Bildsensoren Zusammenhänge, die bei der Auswahl einer geeigneten Kamera wichtig sind

Autor / Redakteur: Carola Schönrock* / Gerd Kucera

Entscheidend für das rasche Gelingen einer Applikation sind die angewandte Technik, die Schnelligkeit des Werkzeugs und der zielgerichtete Blick auf die Aufgabe. Wie lässt sich die bestmögliche Technik finden? Etwa bei den bildgebenden Sensoren bzw. Kameras. Ihre Eigenschaften als Messmittel sind Voraussetzung für gute Ergebnisse. Doch Kameradaten zu vergleichen ist nahezu unmöglich; das wissen Anwender wie Hersteller. Dieser Beitrag will zeigen, warum das so ist und auf was es ankommt.

Firmen zum Thema

Der Vergleich von Kameras anhand des Parameters Empfindlichkeit ist schwierig
Der Vergleich von Kameras anhand des Parameters Empfindlichkeit ist schwierig
( Archiv: Vogel Business Media )

Das Verhältnis zwischen einer Eingangsgröße und dem zugehörigen Ausgangswert ist in der Technik als Empfindlichkeit oder Sensibilität definiert. Was bedeutet das in der Bildverarbeitung für die CCD- oder CMOS-Bildsensoren respektive BV-Kameras? Anwender wie Hersteller haben gleichermaßen Probleme mit diesen Begriffen. Immer wieder entstehen Missverständnisse, weil es keine einheitliche Lesart gibt. Darum nennen Kamerahersteller keine entsprechenden Werte für ihre Produkte, die mit denen anderer Herstellern vergleichbar wären. Dieser Beitrag greift Begrifflichkeiten zum Thema Empfindlichkeit auf und erklärt die technischen Zusammenhänge.

Bei CCD-/CMOS-Bildsensoren entstehen aus den ankommenden Fotonen im Halbleitermaterial Elektronen, die dann in einer Fotodiode oder einem Fototransistor gesammelt werden. Jede Fotodiode oder jeder Fototransistor repräsentiert ein Pixel (Picture-Element). Beim Auslesen des Sensors wird diese Ladung entweder zu einem Ausgang geschoben und dort in eine Spannung gewandelt (CCD-Sensor) oder direkt adressiert und in eine Spannung gewandelt, die dann ausgelesen wird (CMOS-Sensor). Die Art des Auslesens des Sensors hat mit der Empfindlichkeit als solches nichts zu tun.

Bildergalerie

Das Halbleitermaterial für einen Bildsensor

Ein Bildsensor besteht aus einem Halbleitermaterial. In diesem Material werden durch unterschiedliche Dotierungen die Fotodioden/Fototransistoren erzeugt, also die Pixel gebildet. Ein in das Material eindringendes Foton setzt im Halbleitermaterial Elektronen aus einem Atom des Materials frei, die dann gesammelt werden. Damit das passiert, muss das Foton die richtige Energie haben, und die hängt vom jeweiligen Sensormaterial ab. Das Elektron wird aus der Elektronenhülle geschlagen. Diese Mindestenergie ist direkt mit der „Bandlücke“ des Halbleitermaterials verbunden. Andererseits darf die Energie des Fotons auch nicht zu hoch sein, dass es gleich an der Oberfläche des Sensors Elektronen erzeugt, die dann sofort wieder von den Atomen eingefangen werden (rekombinieren), bevor sie in den Fotodioden/Fototransistoren gesammelt werden können.

Daraus ergibt sich, dass ein Sensor nur in einem begrenzten Bereich lichtempfindlich ist und das dieser Bereich vom Material des Sensors abhängt. Das von den handelsüblichen Sensoren eingesetzte Material ist Silizium, welches eine Bandlücke von 1,1 eV (Elektronenvolt) hat. Ein Foton muss also eine Energie von mindestens 1,1 eV haben, um ein Elektron im Sensor freizusetzen (wird ein Elektron durch die elektrische Spannung von einem Volt beschleunigt, so gewinnt es eine Energie von einem Elektronenvolt).

(ID:300512)