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    Das Auge des Inspektionssystems

Interline Transfer CCD

Ein besonderer Vorteil dieses Sensortyps ist der "elektronische Shutter", der es ermöglicht, sehr viele Bilder pro Sekunde und Bilder mit sehr kurzen Belichtungszeiten zu erzeugen, wie es bei technischen Überwachungsprozessen nötig ist. Dazu befindet sich neben jedem lichtaktiven Pixel eine weitere nicht-belichtbare  Pixeleinheit, die in der Lage ist, als Speicherzelle zu agieren. Die Speicherzelle ist lichtdicht abgedeckt worden, damit diese nicht sensitiv ist.

Nach der erfolgten Belichtung werden die Ladungsinhalte in die Speicherzellen verschoben. Von dort aus kann die Ladung über die vertikalen und das einzelne horizontale Schieberegister ausgelesen werden und am Ende der Kette verstärkt und in Spannung umgesetzt werden.

Interline transfer CCD-Sensor

Für diese Funktionalität wird allerdings viel Fläche auf dem Sensor benötigt, die für die eigentliche Bildaufnahme nicht zur Verfügung steht. Der fill factor des Sensors beträgt daher nur etwa 30 Prozent. Dieser Hauptnachteil dieser Konstruktionsvariante konnte durch den Einsatz von Mikrolinsen  weitestgehend beseitigt werden. Details siehe weiter unten.

Der Inhalt des Bildes kann also mit diesem Sensor wie ein Schnappschuss aufgenommen und zwischengespeichert werden. Während des Auslesens kann dann sogar schon das nächste Bild integriert werden. Dieses Verhalten des Sensors ist ideal für kurze Belichtungszeiten und die Aufnahme kontinuierlicher Bildfolgen. Der Sensor kann  mit Pixelclock-Frequenzen von typischerweise 20 bis 60 MHz betrieben werden, dabei lassen kleinere Pixel mit weniger Ladungsträgern (die transportiert werden müssen)  eine schnellere Ansteuerung des Sensors zu. Ein zu schnelles Takten des Sensors führt zunehmend zu Bildrauschen. Dieses Problem kann durch das Auslesen des Sensors über zwei bis vier parallel betriebene Auslesekanäle (Multi-Tap-Kamera) gelöst werden.

 

Methoden zur Steigerung der Sensor-Empfindlichkeit

Die Hersteller von Kamerasensoren sind stets bemüht, die Empfindlichkeit zu steigern, da dies zu einer Verbesserung der Bildqualität gegenüber dem Wettbewerb führt. Dies ermöglicht es, Sensor- und Pixelgrößen zu reduzieren und damit die Ausbeute der CCDs pro Wafer zu erhöhen.

Mikrolinsen

Ein schon seit den 80er Jahren praktiziertes Verfahren ist die Verwendung von Mikrolinsen, die auf dem Halbleiterelement auf jeder einzelnen Pixelstruktur aufgebracht wird. Gerade Interline Transfer Sensoren haben durch die horizontalen und vertikalen Schieberegister zum Transport der Sensorladungen einen erhöhten Flächenbedarf an nicht lichtaktiven Strukturen an der Oberfläche des CCDs. Mit der Hilfe von Mikrolinsen kann ein sehr hoher fill factor von 80 Prozent erreicht werden.

Mikrolinsen zur Steigerung der Sensorempfindlichkeit

Mikrolinsen zur Steigerung der Lichtempfindlichkeit sind heute auf fast allen modernen IT-CCD-Sensoren der der Firma Sony und TrueSense (ehemals Kodak) aufgebracht.

 

Back-side illuminated Sensoren

Eine eher neuere, technische Konstruktionsvariante von CCD-Sensoren jeder Art ist die rückseitige Belichtung des Halbleiters, die BSI (back-side illuminated) -Sensoren genannt werden. Die Metallisierungsschichten an der Oberfläche des Sensors zum Verschieben der Ladungen hin zum zentralen AD-Wandler reduzieren die lichtempfindliche Fläche. Dazu muss der Sensor also eigentlich nur umgekehrt auf ein Trägermaterial aufgebracht und belichtet werden. Damit dieser Effekt Wirkung trägt, muss die Siliziumschicht des Sensors extrem dünn angeschliffen werden, was zu erhöhten Fertigungskosten, vergrößertem Ausschuss und höheren Sensorpreisen führt. Die Empfindlichkeit solcher Sensoren ist teilwiese doppelt so hoch wie bei Frontside illuminated CCDs.

Moderne Vertreter sind zum Beispiel der 1,4 Megapixel-Sensor Sony-CCD ICX285, Sony ICX625 (5 MPix), Sony ICX694 (6 MPix), TrueSense (Kodak) KAI-08050 (8 MPix) oder KAI-29050 mit 29 Megapixeln.

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