Ratgeber
CMOS-Sensoren und die damit verbundenen Minikameramodule gehören für viele Millionen Menschen inzwischen zum täglichen Leben: Die kleinen technischen Wunderwerke stecken in nahezu jedem Smartphone. Zu finden sind sie außerdem in Digitalkameras, vom einfachen Hosentaschen-Modell über die digitale Spiegelreflexkamera bis zum professionellem Video-Equipment. In industriellen Bereichen übernehmen diese Sensoren, Kameras und Module zum größten Teil Überwachungsaufgaben, zum Beispiel im Rahmen von Produktions- und Steuerungsprozessen.
In unserem Ratgeber erfahren Sie, was CMOS-Sensoren sind, wie sie funktionieren und wie sie sich in Kamera-Module einsetzen lassen.
Die Abkürzung CMOS steht für Complementary Metal-Oxid-Semiconductor, zu Deutsch komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter. Er ist eng mit dem Feldeffekttransistor verwandt und wird in zahlreichen integrierten Schaltkreisen für Logikoperationen und als Verstärker verwendet. Zu den Einsatzbereichen gehören Mikroprozessoren ebenso wie Speicherchips – und Bildsensoren in Kameras. Hier übernehmen sie in Verbindung mit sogenannten gepinnten Fotodioden die Aufarbeitung der von den Dioden gelieferten elektrischen Signale. Jede Diode entspricht dabei einem Pixel des Sensors.
CMOS-Sensortypen arbeiten dabei so ähnlich wie die von ihnen mittlerweile nahezu vollständig verdrängten CCD-Sensoren: Wenn Photonen, also Lichtteilchen, auf die Fotodiode treffen, werden aufgrund des photoelektrischen Effekts Elektronen freigesetzt, und zwar proportional zum einfallenden Licht. Während ein CCD-Sensor die so erzeugten elektrischen Ladungen nacheinander erst speichert und dann zeilenweise abliefert, verfügt der CMOS-Sensor über Schaltkreise an jedem einzelnen Pixel. Sie wandeln die Ladung sofort in eine Spannung um. Diese Spannung wird dann über einen Schaltkreis auf dem Sensor verstärkt und weitergeleitet. Darüber hinaus verfügen hochwertige CMOS-Sensoren über ein Dutzend Kanäle zum Auslesen der Spannung.
Neben der hohen Auslesegeschwindigkeit existieren noch weitere Vorteile: CCDs leiden bei überbelichteten Pixeln unter dem Blooming-Effekt, der auf die umliegenden Pixel übergreifen kann, so dass im Bild helle Flecke rund um die Überbelichtung zu sehen sind. Bei CMOS-Sensoren tritt dieser Effekt nicht auf, da die Pixel getrennt sind und keine Ladung aneinander weitergeben.
Moderne CMOS-Sensoren bieten zudem einen geringeren Stromverbrauch als vergleichbare CCD-Sensoren. Sie wandeln die Ladung an jedem Pixel direkt in eine Spannung um und machen daher externe Verstärker und Analog-Digital-Wandler überflüssig. CMOS-Sensoren werden deshalb auch als Active Pixel Sensoren, kurz APS, bezeichnet
Ein weiterer Vorteil sind die Kosten. Während für CCD-Sensoren spezielle Fertigungsstraßen nötig sind, werden APS mit einer herkömmlichen Siliziumchip-Fertigungsstraße hergestellt und sind – nicht zuletzt durch die Massenfertigung – erheblich kostengünstiger.
Viele Jahre lang waren CCD-Sensoren die vorherrschende Aufnahme-Chips. Einer der Hauptgründe für die Verwendung war ihr geringerer Rauschpegel. In den letzten Jahren allerdings haben die Fortschritte in der CMOS-Technologie den Rauschpegel kontinuierlich gesenkt, in erster Linie durch das mehrkanalige Auslesen des CMOS-Sensors. Dieses Verfahren reduziert die Bandbreite jedes Kanals und damit auch das Übertragungsrauschen.
Ein weiterer früherer CCD-Vorteil war der Global Shutter, bei dem jedes Pixel das Licht zur gleichen Zeit aufnimmt. In der Vergangenheit wurden APS aber ausschließlich mit einem Rolling Shutter hergestellt: Eine Reihe von Pixeln detektierte Licht, dann folgten nacheinander die nächsten Reihen. Das erzeugte bei sich schnell bewegenden Bildteilen eine erhebliche Verzerrung in der Aufnahme. Inzwischen allerdings stehen auch APS mit Global Shutter zur Verfügung, so dass diese auch für die Aufnahme schneller Objekte geeignet sind.
Seit den ersten digitalen Foto- und Videoaufnahmen spielen Farbwiedergabe und Auflösung eine bedeutende Rolle. Bei der Farbwiedergabe dominieren heute Sensoren mit einem sogenannten Bayer-Filter: Die gesamte Sensoroberfläche ist mosaikartig mit Farbfiltern überzogen, und zwar zu 50 Prozent für grüne und zu je 25 Prozent für rote und blaue Lichtanteile. Aus der Gesamtheit der Farbeindrücke errechnen nachgeschaltete Prozessoren das farbige Abbild, und zwar durch Interpolation der Farbwerte benachbarter Pixel. Dies führt allerdings bei geringen Sensorauflösungen zu mehr oder weniger Artefakten. Eine deutliche bessere Detailschärfe bieten daher monochrome Sensoren, da hier nur die Helligkeitswerte eine Rolle spielen.
Hinsichtlich der Auflösung entwickelten sich APS im Lauf der Jahre vom VGA-Format mit 0,3 Megapixel über UHD 8K mit 33 Megapixel bis zum 200-Megapixel-Riesen. Gängige Auflösungen, vor allem für industrielle Einsatzzwecke, sind allerdings HD-Sensoren mit 0,9 oder 2 Megapixel beziehungsweise den Videoformaten 720p und 1080p.
APS in HD-Auflösung sind aufgrund der millionenfachen Fertigung für Mobiltelefone inzwischen sehr preiswert zu haben – im Gegensatz zu Sensoren jenseits von etwa 8 Megapixel, wie sie zum Beispiel in digitalen Kameras im Einsatz sind. Ein weiterer wichtiger Unterschied: HD-CMOS-Sensoren sind in der Regel bereits mit einem Gehäuse inklusive der zur zum Sensor passenden Optik ausgestattet und fertig bedrahtet, es handelt sich somit um komplette CMOS-Kameramodule. Multi-Megapixel-Sensoren bestehen dagegen üblicherweise nur aus der lichtempfindlichen Fläche und den darunter liegenden Transistoren, gleichen äußerlich einem Mikrochip und erfordern teilweise erhebliche technische Maßnahmen zum Auslesen und Verarbeiten der Daten.
Für die industrielle Bildverarbeitung und zur Prozessüberwachung lassen sich theoretisch zwar auch einfache CMOS-Sensoren in HD-Auflösung verwenden, in vielen Fällen wirken sich aber die kleinen lichtschwachen Weitwinkel-Linsen und deren Fixfokus-Brennweite – die Aufnahme ist durchgängig scharf – nachteilig auf die Bildqualität aus.
Optimal sind größere Sensor-Module mit wechsel- oder zumindest einstellbaren Objektiven, die aber dennoch über eine rudimentäre Kamera-Elektronik zum Auslesen der Sensordaten verfügen. Je nach Einsatzzweck sollten die Module per Software konfiguriert werden können, beispielsweise zur Bewegungserkennung oder zum Dekodieren von Barcodes. Immer wichtiger werden auch die Objekterkennung auf der Basis von künstlicher Intelligenz sowie hohe Bildraten bei Videoaufnahmen.
Neben fertig konfektionierter Hardware aus Sensor, Optik und Elektronik gibt es auch CMOS-Module für den direkten Anschluss an Mikrocontroller wie den ESP32 oder an Plattformen wie Arduino und Raspberrry Pi. Die individuelle Programmierung des Moduls ist damit relativ einfach.
Wichtig ist in diesem Zusammenhang die bedarfsgerechte Ausführung des Gehäuses. Sie muss unter Umständen der Umgebung angepasst sein, zum Beispiel beim Spritzschutz oder gegenüber Vibrationen und Temperaturen.