Sensor- und Pixelgrößen von CCD- und CMOS-Kameras

Die fortschreitende technische Entwicklung bei der Entwicklung von CCD- und CMOS-Sensoren erlaubt die Herstellung immer feinerer Halbleiterstrukturen. Als allgemeiner Trend schrumpfen Sensor- wie auch die Pixelgrößen, um immer mehr Sensoren aus einem Wafer zu schneiden. Dies ist möglich, da auch zunehmend die Empfindlichkeit der Pixel zunimmt, wie auch das Rauschverhalten der Elektronik optimiert wird.

Da aber auch hier immer wieder technische Limits erreicht werden, lohnt es sich, Kameras mit unterschiedlichen Sensor- und Pixelgrößen bei gleicher Auflösung zu vergleichen, besonders wenn:

• wenig Licht vorhanden ist
• rauscharme Bilder mit hoher Bilddynamik benötigt werden
• Präzisionsmessungen erfolgen sollen

Ein größerer Sensor mit größeren Pixeln ist in fast allen Fällen technisch gesehen immer die bessere Wahl, aber auch stets im Preis teurer.

Sensorgrößen von Standard-Kameras

Klassische industrielle Bildverarbeitungskameras haben je nach verwendeter Kamera und Auflösung unterschiedlich große Sensoren. Der Großteil der Kameras mit kleineren Sensoren wird mit sogenannten C-Mount oder eventuell CS-Mount-Optiken verwendet. Das C-Mount-Anschlussgewinde hat einen tatsächlichen Durchmesser von 1 Zoll, also 25,4mm und einer Gewindesteigung von 1/32 Zoll.

Die in Standard-Kameras verwendeten Sensoren sind deutlich kleiner und bewegen sich zwischen 4 bis 16mm Bilddiagonale. Auch diese Sensor-Größen werden mit Zoll-Angaben angegeben. So hat der 1-Zoll-Sensor eine Diagonale von 16mm.

Typische Sensorgrößen industrieller Kameras

Die zölligen Angaben der CCD- und CMOS-Sensoren sind nur historisch zu erklären: Bildaufnahme-Röhren von Fernsehkameras wurden bis Mitte der 80er Jahre verwendet und waren lange den CCD- oder CMOS-Sensoren überlegen, die Ende der 60er Jahre erfunden wurden.

Der eigentliche Bildwandler der Röhren-Kameras befand sich in einer gläsernen Vakuumröhre, und die verschiedenen Bildaufnahmeröhren wurden unter anderem nach ihrem  Außendurchmesser des Glaskolbens klassifiziert. Die Diagonale der lichtempfindlichen Fläche innerhalb der Röhre war natürlich kleiner und betrug etwa  zwei Drittel des Außendurchmessers. Äquivalente CCD-Sensoren, die die Kathodenstrahlröhren ersetzen sollten, mussten genau diese Fläche abdecken. Ein CCD, dessen lichtempfindliche Fläche einer 1/2-Zoll-Röhre entspricht, wurde daher als 1/2-Zoll-Sensor bezeichnet, auch wenn dies den reellen Größen des CCD-Sensors nicht entspricht.

Industrie-Kameras setzen heute bei Auflösungen von 640x 480 Pixeln meistens 1/3"-Sensoren ein, Kameras mit  1280x1024 Pixeln meist 1/2". Die recht populär gewordene Kamera-Auflösung von 1600x 1200 Pixel verwendet gerne einen etwas größeren Sensor mit 1/1,8" bei gleicher Pixelgröße.

Generell ist der Trend zu beobachten, dass im Massen-Kameramarkt die Sensoren immer kleiner werden. War Ende der 80er Jahre ein Standard-VGA-Sensor teilweise noch 2/3" groß, ist dieser heute noch 1/3". Die Miniaturisierung ist eine Folge verbesserter Herstellungsprozesse, die kleinere lichtempfindliche Flächen ermöglichen bei (hoffentlich) vergleichbarer Leistung.  Es erlaubt den Herstellern eine größere Anzahl von Sensoren zu einem günstigeren Preis aus einer Wafer-Scheibe herzustellen. So hat ein Sensor mit 1/3" nur noch etwa 40% der Fläche eines 1/2"-Sensors und ist entsprechend preiswerter.

Wichtig: Sollten Sie bei einem Kameramodell die Wahl zwischen einem größeren und kleineren Sensor haben, wählen Sie bitte den die größere Variante, wenn Sie:

• z.B. Präzisionsmessungen oder feinste Oberflächenprüfungen machen, bei denen möglichst wenig Kamera-Rauschen das Ergebnis verfälschen darf.
• lichtkritische, schnelle Anwendungen mit kurzer Belichtungszeit planen.
• Farbkameras benutzen, die evtl. Monochromkameras ersetzen sollen und ebenfalls nicht besonders viel Licht zur Verfügung steht, da diese bis zu 3-4x mehr Licht als ein vergleichbarer Monochrom-Sensor benötigen.

 

Großformatige Sensorgrößen von Flächen- oder Zeilenkameras

Bei hoch auflösenden Flächen- oder Zeilenkameras kommen auch deutlich größere Sensoren mit mehreren Zentimetern Größe zum Einsatz. Die Maße dieser Sensoren sind normalerweise nicht genormt und ergeben sich durch die Auflösung und Pixelgrößen der Sensoren. Hier ist alles erlaubt und nur durch den Geldbeutel begrenzt.

Eine Zeilenkamera mit 2048 Pixeln mit 10µm Pixelgröße hat eine Linienlänge von 20.48mm, bei 14µm Pixelgröße ist der Sensor schon 28,6mm lang.  Ab 20mm Sensor-Diagonale ist der C-Mount-Objektiv-Anschluss nicht mehr zu gebrauchen.

Diese Kameras benutzen dann typischerweise als Objektiv-Anschlüsse Nikon-Bajonett (F-Mount) oder M42 bis M72. Erst jetzt lassen sich hoch auflösende Sensoren mit großen Pixeln benutzen, um Zeilenkameras mit bis zu 12k Pixeln oder Flächenkamerers bis 16 Millionen Pixeln zu bauen.

 

Pixelgrößen eines CCD- oder CMOS-Sensors

Mit der Miniaturisierung der Sensoren werden auch zunehmend die Pixelgrößen immer kleiner. Sensoren von Consumerkameras (8 bis 12 Megapixel für 200 Euro) haben heute Pixelgrößen von meistens 1,7 µm, die lichtaktive Fläche pro Bildpunkt ist also nur etwa 3µm² groß. Dies hat ein extrem starkes Sensor-Rauschen bei nicht optimalen Lichtverhältnissen zur Folge. Für die Qualitätskontrolle mit Kameras ist dies völlig inakzeptabel.

Industrielle BV-Kameras (C-Mount) mit VGA- bis 2 Megapixel-Auflösung haben normalerweise 4,6 bis 6,5 µm große Pixel mit einer vergleichbar 10-15 mal größeren lichtaktiven Fläche und liefern daher deutliche bessere Signal-Ergebnisse. Benötigen Sie möglichst rauscharme Bilder und präzise Messergebnisse, achten Sie auf möglichst große Sensor-Pixel bei den Sensoren, auch wenn diese Kameras teurer sind!

Typische Pixelgrößen industrieller Kameras

Pixel mit 14 oder 10 µm Kantenlänge werden bevorzugt bei Zeilenkameras eingesetzt. Durch die hohe Zeilenfrequenz von beispielsweise 18Hz ergibt sich hier maximal eine Belichtungszeit von 1000/18000= 55 µs für eine aufgenommene Bildzeile. Die lichtaktive Fläche des Pixels kann in diesem Fall nie groß genug sein.

 

Full-Well-Kapazität eines Pixels

Diese Angabe beschreibt, wie viele Elektronen ein Pixel-Element aufnehmen kann, bis es vollständig gesättigt ist. So kann ein Pixel mit 5,5µm Strukturgröße rund 20.000 Elektronen, ein 7,4µm großes Pixel 40.000 Elektronen akkumulieren.

Je größer die Full-Well-Kapazität, desto besser ist jedoch das maximale Signal-Rausch-Verhältnis. Consumer-Kameras mit Pixelgrößen von 1,7µm benötigen nur noch um dies 1.000 Photonen zur Pixelsättigung. Bei einer Digitalisierung mit 8, 10 oder gar 12 Bit können schon andere Rauscheffekte (photonisches Rauschen, Digitalisierungsrauschen, Dunkelrauschen) schon signifikante Größenordnungen annehmen, das Signal überlagern und so das Bild extrem negativ beeinflussen.

Auch die Dynamik des Sensors leidet unter kleinen Pixelstrukturen. Die Detektionsgrenze wird durch das Dunkelrauschen des Sensors begrenzt, das durch thermische Effekte verursacht wird. Erst wenn die Anzahl der durch Licht erzeugten Elektronen den Wert des Dunkelrauschens übersteigt, kann überhaupt vom Sensor etwas wahrgenommen werden. Die Dynamik des Pixels ergibt sich als Verhältnis der Full-Well-Kapazität zum Dunkelrauschen.

 

Wichtig für die industrielle Bildverarbeitung

• Je kleiner die Pixel werden, desto mehr Licht wird für eine Bildaufnahme benötigt. Bei kurzen Inspektionszeiten kann dies schnell problematisch werden, dass dann das Licht nicht ausreicht.
• Kleine Pixel liefern bei wenig Licht deutlich verrauschtere Bilder als große Pixel, die Bilddynamik ist reduziert. Rauschen ist für die  Applikation störend. Hell beleuchten oder LED-Blitzcontroller einsetzen, um mehr Licht zur Verfügung zu haben!
• Viele "Megapixel" helfen noch lange nicht. Kleine Pixel-Strukturen erfordern auch eine hochwertige optische Abbildung, sprich hoch auflösende Objektive. Ansonsten entstehen verwaschene Bilder mit vielen Pixeln, aber keine echten Strukturdetails.
• Kleine Kamerapixel benötigen zudem eine extrem präzise mechanische Ausrichtung des Sensors, da die Schärfentiefe deutlich abnimmt. Die Verkippung des Sensors mit 5µm im Gehäuse darf nur noch halb so groß (+/1 15 µm @ Blende=2,8) sein wie bei Pixeln mit einer Strukturgröße von 10µm. Achten Sie also auch hier auf hochwertig produzierende Lieferanten, sonst nützt Ihnen der beste Sensor in der Kamera nichts.