Die einen Hersteller von Lesesystemen schwören auf Matrix Sensoren mit CMOS Technologie, die anderen bevorzugen CCD Linien Sensoren. Doch wo liegen die Unterschiede in der Technologie und im Einsatz? Gut auf jeden Fall, wenn man – wie SICK – beides im Produktprogramm hat.

>> Ob Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) oder Charge Coupled Device (CCD) – beides sind integrierte Schaltkreise, die Lichtinformationen in Ladungen umwandeln. Für die Identifikationstechnik wichtige Unterschiede liegen in der Erzeugung der 2. Dimension, der Auflösung, der Empfindlichkeit, der Beleuchtungstechnik, der Bildvorverarbeitung sowie in den Kosten.

2.Dimension – Vorteile für CMOS Matrix

Bei CMOS-Matrixsensoren, wie sie im Code-Scanner ICR840 eingesetzt werden, ist die 2. Dimension „automatisch“ und verzerrungsfrei durch den Sensor vorgegeben. Unterschiedliche Bildformate sind – je nach Typ z. B. in einem Mobiltelefon, in einer Digitalkamera oder in einem Code-Scanner – möglich. Darüber hinaus können gezielt Bildausschnitte ausgewertet werden, da sich Bildbereiche auf dem CMOS-Chip direkt adressieren und auslesen lassen. CCD-Zeilensensoren wie im ICR850 müssen die 2. Dimension über die Bewegung erzeugen – entweder die eigene oder die des Objektes. Das so erzeugte Bild kann zwar – abhängig von der Speicherkapazität und Rechenleistung – nahezu beliebig groß sein, eine teilweise Adressierung der Pixel ist aber nicht möglich, da der CCD-Chip immer komplett ausgelesen werden muss. Zudem besteht die Gefahr von Verzerrungen des Bildes, wenn Parameter wie Objektgeschwindigkeit oder Scanfrequenz unzureichend parametriert sind oder sich das Objekt bzw. der Scanner nicht gleichförmig bewegen.

Auflösung, Schärfentiefe, Schnelligkeit: Punkte für beide

Bei CCD-Zeilensensoren kann die Pixelanzahl in Zeilenrichtung – und damit die Auflösung wesentlich größer sein als bei Matrixsensoren – z. B. Faktor 2 zwischen ICR850 und ICR840 und Faktor 3 zu einem Standard VGA Chip mit 640 x 480 Pixeln. Aufgrund der geringeren Brennweite des CMOS-Scanners kann eine deutlich höhere Schärfentiefe erzielt werden. Mit der CCD-Zeile können andererseits sehr hohe Scanfrequenzen erreicht werden, so z. B. 45 kHz bei ICR855 high speed.

Vom Zusammenhang von Pixelfläche und Empfindlichkeit

Das CCD-Zeilensystem des ICR850 ist lichtempfindlicher als ein CMOS-Sensor. Der Grund: Die Pixelfläche des ICR850 Zeilensensors ist sieben mal größer als z. B. die CMOS-Pixelfläche
des ICR840. Die intensive, zeilenförmige Beleuchtung ermöglicht es, die Codeinformationen ohne Beeinflussung durch Fremdlicht zu erfassen. CMOS-Matrixsensoren weisen demgegenüber technologiebedingt eine geringere Lichtempfindlichkeit auf. Zudem muss eine vielfach höhere Anzahl an Pixeln beleuchtet werden. Zum Vergleich: das Bildfeld des ICR850 hat 2.048 Pixel, das des ICR840 1,3 Megapixel.

CMOS erlaubt Bildbegrenzung

Bei CMOS-Sensoren ist es durch die direkte Adressierbarkeit von Bildbereichen auf dem Chip möglich, applikationsabhängig eine ROI, eine Region Of Interest, zu definieren und nur diesen Bereich auszulesen und weiter zu verarbeiten. Dies vermindert zum einen die Anzahl der auszuwertenden Pixelinformationen, zum andern kann dieses Verfahren dazu benutzt werden, gezielt die Bildfrequenz zu erhöhen. Wird z. B. eine Standard VGA Auflösung eingestellt, so erhöht sich die Bildfrequenz von 25 auf 60 Hz.

CCD „bietet Endlosbild“

Dies ist bei einer CCD-Zeile nicht möglich – dafür bietet diese Technologie den Vorteil des „Endlosbildes“. So besitzt der ICR850 einen Bildspeicher für 4.000 Zeilen, der sich permanent fortschreibt und sich wie ein ‚ großes Fenster‘ Zeile für Zeile über das Objekt schiebt. Dadurch können z. B. 2D-Codes auf einem Objekt unabhängig vom Anbringungsort gefunden und identifiziert werden. Der Leser kann auf das Objekt getriggert werden. Bei höheren Geschwindigkeiten ist dies bei CMOS u. U. problematisch. Da hier „nur“ mit einer Bildwiederholrate von 25 Hz gearbeitet wird, kann es bei schnellen Prozessen passieren, dass ein Code auf einem Bild noch nicht und auf dem nächsten Bild nicht mehr erfasst wird. Hier muss dann der Trigger genau auf den Code eingestellt werden, was
wiederum etwas aufwändigere Sensorik und Ansteuerung erfordert.

Kostenvorteile treiben CMOS-Technologie

Hinsichtlich der Ansteuerung des Sensors, der Erzeugung der geeigneten Beleuchtung und der Justage von Sensor und Beleuchtung ist die CCD-Zeilentechnologie deutlich teurer in der Herstellung. Die Einbindung und Steuerung von CMOS-Sensoren ist einfacher und preiswerter. Auch wenn die CCD-Zeilentechnik vielerorts ihre Berechtigung hat, ist CMOS auch aus Kostengründen eindeutig die Technologie mit Zukunft.

SICK wird sich in Zukunft verstärkt mit der innovativen CMOS-Technologie beschäftigen. Gleichzeitig werden die Vorteile, die die CCD-Zeilentechnik bietet, weiterhin genutzt und ausgebaut, um für die unterschiedlichen Anforderungen die jeweils beste technische Lösung anbieten zu können.