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Die Zukunft von CCD-Bildsensoren: Das Ende einer Ära?

10. März 2015

Sony hat kürzlich seine Absicht angekündigt, seine 200 mm-CCD-Waferlinie im japanischen Kagoshima zu schließen und die Produktion des Großteils seiner industriellen CCD-Sensoren einzustellen. Mark Williamson, Director – Corporate Market Development von STEMMER IMAGING, erläutert die Auswirkungen dieser Entscheidung auf Bildverarbeitungsanwender und STEMMER IMAGING-Kunden.

Frage: CCD-Sensoren legten vor vielen Jahren den Grundstein für den Markt der Bildverarbeitung. Sony ist dabei der größte Lieferant von CCD-Sensoren. Was sind die Gründe für diese Entscheidung?

Mark Williamson: Vor der Entwicklung von CCD-Sensoren basierten Videokameras auf Röhrenverstärkern, die nur im freilaufenden Modus betrieben werden konnten und aus der Filmindustrie stammten. Mit dem Einsatz der CCD-Technologie wurde es möglich, spezielle Eigenschaften in Kameras zu integrieren und diese zu triggern, was die Synchronisierung mit einer Produktionslinie erlaubte. Dies schuf die Basis des explosiven Wachstums der industriellen Bildverarbeitung und führte zur Entwicklung dieser Branche, wie wir sie heute kennen.

In der industriellen Bildverarbeitung haben CCD-Sensoren von Sony zwar den höchsten Marktanteil, das breiteste Einsatzfeld für Bildsensoren liegt jedoch in deutlich größeren Märkten wie in Consumer-Kameras, in Mobiltelefonen, in Überwachungskameras im Security-Bereich oder in der Filmindustrie. Die Bedeutung der CCD-Technologie für die Menschheit wurde mit dem Nobelpreis in Physik im Jahr 2009 gewürdigt. In den vergangenen Jahren wurden in den genannten Märkten mit großem Volumen für Bildsensoren jedoch zunehmend CMOS-Sensoren eingesetzt. Dies hatte zur Folge, dass die Produktionslinien für CCD-Wafer trotz der vermeintlich hohen Stückzahlen für Bildverarbeitungssensoren deutlich unterhalb ihrer möglichen Auslastung liefen. Die Herstellung von CCDs ist aufgrund dieser Entwicklung nicht mehr rentabel.

CCD-Sensoren waren CMOS-Sensoren in der Vergangenheit in Bezug auf die Bildqualität überlegen. Wird die Entscheidung von Sony dazu führen, dass die Verfügbarkeit von Bildsensoren mit hoher Qualität sinkt?

Auf keinen Fall. Die CMOS-Technologie hatte lange den Ruf, eine geringere Bildqualität zu liefern, doch aktuelle CMOS-Sensoren übertreffen mittlerweile die Bildqualität von Sony-CCDs in Bezug das Rauschen und den Dynamikbereich. Zudem bieten sie zahlreiche weitere Vorteile wie ihre Geschwindigkeit, ihren geringen Energieverbrauch, das einfachere elektronische Design oder die Vermeidung von Tap Balancing und stellen somit die natürliche technische Weiterentwicklung dar. Die High-End-CCD-Sensoren von ON Semiconductor (früher Truesense und Kodak) und die Full-Frame-CCDs für die professionelle Fotografie von Teledyne DALSA sind weiterhin für High-End-Einsatzbereiche verfügbar, wobei CMOS-Sensoren dieses Marksegment im Lauf der Zeit sicher auch beeinflussen werden.

Gibt es noch weitere Vorteile von CMOS im Vergleich zur CCD-Technologie?

CMOS-Sensoren können auf herkömmlichen Standard-Wafer-Linien produziert werden. Aus technischer Sicht lassen sich die Sensoren und die darüber hinaus nötigen Bauelemente auf einer Plattform mischen, was das Kamera-Design vereinfacht und die Integration zusätzlicher Merkmale erlaubt. Mehrere „Regions of Interest“ sowie das lineare Einstellen der Bildrate über das Anpassen des Bildausschnitts erhöhen die Flexibilität in der Anwendung. Darüber hinaus führt ein hoher Dynamikbereich und eine verbesserte Ladungsabführung bei Übersättigung (Anti-Blooming) dazu, dass die Kameras toleranter gegenüber wechselnder Beleuchtung sind.

Wie ist aktuell das Verhältnis zwischen verkauften CCD-Kameras zu Kameras mit CMOS-Sensoren bei STEMMER IMAGING?

Im Jahr 2010 basierten 22 Prozent aller Kameras, die wir verkauft haben, auf CMOS-Sensoren. Diese Zahl ist im Jahr 2014 auf 58 Prozent gestiegen. 32 Prozent der verkauften Kameras verwendeten CCD-Sensoren von Sony, und der verbleibende Rest andere High-End-CCDs. Nachdem nahezu alle neuen Kamera-Designs auf CMOS-Technologie setzen lautet die Prognose, dass der Marktanteil von CMOS in vier Jahren bei rund 80 Prozent liegen wird.

Wie verändert die Entscheidung von Sony Ihrer Meinung nach diese Verhältnisse in Zukunft?

Sony hat die Schließung der CCD-Linie zwar jetzt verkündigt, doch die Produktion wird nicht vor 2017 enden und es wird je nach Sensormodell noch bis ins Jahr 2020 oder sogar darüber hinaus Lieferungen dieser CCD-Sensoren geben. Dieser Zeitplan entspricht dem natürlichen, fallenden Trend, der voraussichtlich anhalten und sich möglicherweise sogar noch beschleunigen wird. Durch das attraktive Preis-Leistungsverhältnis der neuen CMOS-Kameras werden neue Designs voraussichtlich sowieso auf CMOS-Technologie setzen.

Welche Pläne hat STEMMER IMAGING in Bezug auf die Ankündigung von Sony?

Während die Verfügbarkeit von Sony CCD-Sensoren bis auf wenige Ausnahmen bis 2026 gesichert ist, müssen Kamerahersteller ihren quantitativen Bedarf schon deutlich früher anmelden. Die Kamerahersteller wählen hier eventuell unterschiedliche Wege und werden sich Sensoren auf Lager legen oder ihre Kunden bitten, sich auf künftige Abnahmemengen festzulegen. STEMMER IMAGING arbeitet hier eng mit allen seinen Kameraherstellern zusammen, um deren Politik zu diesem Thema zu kennen und diese an unsere Kunden zu kommunizieren, falls sie Auswirkungen auf die Verfügbarkeit hat. Je nach Produkt-Lebenszyklus werden viele Kamera-Familien bis 2026 erhältlich sein.

Welchen Rat geben Sie Bildverarbeitungsintegratoren und –anwendern, die in der Vergangenheit CCD-Kameras eingesetzt haben?

Falls Sie ein OEM-Produkt herstellen, das auf einer CCD-Kamera basiert, sehen wir keinen dringenden Grund, die Kameraauswahl zu verändern. Falls ein Risiko besteht, dass Ihre spezifische Kamera abgekündigt wird, informieren wir Sie darüber in der Regel mit mindestens sechs Monaten Vorlauf im Rahmen unseres End of Life-Programms. Wenn Sie hingegen ein Produkt für eine neue Anwendung auswählen, empfehlen wir Ihnen den Einsatz einer Kamera mit CMOS-Sensor, da hier eine höhere Verfügbarkeit und ein besseres Preis-Leistungsverhältnis garantiert sind. Falls bestimmte CCD-Merkmale für Ihre Anwendung wichtig sind, gibt es immer noch CCD-Sensoren anderer Hersteller.

Wird Sony sich mit der Einstellung der CCD-Sensorproduktion aus der Bildverarbeitung zurückziehen?

Sony ist bereits seit einiger Zeit auch im Bereich der CMOS-Sensoren sehr innovativ und investiert erheblich in die Kapazitätserweiterung der eigenen CMOS-Wafer-Produktion. Das Unternehmen hat zudem seine erste CMOS-Sensorfamilie mit Global Shutter namens Pregius vorgestellt, die speziell für die Bedürfnisse der Bildverarbeitung entwickelt wurde. Das erste Modell dieser Reihe mit der Bezeichnung IMX174 ist bereits in einigen unserer Kameras im Einsatz und übertrifft die Leistung des vergleichbaren Sony CCD-Sensors. Sony hat eine klare Roadmap mit weiteren Modellen abgesteckt, so dass wir Sony-Sensoren in der Bildverarbeitung auch weiterhin sehen werden.

Welche weiteren Sensorhersteller bedienen den Bildverarbeitungsmarkt?

In den vergangenen 10 Jahren haben viele kleine Unternehmen CMOS-Bildsensoren vorgestellt, die für den Low-cost oder den Highspeed-Bereich entwickelte wurden, wo CCDs nicht konkurrenzfähig waren. In den letzten Jahren konnten sich einige dieser Firmen durch Innovation und Akquisition zu signifikanter Größe entwickeln. Sony war zwar der dominante Lieferant für CCD-Sensoren für die Bildverarbeitung, doch diese Dominanz gilt nicht für die CMOS-Technologie, für die es mehr Optionen am Markt gibt. Wesentliche Hersteller neben Sony sind ON Semiconductor, CMOSIS, e2v und Teledyne DALSA. Durch unsere enge Partnerschaft mit Teledyne DALSA haben wir dort einen gewissen Einfluss auf die Sensorstrategie und können wertvolle Anregungen unserer Kunden in die Entwicklung einfließen lassen.

Wie können Anwender bei dieser Vielzahl an Herstellern und Sensoren den Überblick behalten, welche Lösung für die eigene Anwendung die optimale ist?

Wie bei jedem Produkt haben die Designs der verschiedenen Hersteller ihre jeweiligen Vor- und Nachteile. STEMMER IMAGING verfügt über einen eigenen EMVA 1288-Kameratestplatz, der zur genauen Charakterisierung von Kameras und ihrer Sensoren dient und Aussagen ermöglicht, die über die Angaben im Datenblatt hinausgehen. In Verbindung mit unserem immensen Wissen über Sensor- und Kameratechnologien, dem Zugang zur größten Zahl an Kameraherstellern und wahrscheinlich auch zu allen relevanten Sensoren am Markt sind wir damit bestens aufgestellt, um unsere Kunden zu beraten, welche Sensoren und Kameras für ihre Applikation am besten geeignet sind. Wenn Sie den Schritt zur neuen Generation von CMOS-Sensoren gehen wollen, helfen wir Ihnen dabei gerne.