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Non-Circular Optics for System Miniaturization

SENSORHERSTELLUNG - SENSORAUFBAU UND FERTIGUNGSMETHODEN

 

Vergleich hintere und vordere Beleuchtung

 

Höhere Auflösung durch Vergrößerung der Sensorfläche und Verkleinerung der Pixelgröße

 

Mikrolinsen für maximale Lichtkollektion

 

Neue Kameraanschlüsse sorgen für mechanische Stabilität

In den letzten Jahrzehnten haben Verbesserungen in der Kameratechnologie für Handys und Smartphones die Entwicklungen in der Metalloxid-Halbleitertechnologie (CMOS) vorangetrieben. Dies hat zu Fortschritten sowohl bei den Sensoren als auch bei den Herstellungsmethoden geführt. Auch die während dieser Zeit aufgekommenen neuen Fertigungsmöglichkeiten sorgen für eine Reduzierung des Rauschens bei CMOS-Sensoren und eine höhere Zuverlässigkeit.

The configuration for a back-lit illuminated pixel and a front-lit illuminated pixel
Abbildung 1: Der Aufbau eines Pixels für hintere und vordere Beleuchtung.

Eine spezielle Änderung bestand darin, die CMOS-Sensorstruktur von vorderer auf hintere Beleuchtung umzubauen.

Micro-lenses are used to capture as much light from wider angles onto the sensor
Abbildung 2: Mikrolinsen werden eingesetzt, um so viel Licht wie möglich aus größeren Einfallswinkeln auf den Sensor zu lenken.

Ein anderer großer Fortschritt beim CMOS-Sensordesign ist der Einsatz von Mikrolinsen, um die Lichtmenge zu maximieren und die Sensoreffizienz zu verbessern.

CMOS überholt CCD

Nach jahrelangen Technologieverbesserungen, bietet jetzt die Verwendung von CMOS-Sensoren im Vergleich zu CCD-Sensoren mehrere Vorteile. CMOS-Geräte benötigen bei der Bildaufnahme weniger Strom als CCD-Geräte und sind kostengünstiger in der Herstellung, was zu um den Faktor 10 geringeren Preisen führt. Am 25. Februar 2015 war die CMOS-Sensortechnologie so beliebt, dass Sony ankündigte seine CCD-Sensorproduktion einzustellen.

Anwendungen benötigen höhere Auflösung

Anwendungen werden immer anspruchsvoller und benötigen so eine höhere Bildqualität und Auflösung. CMOS-Hersteller versuchten Sensoren mit höherer Auflösung herzustellen, indem die Pixelgröße verringert und die Pixelanzahl vergrößert wurde. Dieser Ansatz war mäßig erfolgreich, da er einige Probleme wie z. B. höheres Rauschen mit sich brachte. Um dem Problem entgegenzuwirken, griffen die Hersteller wieder auf etwas größere Pixel zurück, aber verwendeten Sensorformate, die größer als 1,1“ sind. Diese Methode erhöhte die Sensorauflösung und behielt gleichzeitig ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) bei.

Pixel sizes on sensors and overall sensor sizes have changed in size to accommodate higher resolutions
Abbildung 3: Pixelgröße und Gesamtgröße des Sensors wurden angepasst, um höhere Auflösungen zu erreichen.

Während die Anforderungen an die Auflösung weiterhin steigen, verwenden Sensorhersteller nicht nur größere Sensorformate, sondern finden auch neue Wege, um Pixelgrößen ohne Bildqualitätseinbußen zu verringern. Ein Beispiel hierfür ist die vierte Generation des Pregius-Sensors von Sony (IMX530 CMOS 24,5 MP), ein 4/3“ Sensor (Diagonale 19,3 mm) mit 2,74 µm Pixelgröße (37% kleinere Pixel im Vergleich zu 3,45 µm).

Während die Pixelgröße verkleinert und die Sensorgröße vergrößert wird, muss auch bei den Objektiven das optische Design signifikant verändert werden, um die verbesserte Leistung voll auszuschöpfen. Dies führt zu einem Objektivdesign mit zusätzlichen optischen Komponenten und somit zu größeren und schwereren Objektiven. Aufgrund dieser beiden Veränderungen standen Objektivdesigner vor dem Problem, dass sie Objektive mit Objektivanschlüssen entwickeln mussten, die größer als C-Mount und robuster und zuverlässiger als F-Mount sind.

Objektivanschlüsse wie TFL und TFL-II bieten kompakte Auflagemaße und größere Durchmesser für Sensorformate wie APS-C, APS-H und andere Vollformatsensoren. Diese Anschlüsse besitzen außerdem ein Gewinde, das gegenüber Bajonett-Anschlüssen wie F-Mount für erhöhte Stabilität und zuverlässige Ausrichtung bei schweren Objektiven sorgt.

The TFL and TFL-II Mounts accommodate a larger maximum sensor diagonal
Abbildung 4: TFL- und TFL-II-Anschlüsse sind für größere maximale Sensordiagonalen geeignet.

Sensorhersteller bringen die nächste Generation von CMOS-Sensoren mit extrem hoher Auflösung auf den Markt. Der 120MXS CMOS-Sensor von Canon bietet 120 MP und 2,2 μm Pixelgröße und der 2U250MRXS CMOS-Sensor von Canon 250 MP und 1,5 μm Pixelgröße. Beide Sensoren haben Pixelgrößen, die viel kleiner sind als die in der Industrie üblichen Pixelgrößen. Die vierte Generation der Pregius-Sensoren von Sony hat eine kleinere Größe und eine um Faktor 1,7 verbesserte Bildqualität. Auch bei diesen Sensoren haben sich die Pixelgrößen von 3,45 μm auf 2,74 μm verkleinert.

These sensors also feature pixel sizes that have decreased from 3.45μm to 2.74μm.
Abbildung 5: Da Anwendungen höhere Auflösungen benötigen, werden Pixelgrößen auf Sensoren reduziert.

Da Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung immer höhere Auflösungen erfordern, werden Hersteller von CMOS-Sensoren auch weiterhin die Größe der einzelnen Pixel verringern und die Gesamtgröße des Sensors erhöhen müssen, um Bildqualität und effektive Auflösung zu verbessern.

Häufig gestellte Fragen

FAQ  Verkauft Edmund Optics Kameras mit TFL-Mount?

Ja, Edmund Optics hat sich mit LUCID Vision Labs zusammengeschlossen und bietet die ATLASTM Kameraserie an.

FAQ  Welche Objektive besitzen einen TFL-Mount?

Die TECHSPEC® Objektive mit Festbrennweite der CA-Serie besitzen einen TFL-Mount und wurden speziell für die neuen großen Sensorformate entwickelt.

FAQ  Welche Objektive besitzen einen TFL-II-Mount?
Bei den TECHSPEC® Objektiven mit Festbrennweite der LH-Serie gibt es Versionen mit einem TFL-II-Mount. Diese Objektive wurden speziell für die neuen großen Sensorformate entwickelt.

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