SENSORHERSTELLUNG - SENSORAUFBAU UND FERTIGUNGSMETHODEN

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.

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.

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.

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.

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.

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.