CMOS-Bildsensoren unter der Lupe

Hans Jürgen Wimberger und Gerd Reinwardt, Advantest, München

Insbesondere durch die zunehmende Verbreitung von Mobiltelefonen mit integrierten Digitalkameras wird über die nächsten Jahre ein starkes Wachstum bei Bildsensoren erwartet. Ein Großteil des Wachstums wird dabei auf die CMOS-Sensoren (Complementary Metal Oxide Semiconductor) entfallen, die gegenüber den CCD-Sensoren (Charge Coupled Device) eine ganze Reihe von Vorteilen bieten. So sind sie nicht nur deutlich kostengünstiger und weisen einen geringeren Stromverbrauch auf, sondern es lassen sich auf dem Sensorchip problemlos noch weitere Funktionen, wie beispielsweise die Signalverarbeitung integrieren. Bei CCD-Sensoren sind hierfür immer separate Chips erforderlich, was zu höheren Kosten und mehr Platzbedarf führt. Bereits in diesem Jahr sollen laut dem Marktforschungsunternehmen In-Stat/MDR daher erstmals mehr CMOS-Sensoren als CCD-Sensoren abgesetzt werden. Neben Mobiltelefonen mit integrierter Kamera gehören aber auch Digitalkameras, Videokameras und Webcams zu den Einsatzgebieten derartiger CMOS-Bildsensoren. Bei diesen Sensoren konnte über die letzten Jahre die Empfindlichkeit, Geschwindigkeit, Auflösung und der Rauschabstand deutlich verbessert werden, so dass sie hinsichtlich der Bildqualität den CCD-Sensoren mittlerweile praktisch ebenbürtig sind. Durch die höhere Leistungsfähigkeit der Sensoren und die zusätzlichen integrierten Funktionen sind aber auch die Anforderungen an den Produktionstest gestiegen. Besonders im Hinblick auf den stetigen Preisverfall werden von den Herstellern leistungsfähige Testlösungen gefordert, die durch kurze Testzeiten und einen parallelen Test mehrerer Bauteile einen hohen Durchsatz bei möglichst niedrigen Testkosten ermöglichen.

Mit dem Modell T6171 hat Advantest ein Testsystem auf den Markt gebracht, das speziell für die Durchführung schneller paralleler Tests von bis zu acht CMOS-Bildsensoren optimiert wurde (Bild 1). Da in den CMOS-Bildsensoren immer häufiger zusätzliche Logikfunktionen enthalten sind, wurden bei diesem System die digitalen Testfunktionen eines SoC-Testers (System on Chip) mit den optischen Funktionen der bisherigen Bildsensor-Tester von Advantest kombiniert. Im digitalen Bereich stehen damit umfassende digitale Testmöglichkeiten, wie eine digitale Testgeschwindigkeit von 125 MHz (250 MHz im Multi-Pin-Modus), ein Pattern-Speicher für 64 Mwords und ein Pegelbereich von + 8 bis – 2 Volt sowie umfangreiche Timing-Funktionen zur Verfügung.

Für die Bildverarbeitung kann das T6171 mit bis zu vier schnellen Bildprozessoren ausgestattet werden, so dass ein paralleler Test von bis zu achtSensoren möglich ist. Dies ist besonders für den Test der schnellen Bildübertragungsfunktionen sowie der dazugehörigen Schaltungen, wie schnelle A/D-Wandler und DSPs, von CMOS-Bildsensoren wichtig. Für den Test der speziell in Spiegelreflexkameras eingesetzten CMOS-Bildsensoren lässt sich das System auf Wunsch zusätzlich mit einer analogen Bilderfassungsfunktion ausrüsten, die eine maximale Messfrequenz von 80 MHz erreicht und die über bis zu acht Messkanäle verfügt.

Da sich die meisten CMOS-Sensoren nicht nur für die Aufnahme von Einzelbildern sondern auch von Videosequenzen eignen, enthält das T6171 auch einen integrierten schnellen Bilderfassungsspeicher für maximal 67 Megapixel. Damit lassen sich die Daten von schnellen Bewegtbildern mit einer Geschwindigkeit von 80 Mbs und einer Auflösung von 16 Bit erfassen und ermöglicht auch das schnelle Einlesen von datenintensiven Einzelbildern hoher Qualität. Der Bilderfassungsspeicher kann zudem genutzt werden, um die Bilddaten aus bis zu 256 Echtzeit-Frames kumulativ aufzuaddieren, was Mittelwertmessungen auf mikroskopischer Ebene ermöglicht (Bild 2).

Für kurze Testzeiten und hohen Durchsatz wird bei der Bildverarbeitung eine Verarbeitungsmethode mit zwei Speicherbänken eingesetzt. Dabei werden die Bilddaten von bis zu vier CMOS-Sensoren gleichzeitig über eine Speicherbank erfasst, während parallel hierzu über eine weitere Speicherbank Datentransfer und -verarbeitung anderer Daten aus vorherigen Tests durch bis zu vier Bildprozessoren erfolgt, was Testzeiten reduziert. Das System arbeitet auf Basis der Viewpoint-Software, die in der gesamten Systemfamilie T6xxx zum Einsatz kommt. Speziell für den Test von Bildsensoren stehen umfassende Funktionen zur Bildverarbeitung zur Verfügung, die sowohl die Auswertung der Messergebnisse als auch die Programmerstellung komplexer Tests vereinfachen (Bild 2).

Advantest liefert auch komplette Lösungen mit Beleuchtungseinheit und Handler mit „Clean Box“, wobei entweder ein sehr lichtstarker Halogen-Illuminator oder ein kostengünstiger LED-Illuminator integriert werden kann.

EPP 468