CCD und CMOS unterscheiden sich grundlegend in ihrer Architektur. In einem CCD-Sensor wird die Ladung über den gesamten Chip transportiert und in einer Ecke des Arrays gelesen. Ein Analog-Digital-Wandler wandelt jedes Pixel in einen digitalen Wert um. Im Gegensatz dazu gibt es in den meisten CMOS-Sensoren mehrere Transistoren für jedes Pixel, welche die Ladung verstärken und sie unter Verwendung traditioneller Leitungen transportieren. Der CMOS-Ansatz ist flexibler, da jedes Pixel individuell ausgelesen werden kann.

Bisher erreichen CCD (Charge-Coupled Device)-Sensoren immer noch eine höhere Qualität, erzeugen Bilder mit geringerem Rauschen und bieten eine höhere Empfindlichkeit. Ihr Herstellungsprozess ist ausgereifter und sie haben eine höhere Auflösung. Nichtsdestotrotz haben auch CMOS-Sensoren ihre Vorteile: CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) verbraucht traditionell weniger Energie, sie sind günstiger, da billiger in der Herstellung, und Smear- sowie Blooming-Effekte sind bei CMOS-Sensoren kein Thema.

Nach Schätzungen von Point Grey unterteilt sich der Markt gegenwärtig grob in 75 Prozent CCD- gegenüber 25 Prozent CMOS-Technologie. Im Bereich der maschinellen Bildverarbeitung ist bisher der CCD-Einsatz aufgrund der hohen Bildgebungsqualität und dem geringen Ausleserauschen noch üblicher.

Beide Technologien entwickeln sich weiter

Beide Sensortechnologien haben sich in den letzten Jahren weiterentwickelt. Auf der CCD-Seite haben wir z. B. Multi-Tap-Output, eine verbesserte Bildleistung und höhere Empfindlichkeit. Bei der CMOS-Technologie liegt eine der wesentlichen Entwicklungen in der wachsenden Auswahl an Global-Shutter-CMOS-Sensoren auf dem Markt. Eine traditionelle Kamera hat einen mechanischen Verschluss, der Licht hineinlässt und dann den Verschluss schließt, um weiteres Eindringen von Licht zu unterbinden. Mit der CCD- und der CMOS-Technologie gibt es ein Konzept eines elektronischen Verschlusses. Ein grundsätzlicher Unterschied dabei ist, dass CCDs einen Global- Shutter-Mechanismus verwenden, d.h., dass alle Pixel auf dem CCD sowohl zum selben Zeitpunkt belichtet werden als auch bei allen gleichzeitig die Belichtung beendet wird. Herkömmliche CMOS-Technologie hingegen verwendet eine Rolling-Shutter-Funktion. Das heißt, dass die Pixel dem Licht zeilenweise zu unterschiedlichen Zeiten ausgesetzt sind.

Global Shutter jetzt auch bei CMOS

Der Nachteil: Rolling-Shutter bewirkt einen Verzerrungseffekt bei der Aufnahme von sich schnell bewegenden Objekten. Während jede Sensorzeile nach und nach dem Licht ausgesetzt wird, wird das abzubildende Objekt von jeder Zeile in verschiedenen Phasen seiner Bewegung erfasst. So entstehen Verzerrungsartefakte. Dies war bisher ein Problem bei der Verwendung von CMOS mit Rolling-Shutter in Kameras für die maschinelle Bildverarbeitung. Allerdings sehen wir in den letzten fünf Jahren immer mehr Global-Shutter-CMOS-Sensoren auf dem Markt. Erst kürzlich hat Sony seine Version, den IMX174 Sensor, herausgebracht. Dieser ist in die Kamera Grasshopper3 von Point Grey integriert. Wie ein CCD-Sensor liefert er unverzerrte Bilder. Das ist ein Grund, warum CMOS sich mehr und mehr verbreitet und stetig an Marktanteilen gewinnt. Man muss nicht mehr auf die Global-Shutter-Funktion, die bei maschineller Bildbearbeitung erforderlich ist, verzichten.

Vorteile des CCDs bei Anwendungen in Medizin und Life Science

Es gibt sehr viele Anwendungen, in denen beide Technologietypen von Bedeutung sind. Im Allgemeinen lässt sich ein Bedarf an CCD-Technologie im Bereich der Biowissenschaft erkennen, sowie in High-end-Inspektionsanwendungen - also Applikationen, in denen eine hohe Bildqualität erforderlich ist, wie beispielsweise in der Mikroskopie -, aber auch bei Anwendungen, in denen längere Belichtungszeiten eine große Rolle spielen. Hier können CCDs ihren Vorteil eines niedrigeren Dunkelstroms ausspielen.

Bei 3D-Scans Global-Shutter-CMOS gefragt

Für die Global-Shutter-CMOS-Technologie eröffnet sich ein breites Spektrum an Anwendungen: Von der traditionellen Automationsinspektion einer Fertigungslinie bis hin zu Verkehrsanwendungen. Wir sehen auch ein großes Interesse bei vielen 3D-Scanner-Anwendungen. Dort wird die CMOS-Technologie aufgrund des geringeren Energieverbrauchs und der oftmals niedrigeren Kosten bevorzugt. Wenn auch nicht unmöglich, so ist es für 3D-Scans doch schwieriger mit einem Rolling-Shutter zu arbeiten. Daher lohnt sich ein Global-Shutter-CMOS-Sensor besonders für jede Art von 3D-Scan-Anwendungen.