CCD/CMOS-Bildsensoren und Ansteuerelektroniken

Wir entwickeln für Sie kundenspezifische Ansteuer- und Auswerteleektroniken für CCD/CMOS-Sensoren. Für die meisten Applikationen bzw. Sensortypen existieren bereits fertige Entwürfe, die schnell auf die jeweiligen aktuellen Bedürfnisse modifiziert werden können. Auf Wunsch organisierten wir hiernach auch die Fertigung der entsprechenden Platinen.

Nicht immer findet man geeignete Sensoren für eine neue Applikation, die allen gewünschten Spezifikationen gerecht werden. Bei ausreichendem Budget ist es möglich, kundenspezifische Sensoren maßgeschneidert für eine bestimmte Anwendung zu entwickeln und exklusiv fertigen zu lassen. Eureca bietet diesen Service zurzeit in Zusammenarbeit mit der belgischen Firma Caeleste an.

Diese maßgeschneiderten Lösungen wirken als Alleinstellungsmerkmal, umfassen nur wirklich benötigte Features, was Kosten in der Produktion spart, und lassen sich bei Bedarf gezielt nachbestellen. Zudem vermeidet man so die Probleme, die ansonsten bei der Abkündigung eines Standardsensors auftreten können, wie etwa teure Redesigns oder große Lagermengen für die restliche Projektlaufzeit, was gerade im Zeitalter der immer kürzer werdenden Produktzyklen von Bildsensoren enorm wichtig ist. Um hier die optimale Konfiguration zu finden, begleitet Eureca auf Wunsch den gesamten Produktlebenszyklus – von der Konzeption über die Wahl des Fertigungspartners bis zum Ende der Produktlaufzeit.

Die kundenspezifische Produktion eines Bildsensors ist prinzipiell schon für Einzelstücke machbar. Es kommt allerdings zu nicht unerheblichen Entwicklungs- und Einrichtkosten, die sich meist erst ab einer bestimmten Stückzahl sinnvoll umlegen lassen. Kann ein bereits existierendes Design als Grundlage benutzt werden, welches nur geringfügig abgeändert werden muss, reduzieren sich zumindest die Entwicklungskosten. Es bleibt allerdings die Erstellung von geeigneten Produktionsmasken sowie eine Mindestabnahmemenge an produzierten Wafern.

Eureca besitzt alle Kenntnisse und Hilfsmittel, um bereits im Vorfeld einer Entwicklung die technische Realisierung eines gewünschten Sensors zu prüfen und eine Abschätzung der zu erreichenden Spezifikationen durchzuführen. Nach erfolgreicher Vorprojektierung erfolgt dann die Verfeinerung des Entwurfs in enger Zusammenarbeit mit dem Hersteller. Die durchschnittlichen Entwicklungszeiten liegen bei ca. 6–8 Monaten.

Pionierarbeit bei sCMOS-Bildsensoren: Hoher Dynamikumfang dank tausender A/D-Wandler

Bereits 2015 berichtete Elektroniknet über ein gemeinsames Projekt von Fairchild Imaging und Eureca Messtechnik, bei dem eine neue Generation wissenschaftlicher CMOS-Bildsensoren (sCMOS 2.0) vorgestellt wurde. Ziel war es, die Grenzen klassischer CCD-Sensoren zu überwinden und gleichzeitig hohe Lichtempfindlichkeit, großen Dynamikbereich und sehr niedriges Ausleserauschen in einem einzigen Sensor zu vereinen.

Kern der Entwicklung war eine Sensorarchitektur mit rund 4000 auf dem Chip integrierten A/D-Wandlern. Dadurch konnte jeder Bildbereich sehr schnell und mit hoher Auflösung digitalisiert werden. In Kombination mit speziell angepassten Halbleiterstrukturen ergab sich ein effektiver Dynamikbereich von rund 88 dB bei Bildraten bis etwa 100 Bildern pro Sekunde. Die Sensoren erreichten Ausleserauschen nahe einem Elektron und waren damit empfindlich genug, um hochwertige Nacht- und Schwachlichtaufnahmen ohne zusätzlichen Bildverstärker zu ermöglichen.

Die Produktfamilie umfasste mehrere Auflösungsvarianten bis in den Megapixel-Bereich und richtete sich nicht nur an die wissenschaftliche Bildgebung, sondern auch an Industrie-, Sicherheits- und Broadcast-Anwendungen, in denen hoher Dynamikbereich und geringe Beleuchtungsstärken zusammenkommen.

Ein weiterer Schwerpunkt des Artikels ist ein von Eureca entwickeltes Simulationssystem: Auf Basis der technischen Daten von Sensor und Kamera werden virtuelle Stand- und Bewegtbilder erzeugt, die Photonen-, Dunkel- und Ausleserauschen, Dunkelstrom, Fixed-Pattern-Noise, MTF/KTF, De-Bayering und den Dynamikbereich physikalisch fundiert berücksichtigen. Zahlreiche Projekte bestätigten die enge Übereinstimmung von Simulation und realen Aufnahmen – ein wichtiges Werkzeug, um bereits vor dem Prototypenbau die passende Sensortechnologie auszuwählen.

Abschließend beschreibt der Artikel das gemeinsame Angebot von Eureca, Fairchild Imaging und dem belgischen Designhaus Caeleste, kundenspezifische CMOS-Bildsensoren zu entwickeln. Statt Standardbausteine zu verwenden, können Kunden Sensoren mit exakt den benötigten Funktionen, angepasstem Gehäuse und definierter Langzeitverfügbarkeit erhalten. Eureca begleitet dabei den gesamten Produktlebenszyklus von der Konzeption über die Wahl des Fertigungspartners bis hin zur Abkündigung.

Was ist aus der Technologie geworden?

Die im Artikel beschriebenen sCMOS-2.0-Sensoren gehören zu den frühen wissenschaftlichen CMOS-Architekturen, die gezeigt haben, dass sich extrem niedriges Ausleserauschen, hoher Dynamikbereich und hohe Bildraten in einem Baustein kombinieren lassen. Die dort eingesetzten Prinzipien – column-parallele bzw. massiv parallele A/D-Wandlung, duale Gain-Ketten pro Pixel/Spalte, optimierte Pixelarchitektur – finden sich heute in vielen modernen CMOS-Bildsensoren wieder, die in Wissenschaft, Medizintechnik, Überwachung, Machine Vision und professionellem Video im Einsatz sind.

Fairchild Imaging (heute Teil von BAE Systems Imaging Solutions) hat die sCMOS-Plattform seitdem weiterentwickelt: Aktuelle sCMOS-3.x-Sensoren erreichen nochmals geringeres Rauschen, höhere Quantenausbeute und noch größere Dynamikbereiche und sind in Anwendungen von der Life-Science-Mikroskopie bis zur Sicherheits- und Raumfahrtbildgebung etabliert. Die damals vorgestellte sCMOS-Technik kann damit als wichtiger Ausgangspunkt für die heutigen, hochintegrierten CMOS-Bildsensoren mit hervorragender Low-Light-Performance gelten. 

Für Eureca hat sich an der grundsätzlichen Rolle wenig geändert, im Gegenteil:

• Die im Artikel beschriebene Dienstleistung bieten wir weiterhin an: Simulation und Bewertung von Sensorszenarien, Auswahl der passenden Sensorplattform und Begleitung bei der Integration in kundenspezifische Kamerasysteme.
• Kundenspezifische Sensoren sind inzwischen ein etabliertes Werkzeug, um echte Alleinstellungsmerkmale zu schaffen, Kosten zu optimieren und das Risiko von Abkündigungen zu minimieren. Die im Artikel skizzierte Zusammenarbeit mit spezialisierten Designhäusern hat sich bewährt und wurde um weitere Projekte und Partner erweitert.
• Seit Veröffentlichung des Artikels sind mehrere zusätzliche kundenspezifische Sensorentwicklungen hinzugekommen, über die wir aufgrund von Vertraulichkeitsvereinbarungen derzeit nicht im Detail berichten dürfen – sie bestätigen aber, dass sich der Ansatz »maßgeschneiderter Sensor statt Kompromiss mit Standardsensor« in der Praxis durchsetzt.

Der in Elektroniknet vorgestellte sCMOS-Bildsensor ist damit ein frühes Beispiel für unsere Rolle als Entwicklungspartner im Bereich kundenspezifischer Bildsensoren. Die Kombination aus fundierter Simulation, langjähriger Erfahrung mit wissenschaftlichen und industriellen Sensorplattformen sowie einem Netzwerk spezialisierter Design- und Fertigungspartner bildet bis heute die Grundlage dafür, moderne CMOS-Bildsensoren genau an die Anforderungen unserer Kunden anzupassen.

Zum vollständigen Artikel auf elektroniknet.de.