Bildsensoren für extreme Temperaturen

  • 03. September 2010

Ein neuartiger CMOS-Chip funktioniert sogar bei 115 Grad Celsius.

Immer mehr Automobilhersteller statten ihre Fahrzeuge mit Bildsensoren aus – etwa um Fußgänger, Fahrzeuge im toten Winkel und Bordsteine für elektronische Einparkhilfen zu erkennen. Die Sensoren müssen auch bei extrem hohen Temperaturen und in gleißendem Sonnenlicht funktionieren. Sind sie etwa hinter dem Rückspiegel oder auf dem Armaturenbrett angebracht, kann es sehr heiß werden. Einen CMOS-Bildsensor (Complementary Metal Oxide Semiconductor), der Umgebungstemperaturen von -40 bis +115 Grad Celsius standhält, hat das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg im Auftrag eines Industriekunden entwickelt.

Abb.: Der CMOS-Sensor lässt sich direkt an einen elektronischen Bildverstärker anschließen. (Bild: Fraunhofer IMS)

Bislang erhältliche CCD-Bildsensoren (Charged-Coupled Device) versagen ab etwa 60 Grad. »Unser Chip ist nicht nur hitzebeständig, er funktioniert selbst bei arktischen Temperaturen«, sagt Werner Brockherde, Abteilungsleiter am IMS. Den Forschern ist es gelungen, Pixel zu entwickeln, die einen extrem niedrigen Dunkelstrom aufweisen. Dieser Rest-Strom, der bei vollständiger Dunkelheit fl ießt, ermöglicht selbst bei großer Hitze qualitativ sehr gute Aufnahmen. »Einen niedrigen Dunkelstrom zu erzielen, war keine leichte Aufgabe. Erhöht sich die Temperatur um acht Grad, so verdoppelt das den Dunkelstrom. Bildrauschen und reduzierte Dynamik sind die Folge. Geisterbilder entstehen, die sich in Form von Artefakten oder fl ächigen Abbildungen störend auf dem Bild bemerkbar machen«, erläutert Brockherde.

Eine weitere Besonderheit des Sensors ist seine Bildgröße: 2,5 x 2,5 Zentimeter. Der Vorteil: Für spezielle Anwendungen mit schwacher Beleuchtung oder für Aufnahmen im Infrarot- oder UV-Bereich kann man den Sensor direkt an einen elektronischen Bildverstärker anschließen. Der Sensor löst mit 256 x 256 Pixeln auf. Sein hoher Dynamikbereich beziehungsweise Belichtungsspielraum von 90 Dezibel sorgt für erhöhten Kontrastumfang und optimierte Detailgenauigkeit sowohl in Schatten- als auch in sehr hellen Bereichen. Lichtnuancen werden präzise wiedergegeben. Der Bildsensor reagiert selbst bei schwachen Lichtverhältnissen mit hoher Empfindlichkeit. Er eignet sich daher auch für Nachtsichtgeräte.

Darüber hinaus unterstützt der Chip sowohl Kameras mit Synchron- als auch mit Asynchron-Verschluss: Der synchrone Verschluss verhindert Bewegungsartefakte, etwa beim Aufnehmen von schnellen Bewegungen. Die Bewegungsunschärfe wird reduziert. Der Schlitzverschluss hingegen erlaubt eine höhere Bildrate und kontinuierliche Bildaufnahme. Der Effekt: Das Bildrauschen wird minimiert. »Wir haben den Sensor in einem Standardprozess mit 0,5 Mikrometer CMOS-Technologie in unserer eigenen Halbleiterfabrik hergestellt. Für Industriekunden fertigen wir hier auch Sonderbauelemente«, sagt Brockherde.

Neben dem Automobilsektor hat er noch weitere Märkte im Blick: »Unser Chip eignet sich auch für den Einsatz in Produktionsanlagen der chemischen oder der Stahlindustrie, wo er zur Prozess- und Qualitätskontrolle verwendet werden kann. Beispielsweise herrschen in einer Walzstraße, wo Bleche gepresst werden, sehr hohe Temperaturen.«

Fraunhofer Gesellschaft/AL


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