machine-Vision-Kameras mit Sony Pregius Global-Shutter-CMOS zu verstehen, lohnt ein Blick auf die grundlegenden Bausteine der Sony-Bildgebungstechnologie.
Vor Pregius: Funktionsweise von Rolling-Shutter-CMOS
Bevor Sony Pregius Global-Shutter-CMOS einführte, nutzten die CMOS-Sensoren Rolling Shutter. Gegenüber CCDs liefern Rolling-Shutter-CMOS eine kosteneffiziente Bildqualität bei sehr hohen Bildraten. Bewegen sich Objekt oder Kamera schnell, treten Verzerrungen wie Wobble, Schräglage oder Banding auf. Ursache ist die zeilenweise Belichtung und Auslesung. Die folgende Grafik zeigt eine konventionelle Rolling-Shutter-Pipeline von Sony.
Hinweis
Wenn höchste Prüfgeschwindigkeit nicht entscheidend ist, bieten Rolling-Shutter-CMOS-Kameras eine sehr wirtschaftliche Lösung.
Geeignet für langsame Prüfprozesse, Life Sciences sowie Sicherheits- und Überwachungsanwendungen.
Oben: Konventionelle Sony CMOS Rolling-Shutter-Pixel-Pipeline.
Die Grafik zeigt die Pixel-Pipeline eines Rolling-Shutter-Sony-Sensors. Die Photoelektrik findet in der Photodiode statt und wird über die Quanteneffizienz beschrieben. Die Elektronen werden im Floating-Diffusion-Knoten in Spannung umgewandelt, also Ladung q über Kapazität C. Anschließend erfolgt die Digitalisierung. In diesem Ablauf wird das Signal zweimal korreliert doppelt abgetastet, um analoges und digitales Rauschen zu reduzieren. Dieses Dual-CDS senkt Zufallsrauschen und Festmusterrauschen.
Oben: Rolling-Shutter-Auslesung mit spaltenparalleler A/D-Wandlung.
Die Animation veranschaulicht die Auslesung in konventionellen Sony Rolling-Shutter-CMOS. Jede Pixelspalte verfügt über einen eigenen ADC für hohe Auslesegeschwindigkeiten. Jede Pixelzeile wird belichtet und anschließend einzeln analog-digital gewandelt. Diese zeilenweise Belichtung verursacht bei schnellen Bewegungen die sichtbaren Verzerrungen.
Hinweis
Sony entwickelt Rolling-Shutter-CMOS kontinuierlich weiter. Dazu gehören folgende Sensorfamilien:
Exmor
Exmor R
Exmor RS
STARVIS
Die aktuelle Rolling-Shutter-Linie STARVIS bietet eine hervorragende Lichtempfindlichkeit bei schwachen Lichtverhältnissen.
CMOS weiterentwickelt: Sony Pregius Global-Shutter-CMOS
Für Global-Shutter-Funktionalität in CMOS integrierte Sony einen analogen In-Pixel-Speicherknoten zwischen Photodiode und Floating Diffusion. In Pregius-CMOS starten alle Photodioden gleichzeitig die Belichtung. Nach der Belichtung wird die Ladung in den analogen Speicher übertragen, die Photodiode ist sofort wieder aufnahmebereit. Danach entspricht der Ausleseprozess dem von Rolling-Shutter-Sensoren. Das Ergebnis ist ein Global-Shutter-CMOS ohne Bewegungsverzerrungen, der weiterhin Sonys Dual-CDS zur Reduzierung von Zufalls- und Festmusterrauschen nutzt.
Oben: Sony Pregius CMOS Global-Shutter-Pixel-Pipeline.
Die Elektronenladung wird schnell von der Photodiode in den analogen Speicher übertragen. Dank Sonys CCD-Expertise weist der Speicher einen sehr niedrigen Dunkelstrom auf. Er ist abgeschirmt und in einem Bereich mit geringem Dunkelstrom innerhalb der Pixelstruktur platziert, um Dunkelstrom-Schrotrauschen weiter zu minimieren.
Hinweis
Um bei IMX264 und IMX265 trotz 3,45 µm Pixelgröße die Empfindlichkeit zu erhalten, setzte Sony einen proprietären Pixel-Kondensationsprozess ein. Dadurch bleiben Dynamikbereich und Signal-zu-Rausch-Verhältnis hoch.
Oben: Sony Pregius Global-Shutter-Auslesung.
Dank des analogen Speichers können Photodioden Belichtung und Auslesung parallel beginnen. Pregius-CMOS liefern somit Global-Shutter-Bilder mit geringem Rauschen, unterstützt durch analoges und digitales CDS.
Unten: Vergleichsvideo Global Shutter vs. Rolling Shutter
Videobeispiel bewegter Szenen mit Global Shutter und Rolling Shutter. Rechts sind die Rolling-Shutter-Verzerrungen sichtbar.
Geringes Rauschen: Sony Dual Correlated Double Sampling (Dual CDS)
Zur Rauschreduzierung wendet Sony CDS sowohl vor als auch nach der A/D-Wandlung an.
Im analogen Signal nutzt jeder Floating-Diffusion-Knoten einen Reset-Schalter, um die Ladung der vorherigen Belichtung zu entleeren. Restladungen können verbleiben und sich mit der nächsten Belichtung mischen. Das erzeugt Festmusterrauschen, besonders sichtbar bei wenig Licht. CDS misst die Restladung und subtrahiert sie vom folgenden Signal, das aus Restladung und neuer Belichtung besteht.
Oben: Festmusterrauschen (FPN) bei 30 dB Gain
Oben: Sony analoges CDS vor spaltenparalleler A/D-Wandlung.
Die verbliebene Restladung wird gemessen und vom nächsten Belichtungssignal subtrahiert, das sich mit der Restladung mischt.
Oben: Sony digitales CDS nach der A/D-Wandlung.
Ähnlich wie beim analogen CDS wird das digitale Signal zweimal gelesen, einmal auf Reset-Niveau und einmal auf Signalniveau. Eine digitale Subtraktion gleicht Spaltenunterschiede aus und reduziert das Rauschen deutlich.
Bildqualität auf neuem Niveau
Pregius-Sensoren nutzen Sonys neueste Pixelfertigung und bieten eine hohe Empfindlichkeit. In Kombination mit großem Dynamikbereich ermöglichen sie zuverlässige Ergebnisse bei anspruchsvollen Lichtverhältnissen. Anwendungen wie autonome Fahrzeuge, Verkehrsüberwachungssysteme oder Outdoor-Szenarien profitieren von der Bildqualität. Bei wechselnden Lichtbedingungen und Szenen mit tiefen Schatten und hellen Highlights erfassen Pregius-Sensoren mehr nutzbare Bilddaten als konventionelle CMOS-Sensoren. In klassischen Prüfaufgaben erlauben höhere Empfindlichkeit und geringere Belichtungszeiten schnellere Taktzeiten und helfen, Beleuchtungskosten zu senken.
| 2nd Generation Pregius Features | Benefits to Users |
|---|---|
| Global shutter | Removes image distortion caused by motion. Allows for high-speed imaging without image wobble, skewing, or light banding. |
| 2/3" and 1/1.8" sensor format with 3.45 µm pixel size | Allows camera to be used with smaller and more cost-effective lenses. |
| High quantum efficiency | Higher sensitivity to light. Benefits low light applications. Allows you to image at shorter exposure times or with less lighting. |
| Very low temporal dark noise | Provides clearer imaging in low light applications. The lower the noise the more one can increase gain / brightness without increasing noise. |
| High signal to noise ratio (SNR) | Higher SNR allows more clarity in your imaging. A higher SNR allows one to reduce imaging time. |
| High dynamic range | High dynamic range allows for better imaging in challenging lighting environments where complex shadows and highlights exist in the same scene. More details will be captured in darker shadows and brighter highlights. |
Zusammenfassung
Sony hat die CCD-Entwicklung maßgeblich geprägt und die Global-Shutter-Technologie erfolgreich in CMOS übertragen. Durch fortschrittliche Schaltungs- und Pixelfertigung konnten Pixel verkleinert und Auflösungen erhöht werden, ohne die Empfindlichkeit zu verlieren. Aktuelle Pregius-Sensoren bieten höhere Empfindlichkeit und geringeres Rauschen als ihre Vorgänger. Sie ermöglichen hohe Bildqualität, hohe Auflösung und hohe Geschwindigkeiten ohne Verzerrungen in der Bildebene. In Verbindung mit CDS zur Rauschreduktion liefern sie in vielen anspruchsvollen Vision-Anwendungen führende Performance. Kameratechnologie von LUCID mit Sony Pregius wird auch künftig eine herausragende Vielseitigkeit bieten, basierend auf Leistung und Qualität.
Pregius und das Pregius-Logo sind Marken der Sony Corporation.
