Was hat es eigentlich genau mit Sonys Exmor Technologie auf sich?

Ein persönliches CMOS-Tutorial von FRAMOSianer Darren Bessette

Als mir zu Ohren kam, dass Sony seine CCD-Sensorreihe einstellen wird, war ich genauso überrascht wie alle. Seit ich 2003 den ICX205-Sensor zum ersten Mal sah, war ich immer ein großer Fan der Sony CCDs. Die kürzliche Einführung ihrer EXview HAD II-Technologie begeisterte mich noch mehr und ich war überzeugt, das Sony die CCD-Technologie auf ein ganz neues Level bringen würde.

Aufgrund der CCD-End of Life Ankündigung stellten sich mir viele Fragen zur CMOS-Produktreihe von Sony. Wie können sie für den Ersatz der Sony CCD-Sensoren verwendet werden können, die zurzeit im Einsatz sind? Eine der wichtigsten Fragen überhaupt ist: „Wie funktioniert die Exmor-Technologie von Sony?“

Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung der Exmor-Technologie und erläutert einige ihrer Vorteile. Er wird Sie bei der Entscheidung unterstützen, wie Sie Ihr aktuelles CCD-Design auf einen Sony Exmor CMOS-Sensor umrüsten können.

Exmor – 1. Generation

Die erste Generation der Exmor-Technologie war eine Revolution in der CMOS-Pixelarchitektur. Die herkömmliche CMOS-Architektur rauschte sehr stark. Die Art und Weise wie der Sensor die analogen Pixeldaten innerhalb des Chips zur Digitalisierung transportierte, verursachte ein großes Maß an Störungen. Die Entwickler von Sony untersuchten dieses Design und nutzten ihre Erfahrungen im CCD-Bereich, um dem Rauschen entgegenzuwirken. So wurde der Grundstein für die Exmor-Technologie gelegt.

Abbildung 1: Herkömmliche und Exmor-Sensorstrukturen

Durch die frühe Digitalisierung von Pixeldaten im Transferprozess, wie in Abbildung 1 beschrieben, konnte das Rauschen, das beim Transport der Bilddaten durch den Sensor zusätzlich entsteht, erheblich minimiert werden. Die digitalen Daten können mit sehr hohen Geschwindigkeiten durch den Sensor transportiert werden, ohne dass die Gefahr von erhöhtem Rauschen besteht. Um das Rauschverhalten des Sensors weiter zu optimieren, verwendeten Sie auf beiden Seiten der A/D-Wandlung eine korrelierte Doppelabtastung (CDS, Correlated Double Sampling), um das Signalrauschen auszulöschen und somit die Genauigkeit der digitalisierten Daten sicherzustellen.

Das Silizium des Sensors ist für frontseitige Belichtung (FSI, Front Side Illumination) ausgelegt und verwendet über der Pixelarchitektur verlaufende Aluminiumbahnen, um die Daten und Signale durch den Sensor zu führen. Die Metalldrähte und Transistoren wurden oben auf dem lichtempfindlichen Siliziumsubstrat aufgebracht, wo sich die Pixel befinden, und absorbieren die Photonen, um sie in Elektronen umzusetzen. So wurden CMOS-Sensoren der ersten Generation hergestellt. Dies ist einer der Bereiche, der sich bis heute geändert hat.

Exmor – 2. & 3. Generation

In der zweiten und dritten Generation der Exmor-Technologie konzentrierte Sony sich auf die Tiefenreduktion von Metalldraht- und Transistorstrukturen auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats, die die einzelnen lichtempfindlichen Pixel darstellen. Der erste große Schritt bestand darin, die Aluminium-Metallverdrahtung durch eine dünnere Kupferverdrahtung zu ersetzen. Dies verringerte die Tiefe von der Rückseite der Mikrolinse zur Oberfläche des Siliziumsubstrats um 40 %. Im nächsten großen Schritt wurde die Dicke der Kupferverdrahtung und Transistoren weiter reduziert, was eine zusätzliche, in Abbildung 2 dargestellte Tiefenverringerung um 22 % ermöglichte.

Abbildung 2: Entwicklung der Exmor-Pixelarchitektur

Diese Verkleinerung der Metallverdrahtung und der Transistorstruktur war sehr förderlich, da sie die Lichtempfindlichkeit der Sensoren dieser Technologien im Vergleich zu Ihren Vorgängern stark verbesserte. In der Vergangenheit wurden Photonen, die in steilen Winkeln oder mit kurzen Wellenlängen (blau-grünes Spektrum) eintrafen, entweder von der Metallverdrahtung reflektiert oder im Bereich der Transistoren gestreut und konnten daher nicht vom Siliziumsubstrat erfasst und gemessen werden. Die Reduktion dieser Tiefe erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass eintreffende Photonen die Pixel erreichen und vom Sensor korrekt erfasst werden. Somit werden die Sensoren für das gesamte sichtbare Licht, insbesondere aber gegenüber dem blauen und grünen Spektrum empfindlicher, was wiederum die Kombination mit einer größeren Auswahl an Optiken ermöglicht.

Exmor – 4. Generation

Seit längerem war bekannt, dass CMOS-Sensoren im Nah-Infrarotbereich (NIR) sehr leistungsfähig im Vergleich zu CCDs sind. Aufgrund kleiner Pixelgrößen und verrauschtem Sensor-Design war ihre Empfindlichkeit jedoch begrenzt. Da das Problem der Pixel bzw. des Sensorrauschens mit der ersten Generation der Exmor-Technologie eliminiert wurde, lag es auf der Hand, dass die vierte Generation der Exmor-Technologie die NIR-Empfindlichkeit erhöhen würde und mit tieferen Pixeln die längeren Wellenlängen besser erfassbar zu machen. Tiefere Pixel ermöglichen nicht nur einen größeren möglichen Dynamikbereich (d. h. die Pixel können mehr Daten in Elektronen erfassen und halten, bevor sie gesättigt sind), sondern sie erhöhen auch die Wahrscheinlichkeit, mit der Photonen im höheren Wellenlängen- bis zum NIR-Bereich erfasst werden. Sensoren der 4. Generation profitieren im NIR-Wellenlängenbereich zwischen 800 und 1200 nm von einem besseren Quantenwirkungsgrad (QE, Quantum Efficiency). Außerdem werden ihre Pixelwerte mit höheren Bittiefen digitalisiert. Diese beiden Verbesserungen waren das Ergebnis der erhöhten Pixeltiefe.

Exmor R – 5. Generation (Der Durchbruch)

Die Einführung der Exmor R-Technologie markiert den Punkt, ab dem die CMOS-Technologie in fast jeder Bildverarbeitungsanwendung zur ernsthaften Konkurrenz für CCDs wurde. Der größte Vorteil, den dieser technische Fortschritt mit sich brachte, war der Wechsel von FSI- zu BSI-Pixeln (frontseitige Belichtung vs. rückseitige Belichtung, Back Side Illumination). Dabei stellten die Entwickler von Sony die Siliziumkonstruktion des Sensors buchstäblich auf den Kopf. Die Mikrolinsen und die Farbfilteranordnung (CFA, Color Filter Array) des Sensors befinden sich nun auf der Oberseite des Siliziumsubstrats, d. h. auf der lichtempfindlichen Fläche des Sensors, während sich die nicht lichtempfindliche Elektronik wie Transistoren und die Metallverdrahtung auf der Rückseite des Siliziumsubstrats befindet, wie in Abbildung 3 gezeigt.

Abbildung 3: Exmor R- vs. RS-Pixelarchitektur

Dieser neue Konstruktionsaufbau bedeutet eine erhebliche Verbesserung des Anspracheverhaltens und der Empfindlichkeit dieser Sensoren. Zwei wesentliche Gründe, warum diese Konstruktionsänderung die Leistung der Sensoren erhöht, sind folgende: Wie zuvor erwähnt, werden kürzere Wellenlängen möglicherweise nicht erfasst, wenn sie das Pixel nicht erreichen und somit kein Elektron erzeugen. Da die für Photonen unempfindlichen Teile nun aus dem Weg geräumt sind, trifft das zuvor nicht erfasste oder aus dem Sensor reflektierte Licht nun auf die Pixel, was diese in lichtarmen Umgebungen empfindlicher macht (siehe Abbildung 4).

Außerdem trifft in steilen Winkeln auftreffendes Licht nun auf den empfindlichen Sensorbereich, während es zuvor u. U. zu einem anderen Bereich des Sensor gebeugt wurde. Dies ist insbesondere für Farbsensoren wichtig, da es die Auswirkungen von Farbübersprüngen minimiert, wenn beispielsweise rotes Licht zu einem nahe gelegenen grünen oder blauen Pixel gebeugt wird. Letztendlich ermöglicht dies eine erheblich bessere Farbtreue, ohne dass eine umfangreiche Nachbearbeitung des Farbverhaltens in den erfassten Bildern erforderlich ist.

Abbildung 4: FIS- vs. BIS-Pixelstruktur

Exmor RS – 6. Generation

Als Sony seine ersten Sensoren mit der Exmor R-Technologie entwickelte, basierten diese auf der Pixeltiefe der dritten Generation. Obwohl diese Sensoren eine erhebliche Verbesserung der Empfindlichkeit und Eigenschaften im sichtbaren Spektrum markierten, reichte ihre Leistung im NIR-Spektrum nicht an die der Exmor-Sensoren aus der vierten Generation heran. Die Exmor RS-Technologie wirkt dieser Einschränkung mit einer größeren Pixeltiefe entgegen, während alle anderen verbesserten Eigenschaften, die mit Exmor R eingeführt wurden, beibehalten wurden (siehe Abbildung 4).

Eine weitere Änderung ist die Positionierung der zugehörigen Schaltkreise unter dem Siliziumsubstrat, die zuvor daneben angeordnet waren. Dies erhöht den Füllfaktor der Pixel um ca. 80-100 % erheblich, was für noch mehr Empfindlichkeit und gutes Anspracheverhalten bei geringerem Pixelabstand sorgt. Typische CMOS-Sensoren haben einen Füllfaktor von 20 bis 50 % und sind zur Erhöhung der Pixelempfindlichkeit auf die Mikrolinsen angewiesen. In der RS Sensortechnologie kommt eine gestapelte Pixelarchitektur wie in Abbildung 5 gezeigt zum Einsatz, was die Unterbringung von Sensoren mit höherer Auflösung in kleineren Bauformen ermöglicht. Daraus folgt, dass diese Sensoren viel kleinere und weniger komplizierte Optiken nutzen können, was ihren Einbau in Geräten wie z.B. modernen Mobiltelefonen kostengünstiger macht.

Abbildung 5: Pixel-Füllfaktor des neuen Exmor RS im Vergleich zu früheren Generationen

Was bedeutet das für Sie?

Mit der neuesten Generation der Exmor-Technologien haben Entwickler von Kameras und Bildverarbeitungssystemen nun die Möglichkeit, in ihren Projekten kostengünstigere CMOS-Sensoren zu verwenden, die im Vergleich zu CCD-basierten Anwendungen auch leichter zu integrieren sind. Die Empfindlichkeit und das Anspracheverhalten können es mittlerweile mit vielen CCDs aufnehmen und die einfache Integration machen sie zur idealen Wahl für weniger erfahrene Techniker. Die geringeren Kosten der Exmor Technologie können erfahrenen Technikern dabei helfen, ihre Kostenvorgaben bei bestehenden oder neuen Anwendungen besser zu erreichen. Mit den neuesten Exmor R- und RS-basierten Sensoren muss aus Kostengründen nicht mehr auf Leistung verzichtet werden.

 

Darren Bessette, Engineering Services Manager bei FRAMOS Technologies Inc.

Darren Bessette hat über 15 Jahre Erfahrung in der Entwicklung, Produktion und Unterstützung von Bildverarbeitungslösungen. Seine Erfahrung umfasst alle Aspekte der Bildverarbeitung, einschließlich Software und Hardware-Design, Bildquantifizierung, Kalibrierung, Verarbeitung, Optik und Beleuchtung.