10/07/2015
Door Liam van Koert
Lange tijd was het een hevige discussie in machinevision. CMOS of CCD? Begrijpelijk, want beide technologieën hebben hun sterke en zwakke punten. Maar de aankondiging van elektronicagigant Sony te gaan stoppen met de productie van CCD-sensoren is misschien toch een teken aan de wand. Zij zien er blijkbaar geen brood meer in. Ja, de CCD levert nog steeds een goede kwaliteit, maar de ooit significante voorsprong is door de CMOS meer dan ingelopen. Dat geldt helaas niet voor het prijsverschil.
De mededeling van Sony om in maart 2017 met de productie van CCD-sensoren te stoppen kwam niet echt als een verrassing. Al langer deden geruchten in de visionwandelgangen de ronde dat de CCD-sensor op termijn onhoudbaar zou zijn - helemaal voor producenten als Sony, die het van grotere volumes moeten hebben. Nu is de termijn voor wat betreft de grote aantallen dus bekend. Vijf jaar. Want Sony geeft ook aan tot in 2020 CCD-sensoren te blijven leveren. Aangezien de economische levensduur van een machinevisionsysteem zelden meer dan vijf jaar bedraagt, is er dus geen reden voor paniek. Sterker nog, misschien is nieuws dat Sony capaciteit vrijmaakt om aan de nog steeds explosief groeiende CMOS-vraag te kunnen voldoen een geruststellende gedachte.
Beeldsensortechniek
In een korte nabeschouwing van de jarenlange strijd tussen twee religies - discussies over CCD en CMOS liepen soms zo hoog op dat het soms wat weg had van een strijd tussen evangelisten en hun geloofsovertuiging - kan een stukje basisuitleg over de technologie niet ontbreken. Hoe werkt een beeldsensor eigenlijk? Een beeldsensor dankt zijn werking aan het foto-elektrische effect: in een halfgeleider wordt licht omgezet in een elektrisch lading, wat vervolgens een elektrisch signaal oplevert. Dit is het geval voor zowel CCD- als CMOS-sensoren. In een CCD-sensor wordt de lading van elke transistor en dus pixel aan de buurman doorgegeven, om vervolgens bij één output terecht te komen. Hier wordt de lading in een voltage omgezet, gebufferd en als analoog signaal naar buiten gestuurd. De architectuur zorgt ervoor dat de pixel zich ‘volledig kan toeleggen’ op het vastleggen van licht, wat een grote uniformiteit van de output tot gevolg heeft (een belangrijke parameter voor beeldkwaliteit). In een CMOS-sensor heeft elke pixel zijn eigen lading-naar-voltage omzetting. Bovendien wordt dit pixelsignaal vaak ter plekke versterkt, vindt er ruisonderdrukking plaats en wordt alles omgezet in bits. De output van een CMOS is dan ook digitaal. Al deze functies zijn bijzonder nuttig, maar gaan wel ten koste van het lichtgevoelige oppervlak. Bovendien is de uniformiteit door een veelvoud aan ‘convertors’ lager, maar is er wel veel parallelle rekenkracht beschikbaar wat grotere bandbreedtes en hogere snelheden mogelijk maakt.
Klassieke verschillen overbrugd
De afwijkende architecturen hebben naast bovengenoemde verschillen elk hun eigen sterktes en zwaktes. Traditioneel was de CCD de kampioen als het ging om beeldkwaliteit. Dit kwam enerzijds omdat de enkele analoge output niet alleen een hogere lichtopbrengst per oppervlakte opbrengt, maar ook minder vervorming. Ook het productieproces van CCD had men destijds veel beter in de vingers dan dat voor CMOS (lithografie), al was het maar door het feit dat CMOS een veel groter aantal schakelingen behoefde dan destijds op een siliconen wafer kon worden aangebracht.
Onder invloed van de wet van Moore kon in de jaren negentig echter weer een pleidooi voor CMOS-technologie gedaan worden. CMOS had de belofte veel energiezuiniger te zijn, camera-on-chip integratie mogelijk te maken en veel goedkoper te zijn doordat inmiddels de mainstream chipfabrikanten en masse in lithografie investeerden voor meer rekenkracht en geheugen. Uiteindelijk heeft het langer geduurd dan de eerste voorspellingen, maar de beloften zijn wel ingelost. Ja, CMOS is veel energiezuiniger, de prijs is aanzienlijk gedaald en kwaliteit is een non-issue geworden. De respons (de hoeveelheid signaal per lichthoeveelheid) van CMOS was al beter. Voor wat betreft dynamisch bereik is CMOS meer dan langszij gekomen, wat dankzij nieuwe versterkers ook geldt voor uniformiteit. En waar vroeger het voor CMOS gebruikelijke ‘rolling shutter’ principe kon zorgen voor een bewogen beeld, kan ook CMOS tegenwoordig worden uitgerust met een zogenoemde ‘global shutter’. Hierbij wordt de ‘residu-lading’ van elke pixel gelijktijdig verwijderd, zodat er bij elk beeld als het ware met een schone lei wordt begonnen. Blooming - afwijkingen door lokale overbelichting - was altijd al een exclusief CCD-probleem, waarvoor weliswaar anti-blooming features geëngineerd kunnen worden, maar die wel bijdragen aan een nog hogere kostprijs. En als we het tot slot over framerates hebben - een niet onbelangrijke machinevision grootheid, was CMOS al de kampioen doordat specifieke functies al in de sensor kunnen worden ‘meegebakken’ en ook functies als windowing mogelijk zijn - het uitlezen van een kleiner deel van de sensor om de framerate nog verder op te krikken. Tot slot een opmerking over defecte pixels. De kans hierop was gezien de uitgebreide schakelingen per pixel groter bij CMOS dan bij CCD. Maar ook hier heeft een toegenomen productiekwaliteit zijn invloed gehad.
De ’bottom line’
Vooral de enorme investeringen in de productie van smartphonecamera’s blijken debet te zijn aan het uitsterven van CCD in machinevision, area- en linescantoepassingen. Hoge snelheid met zo min mogelijk ruis zijn in deze marktsegmenten nu eenmaal de belangrijkste drivers. En omdat automatiseren met vision vaak ook een kostenkwestie is, geldt dat uiteraard ook voor de sensorprijs. Hier gelden dezelfde economische wetmatigheden als bij andere producten: hoe hoger het volume, des te meer de prijs omlaag kan. En omdat er nogal wat CMOS-productiecapaciteit in de wereld aanwezig is, lijkt ook het economische argument voor CMOS snel gemaakt. We hebben het dan echter wel over standaard sensoren. Want wie een eigen ontwerp wil, heeft met meer dingen rekening te houden. Zo kan de engineering van een CMOS ingewikkelder en tijdrovender zijn. Dat betekent dus ook duurder. En ook de productiemethode op zichzelf kan bij lage volumes juist duurder zijn dan die van CCD. Waar dit omslagpunt ligt, is per applicatie verschillend. Het is dan de vraag hoeveel waarde de maatgemaakte visiontechnologie toevoegt en wat het uiteindelijke productievolume wordt.
Nichetoepassingen
Natuurlijk is er meer onder de machinevisionzon dan standaard area- en lijnscancamera’s. In het nabij infrarode gebied bijvoorbeeld. Zoals gezegd profiteert CMOS vooral van de productie op grote schaal van smartphonecamera’s. Deze houden zich voornamelijk bezig met het zichtbare deel van het lichtspectrum. Maar voor het inspecteren van zonnecellen is een NIR-sensor nodig die een dikkere absorptielaag heeft. Met CCD zijn laagdiktes tot 100 micron mogelijk. Maar standaard CMOS-productietechnieken zijn hiervoor niet geschikt (absorptielagen zijn hier 5 tot 10 micron). Sterker nog, de standaard CMOS wil zo min mogelijk infrarood zien. Tel hierbij op dat CCD’s een grotere lichtgevoeligheid hebben en de voorkeur voor NIR-toepassingen is duidelijk.
Voor ultraviolet geldt een vergelijkbare redenering. Hier is alleen een zo dun mogelijke absorptielaag nodig. Voor moderne uv-sensoren betekent dit geen nitride- of oxidelagen, maar een verdunde achterzijde (geen global shutter mogelijk) met slechts een zeer dunne topcoating. Bovendien is er een speciale oppervlaktebehandeling nodig voor een stabiele uv-respons. Deze extra behandelingen gelden zowel voor CMOS als CCD, zodat het erg van de toepassing afhangt of CMOS of CCD de beste keuze is.
Een laatste machinevisiontoepassing waar CMOS niet de vanzelfsprekende kampioen is, is het gebruik van zogenoemde TDI-camera’s. Time Delay & Integration camera’s lijken erg op lijnscancamera’s, maar zijn uitgerust met honderden beeldlijnen. Wanneer een object voorbij komt, schiet elke lijn een beeld van het object. Dit principe is vooral nuttig wanneer er een zwak signaal is omdat de verschillende beeldlijnen bij elkaar kunnen worden opgeteld voor een sterker signaal. Natuurlijk moeten de beeldlijnen wel met de beweging van het object worden gesynchroniseerd. Voor het optellen van de verschillende lijnsignalen gebruikt een CCD-sensor lading en een CMOS momenteel een voltage. Voor de CCD levert dit nauwelijks ruis, maar wel voor de CMOS. Nu is het voor CMOS mogelijk om ‘lading’ per pixel te emuleren. Maar dat vergt wel de nodige aanpassingen en is een (te) dure aangelegenheid.
Conclusie
Luidt het stoppen van Sony met de productie van CCD-sensoren het begin van het einde in? Jein. Sony is niet de enige fabrikant van CCD-sensoren en er zullen altijd toepassingen te vinden zijn waar op technische en/of economische gronden CCD de voorkeur heeft. Tegelijkertijd raast de standaard CMOS-trein voort en blijft deze aan terrein winnen. Totdat compleet nieuwe technologieën het stokje overnemen natuurlijk. Maar dat is weer een heel ander verhaal.