Neue Bildsensoren trotzen hohen Temperaturen

Bis heute stellen tote Winkel eine ernste Gefahr für Autofahrer und andere Verkehrsteilnehmer dar. Trotz Schulterblicks kommt es immer wieder vor, dass während des Ein- und Ausparkens oder währende der Fahrt Hindernisse und leider auch Personen übersehen werden. Elektronische Einparksysteme und Fahrerassistenzsysteme können helfen, diese Gefahrenquellen zu vermeiden. 

Deshalb statten immer mehr Automobilhersteller ihre Fahrzeuge mit Bildsensoren aus – etwa um Fußgänger, Fahrzeuge im toten Winkel und Bordsteine für elektronische Einparkhilfen rechtzeitig zu erkennen. Die Sensoren müssen jedoch 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. Bislang beeinträchtigte das die Funktion der Sensoren unter Umständen erheblich.  

Das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg hat nun einen CMOS-Bildsensor (Complementary Metal Oxide Semiconductor) entwickelt, der Umgebungstemperaturen von -40 bis +115 Grad Celsius standhält. Herkömmliche CCD-Bildsensoren (Charged-Coupled Device) versagen ab etwa 60 Grad. „Unser Chip ist nicht nur hitzebeständig, er funktioniert selbst bei arktischen Temperaturen“, so Werner Brockherde, Abteilungsleiter am Fraunhofer-IMS.

Die neuen Sensoren besitzen Pixel mit einem extrem niedrigen Dunkelstrom. Dieser Rest-Strom, der bei vollständiger Dunkelheit fließt, ermöglicht selbst bei großer Hitze qualitativ hervorragende 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 flächigen Abbildungen störend auf dem Bild bemerkbar machen“, erläutert Brockherde.

Mit 2,5 x 2,5 Zentimeter verfügt der Bildsensor über eine ungewöhnliche Bildgröße. 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. 

Als Einsatzgebiete haben die Forscher nicht nur die Automobilindustrie im Blick. Daneben eignet er sich auch für Produktionsanlagen der chemischen oder Stahlindustrie. Dort kann er zur Prozess- und Qualitätskontrolle verwendet werden. Beispielsweise herrschen in einer Walzstraße zum Pressen von Blechen sehr hohe Temperaturen. Zu sehen ist der CMOS-Bildsensor auf der Messe Vision, die vom 9. bis 11. November 2010 in Stuttgart stattfindet (Stand 6 D12).