CCD vs. CMOS
Welche Technologie eignet sich besser für Industriekameras?
CCD-Sensoren waren lange die gängigsten Bildsensoren am Markt. Jedoch hat sich die Branche stetig weiterentwickelt und CMOS-Sensoren haben nach und nach die Markthoheit übernommen. Wir wollen in diesem Text die Unterschiede von CMOS- und CCD-Sensoren genauer betrachten und einen Blick auf den Sensor mit Zukunft werfen.
Moderne CMOS-Kameras als Ersatz für CCD-Kameras
In unserem White Paper erklären wir die Vorteile, die die neuen CMOS-Sensoren im Vergleich zu CCD-Sensoren bieten:
Wann sollte man über einen Wechsel der Kameratechnologie nachdenken?
Wie wähle ich die richtige Nachfolgekamera aus?
Welcher Integrationsaufwand besteht?
Heutige CMOS-Sensoren sind CCD-Sensoren überlegen
Im März 2015 hatte Sony bekanntgegeben, seine komplette Serie an CCD-Sensoren abzukündigen. Damit wurde im Markt das Ende für Neuentwicklungen auf CCD-basierter Technologie eingeläutet, wodurch wir heutzutage die vielen Vorteile der CMOS-Sensoren genießen dürfen. Schon damals standen CMOS-Sensoren der CCD-Technologie in nur wenigen Punkten nach. Über die letzten Jahre haben Neuentwicklungen dazu geführt, dass auch die letzten Nachteile aus dem Weg geschafft wurden.
Natürlich hinkt der Vergleich von CCD- und CMOS-Sensoren, da CMOS mittlerweile mehr als acht Jahre Entwicklungsvorsprung hat. Zu Zeiten, in denen beide Sensortypen konkurrenzfähig waren, entschied man anhand der Zielanwendung, ob CCD oder CMOS der passende Sensor war. Heutzutage stellt sich die Frage von CCD vs. CMOS nicht mehr, da CCD-Sensoren nicht weiterentwickelt werden. CMOS-Sensoren haben dank ihrer hohen Geschwindigkeit und Auflösung, ihrer geringen Leistungsaufnahme und wegen der inzwischen verbesserten Rauscheigenschaften, Quanteneffizienz und Farbkonzepte ihren Weg in Bereiche gefunden, die vorher CCD-Sensoren vorbehalten waren.
CCD vs. CMOS – die technischen Fakten im Detail
Die Verbesserungen in der CMOS-Technologie und das gute Preis-Leistungs-Verhältnis dieser Sensoren machen CMOS immer attraktiver für Anwendungen der industriellen Bildverarbeitung. Insbesondere die sehr hohen möglichen Bildraten bei nahezu gleichbleibender Bildqualität sind ein großer Vorteil der aktuellen CMOS-Generation gegenüber CCD-Sensoren.
Was tut ein Sensor in der Kamera?
Sowohl CCD- (Charge Coupled Device) als auch CMOS- (Complementary Metal Oxide Semiconductor) Sensoren wandeln Licht (Photonen) in elektrische Signale (Elektronen) um. Der Hauptunterschied zwischen den zwei Sensortypen liegt in ihrem technischen Aufbau. Beim CCD-Sensor wird die Ladung pro Pixel weitergeschoben. Beim CMOS-Sensor hingegen, wird jedes Pixel direkt ausgelesen.
Verbesserte Effizienz
In der Vergangenheit waren CMOS-Sensoren deutlich weniger effizient in der Umwandlung des einfallenden Lichts. Das hat sich inzwischen geändert. Weiterentwicklungen wie z.B. Mikrolinsenarrays, die auf den Chip aufgebracht werden, sorgen dafür, dass CMOS heutzutage gleiche oder sogar höhere Empfindlichkeiten als CCD erreicht.
Höhere Framerate
Bei CCD-Sensoren ist die Auslesegeschwindigkeit durch das zeilen- oder spaltenweise Auslesen begrenzt. CMOS-Sensoren hingegen ermöglichen aufgrund ihrer Architektur eine deutlich höhere Framerate. Jedes Pixel wird einzeln ausgelesen, ohne dass wie beim CCD-Sensor, Ladung verschoben werden muss. Dies führt dazu, dass die Bildinformation sehr viel schneller ausgelesen wird. So kann die Performance gesteigert werden, wodurch z.B. mehr Teile pro Sekunde inspiziert oder Verkehrsverstöße besser erkannt werden können.
Größerer Dynamikbereich
Der Dynamikbereich einer Kamera beschreibt das Verhältnis zwischen dem stärksten und dem schwächsten Signal, das sich oberhalb des Rauschens in einem Bild erkennen lässt, also dem Verhätlnis der Sättigungskapazität zur Empfindlichkeitsschwelle. CMOS-Sensoren haben oftmals eine höhere Sättigungskapazität, d.h. die maximale Anzahl an Elektronen pro Pixel ist höher. Auf der anderen Seite ist die Empfindlichkeit bei einfachen CMOS-Sensoren oft geringer, sodass der Dynamikbereich von CMOS-Sensoren oft dem von CCD-Sensoren entspricht. Jedoch sind die neuesten CMOS-Sensoren, wie der Sony IMX174, im Dynamikumfang allen vergleichbaren CCD-Entwicklungen überlegen.
Kein „Blooming“ und „Smearing“
Einen klaren Vorteil hat die CMOS-Technologie bei viel Licht. Wird ein CCD-Pixel überstrahlt, „schwappen“ die überzählig generierten Elektronen in die Nachbarpixel. Sehr helle Bildstrukturen scheinen dann in dunklere hinüber zu wuchern oder zu blühen. Entsprechend wird dieser Effekt „Blooming“ genannt. Werden bei sehr hellem Licht nach der Belichtung die Ladungen im CCD-Sensor transportiert, können im Bild des CCD-Sensors helle Streifen auftreten. Weiße Bereiche erscheinen dann zu Strichen verschmiert im Bild. Das sieht man zum Beispiel, wenn nachts ein Auto mit Scheinwerfern auf die Kamera zufährt. Dieser Effekt heißt „Smearing“. Hier ist CMOS vorteilhafter: Beide Effekte treten bei CMOS-Sensoren nicht auf.
Keine Artefakte dank Global Shutter
Die neuesten Kameras mit CMOS-Technologie sind heutzutage CMOS-Global Shutter-Kameras, wie z.B. unsere ace 2 Modelle mit Sonys Sensorlinie Pregius S oder dem PYTHON von onsemi. Mit diesen Kameras ist man keinen Artefakten mehr ausgesetzt, die bei Kameras mit Rolling Shutter auftreten. Dennoch sollten Sie eine CMOS-Rolling Shutter-Kamera nicht kategorisch ausschließen, da diese für bestimmte Anwendungen besser als eine Kamera mit Global Shutter geeignet sein kann.
Moderne CMOS-Kameras als Ersatz für CCD-Kameras
Details zum Umstieg auf CMOS-Sensoren geben wir in unserem kostenlosen White Paper.
Fragen, die wir im White Paper ausführlich beantworten
Wann sollte man über einen Wechsel der Kameratechnologie nachdenken?
Wie wähle ich die richtige Nachfolge-Kamera aus?
Was ist bei der Integration von neuesten CMOS-basierten Kameras zu beachten?
Welcher Integrationsaufwand besteht?
