Interview mit René Mangold von Photonfocus AG

  • Alexander Völkert im Gespräch mit René Mangold (rechts)Alexander Völkert im Gespräch mit René Mangold (rechts)

Die Photonfocus AG wurde im April 2001 als Spin-off des CSEM's (Schweizerisches Zentrum für Elektronik und Mikrotechnologie) gegründet. Von dort stammt auch das Know-how bezüglich CMOS-Bildsensoren und Kameras für die industrielle Bildverarbeitung. Photonfocus arbeitet erfolgreich an der Entwicklung und Vermarktung von schnellen CMOS-Bildsensoren mit hoher Dynamik und entsprechenden digitalen Hochleistungskameras. Diese Produkte sind mit Patenten und Markenzeichen geschützt, wie z.B. die LinLog-Technologie. Es werden sowohl Standardprodukte als auch kundenspezifische Lösungen angeboten. Die Einsatzgebiete sind die industrielle Bildverarbeitung, die Sicherheit und Überwachung sowie die Automobiltechnik. Der Herstellungsprozess entspricht dem „Fabless Business Model“, d.h. Sensoren und Kamerabauteile werden außer Haus gefertigt. Es wird mit qualifizierten Foundries zusammengearbeitet, die hohe Qualitätsstandards garantieren. Weil Photonfocus über eigene Sensortechnologien verfügt, können Kameras und Sensoren optimal aufeinander abgestimmt werden. Somit verkürzen sich Produktentwicklungszyklen und die Produkte erfüllen in hohem Maße die Kundenanforderungen. Darüber hinaus besteht eine geringe Abhängigkeit von externen Sensorenlieferanten. Alexander Völkert sprach mit dem Leiter Marketing & Sales, René Mangold, in Lachen vor Ort.

INSPECT: Viele Anwender in der BV-Branche sind in Bezug auf die Verwendung von CMOS-Kameras skeptisch oder zurückhaltend und bleiben lieber bei den eingeführten CCD-Sensoren.Worauf führen Sie diese Skepsis zurück?

R. Mangold: Die Frage ist in der Tat berechtigt: Es war vor vier Jahren, als wir auf diversen Fachmessen zur BV einer sehr großen Skepsis bezüglich einer möglichen Anwendung der CMOS-Technologie begegnet sind. Heute, im Jahre 2005 – also nach gut vier Jahren der Markteinführung – hat sich ein mentaler Wandel vollzogen und eine Akzeptanz der Technologie auf dem Markt kann ich eindeutig beobachten, wenn ich auf meinen Geschäftsreisen mit Anwendern ins Gespräch komme. Ich erinnere mich sehr gut an die Anfangszeit unseres Unternehmens – kurz nach der Ausgliederung aus dem Schweizerischen Zentrum für Elektronik und Mikrotechnologie.

Wir hatten zum Teil in der Phase der Akquise bzw. Überzeugung gegenüber vielen Kunden gar keine Chance für eine eingehende Erklärung der Technologie und ihrer Vorteile. Nun können wir mit Sicherheit sagen, dass die CMOS-Technologie aus den Kinderschuhen entwachsen ist, denn sowohl die Akzeptanz als auch vor allem die Bildqualität sind ganz klar gestiegen.

Bezogen auf den Marktanteil wird die bewährte Technologie der CCD-Kameras weiterhin einen viel größeren Anteil für sich verbuchen, doch das Wichtigste haben wir geschafft. Der Anwender nimmt uns wahr, er hört uns zu, zeigt Geduld und lässt sich von sachlichen Argumenten überzeugen, wenn für eine spezifische Anwendung in der Tat die CMOS-Technologie die Nase vorn hat und einfach besser geeignet ist. Die Akzeptanz steigt also und die Notwendigkeit der Überzeugung sinkt, denn was letztendlich zählt, ist das Verhältnis von Preis und Leistung und eine optimale Kundenlösung.

Welche wesentlichen Vorteile bietet die CMOS-Sensortechnologie von Photonfocus gegenüber anderen Herstellern von CMOS-Sensoren?

R. Mangold: Unseren Schwerpunkt setzen wir ganz klar auf die Problemlösung der digitalen BV (Datenextraktion), wo ein sog. Global-Shutter gefragt ist. Diese Zielsetzung unterscheidet uns von den meisten CMOS-Bildsensoren-Herstellern, die sich eher dem Consumer Markt verschrieben haben. Dort sind z. B. immer einkleinere Pixelgrößen gefragt, um im harten Preiskampf zu bestehen (kleinere Siliziumfläche). In der industriellen BV sind Pixelarchitekturen unter 6 Micron nicht sinnvoll, denn die Bildqualität leidet unter anderem auch wegen ungeeigneter Objektive.

Außerdem sind die Technologien in den verschiedenen Branchen neue Wege gegangen und haben sich weiterentwickelt. Auch das haben wir natürlich sehr genau beobachtet und dementsprechend neue Produkte entwickelt (bessere Bildqualität und höhere Sensitivität). Bezüglich der Marktaufteilung mit unserem Wettbewerb kann ich sagen, dass viele von ihnen in anderen Branchen ihre Anwender suchen und uns insofern nicht direkt tangieren. Wir sind optimistisch für die Zukunft und sehen den Namen Photonfocus mit zunehmendem Erfolg.

CMOS ist eine „mainstream“- Technologie. Welche Vorteile ergeben sich dadurch für die Systemintegration (z. B. bzgl. Verfügbarkeit, Kosten, Schnittstellen im System)?

R. Mangold: In der Tat ist die CMOS-Technologie eine main-stream- bzw. Standard- Technologie. Dies ist ihr großer Vorteil, denn im Gegensatz dazu wurde die CCD-Technolgie speziell für Bildsensoren entwickelt. In der Anwendung heißt das, dass man bei CMOS die Möglichkeit hat, eine Funktionalität, ein System-on-Chip, zu integrieren. Der Phantasie sind hier keine Grenzen gesetzt, denn man kann sogar so weit gehen, eine gesamte Kamera auf dem Chip zu integrieren. Dies ist jedoch auch kritisch zu betrachten, denn ein System sollte nicht zu proprietär sein. Es stellt sich die Frage, ob diese Vorverlagerung wesentliche Vorteile bringt.Wenn sie sich auf die Herstellkosten des Gesamtsystems positiv auswirkt, dann kann eine hohe Integration auf dem Sensor sehr sinnvoll sein. Es muss aber vielseitig anwendbar sein, da sonst die Stückzahlen für eine solche Entwicklung zu gering sind.

Die hohe Systemintegration im Consumer-Bereich würde ich als sehr positiv einkleinere schätzen. Gerade dort, im Verbrauchermarkt, überschlagen sich die Produktzyklen ja regelrecht. Bezogen auf die Kamera-Technologie konnte man beobachten, wie schnell die erste Generation von 2–3 Megapixeln der neuen von 4 Megapixeln weichen musste. Noch schneller war man dann bei 5 Megapixeln angelangt. Dort sind Faktoren wie schnelle Produktintegration, Kosten und schnelle Verfügbarkeit sehr wichtig.

Um auf Ihre Fragen zurückzukommen: Eine langfristige Verfügbarkeit der einzelnen Sensoren im Consumer-Bereich wird nicht gegeben sein. Wir als „CMOS-Bildverarbeitungsspezialist“ haben viel mehr Kunden, die ein langfristiges Committment erwarten, da – um das Beispiel Automotive- Branche zu nehmen – die Kosten für eine neue Investition gerade hier sehr hoch sind. Das erfordert zwingend eine Erweiterungsfähigkeit. Wir arbeiten also mit Kunden zusammen, die eine langfristige Verfügbarkeit von bis zu 10 Jahren und mehr wünschen. Da wir diese mit unserer speziellen Technologie garantieren können, sind Märkte wie Bildverarbeitung im Produktionsprozess, Überwachung und Sicherheit und auch Automobiltechnik für uns gesichert.

Sind CMOS-Sensoren eigentlich im nahen IR bis etwa 1.000 nm besser geeignet als CCDs? Sehen Sie in dieser Hinsicht ein Anwendungspotential?

R. Mangold: Generell: Unsere jetzigen CMOS-Bildsensoren verfügen bereits über eine vernünftige Sensitivität im NIR-Bereich (Quanteneffizienz ca. 10% bei 900 nm). Die neue Generation unserer CMOS-Bildsensoren wird nochmals eine deutliche Verbesserung gerade im NIR bis 1.000 nm erreichen.

Diese Entwicklung ist vor allem getrieben durch den Automotive- (Night Vision Support-System) und den Sicherheit & Überwachungs-Markt. In diesen Märkten ist auch das entsprechende Anwendungspotential in Bezug auf höhere Stückzahlen vorhanden.

CCD-Sensoren gelten in Bezug auf Dunkelstrom, Empfindlichkeit bzw. Quantenausbeute und Füllfaktor und in Bezug auf „fixed pattern noise" den CMOS-Sensoren gegenüber als überlegen. Teilen Sie diese Einschätzung?

R. Mangold: Ich sehe diese Aussage eher skeptisch und würde sie auch in manchen Punkten nicht teilen wollen, denn es ist bekannt, dass am Markt viele CCD-Sensoren gefertigt wurden, die ihren Ansprüchen nicht genügten. Aufgrund dieser Tatsache haben Kamerahersteller Korrekturen vorgenommen, indem sie ihre Kameras integrierten. Sicher gibt es mittlerweile high-end-Artikel der CCD-Sensor- Technologie, die gezielt für sehr spezifische Anwendungen entwickelt und gefertigt wurden. Dementsprechend wird sich in diesem Sektor der CCD-Sensor bezüglich Dunkelstrom, Empfindlichkeit, Quantenausbeute und Füllfaktor als klar überlegen gegenüber dem CMOS-Sensor erweisen. Doch es ist nicht eine Frage der möglichen Technologie, sondern eine Frage der klar gewünschten Anwendung, die in der Praxis eine Rolle spielt.

Außerdem möchte ich erwähnen, dass die Qualität der CCD-Bildsensoren sehr schlecht war, als sich die CCD-Produktion in den 80er Jahren entwickelte. Es war eine Frage der Zeit und Prozessoptimierung, bis diese Technologie nach 25 Jahren auf einem ausgereiften, technologisch guten Stand angelangt ist. Bezogen auf die CMOS-Sensor-Technologie ist eine sehr ähnliche Entwicklung zu beobachten. Qualitativ hochwertige Sensoren werden am Markt erst seit wenigen Jahren entwickelt. In enger Zusammenarbeit mit unseren Foundries wird der CMOS Prozess in Bezug auf Dunkelstrom, FPN und andere Parameter ständig optimiert.

Ergänzend sei noch erwähnt, dass bspw. der Füllfaktor gar nicht vom CMOS abhängt, sondern von der Komplexität des Pixels. Somit gibt es Pixel-Architekturen, in denen man auf nahezu 100% Füllfaktor kommt. Bereits jetzt gibt es Ansätze für CMOS, in denen ein Füllfaktor von ebenfalls nahezu 100% erreicht wird. Wenn man im Übrigen eine Pixel-Architektur mit Global-Shutter hat, dann schrumpft zwingend der Füllfaktor (5-6 Transistoren – Pixel). Im Übrigen haben CMOS-Bildsensoren auch entscheidende Vorteile gegenüber CCD. Das sind die Leistungsaufnahme, die Geschwindigkeit und die Bildqualität bei hohen Lichtintensitäten. Für Anwendungen mit großen Bildraten kommt praktisch nur CCD zum Einsatz.

Die Aktiv-Pixel-Technologie ermöglicht zusätzliche Funktionalität auf dem Chip. Können Sie einige Beispiele für interessante Anwendungen nennen?

R. Mangold: Ja, sicher! Ausgehend von einem Global-Shutter ist die Aktiv-Pixel- Technologie die Grundlage für die allermeisten BV-Lösungen. Das Global-Shuttering an sich ermöglicht erst die BV. Denn – ausgehend von einem Rolling- Shutter, der Linie für Linie erfasst und zu einem Bild zusammenfügt – ist dies in der Anwendung für einen CMOS-Sensor in einem Handy, einem Monitor oder einer Videokamera kein Problem, ein Standbild zu erfassen. Schwierig wird es dann, wenn eine Bewegung hinzukommt, denn es kommt zu Verzerrungen, die man als Anwender in der Bild- Auswertung (Datenextraktion) nicht verwenden kann. Daher die wichtige Funktion der Aktiv-Pixel-Technologie.

Low-End-Sensoren für Handys oder Digitalsystemcamrecorder – also den Consumer- Markt betreffend – kann man für eine effektive BV im ursprünglichen Sinne nicht einsetzen. Um Ihnen einige Beispiele für neue Möglichkeiten durch das Aktiv-Pixel zu nennen: der extrem große Dynamikbereich durch unsere LinLog-Technologie, die hohe Qualität bei schnellen Szenen, die zusätzliche Signalverstärkung durch Skimming sowie die Geschwindigkeitssteigerung durch die Nutzung von Bildausschnitten, das sog. „Region of Interest“.

Wie wird sich das Feld, das CCDs und CMOSSensoren gemeinsam bestellen, aus Sicht von Photonfocus entwickeln?

R. Mangold: Hier kann ich natürlich nur Vermutungen äußern – ob sie sich bewahrheiten, wird sich erst in der Zukunft zeigen. Es gibt physikalische Grenzen der Pixelgröße, um eine sinnvolle MTF zu erhalten, die in der Gesamtheit des Systems (z.B. Kamera, Optik und Sensor) eine wichtige Rolle spielt. Die CMOS-Technologie wurde als preisgünstigere Alternative im Bereich der industriellen BV entwickelt, um Kosten zu sparen. Die Bildqualität, Sensitivität und andere Parameter waren schlechter als die der CCD-Technologie, und daher konnte sie nur bestimmten Ansprüchen (wie z. B Webcam) in der Anwendung genügen. Im Laufe der Zeit jedoch verändert sich dies. Die Entwicklung schreitet voran, die Ansprüche und die Marktdurchdringung von CMOS-Bildsensoren in verschiedenen Märkten nimmt stark zu. Dadurch steigt die Qualität der Technologie. So werden in steigendem Maße Anwender von der CCD- auf die CMOS-Technologie umsteigen. Zugleich muss man aber sagen, dass CCD niemals verschwinden wird. Die „neuen Märkte“ wie Automotive (Kameras im und am Automobil), Sicherheit & Überwachung und teilweise auch Medizin, werden auch auf den traditionellen industriellen BV-Markt in Zukunft einen großen Einfluss haben, da die BV in Zukunft billiger sein wird.

In welchen Industriezweigen sind in den nächsten fünf Jahren Massenanwendungen von CMOS-Detektoren zu erwarten?

R. Mangold: Hier ist sicher an erster Stelle der Consumer-Markt zu nennen, denn gerade Handy-, Digicam-, PDA- und Videokamera-Hersteller haben eine zunehmend größere Nachfrage nach immer mehr Auflösung (5, 6 bis 8 Megapixeln) und zugleich kleineren einzelnen Pixeln von nicht mehr als 2–3 Micron. Denn man erzielt so eine geringere Chip-Fläche, verbraucht dadurch weniger Silizium und hat natürlich geringere Kosten; nicht zuletzt, da es sich hier um große Stückzahlen von einigen Millionen handelt. Aber auch der Automotive-Bereich darf nicht außer Acht gelassen werden. Ganz sicher werden die CMOS-Detektoren in der Ober- und Mittelklasse der PKW-Fertigung Einzug halten. Erste japanische Anbieter gibt es da bereits, und die deutsche Oberklasse der PKW wird nachziehen. Gerade im Bereich der passiven und aktiven Unfallverhütung spielt dies für die Sicherheit im Straßenverkehr eine große Rolle. Mittel- und langfristig ist hier das Wachstum bereits geplant.

Welche wesentlichen Weiterentwicklungen der CMOS-Sensortechnologie werden wir in den nächsten fünf Jahren von Photonfocus sehen?

R. Mangold: Unsere CMOS-Sensoren werden einen stärkeren Einfluss auf den Markt ausüben, als viele dies vermuten. Integrierte BV-Vision Module auf Basis der CMOS-Technologie in Verbindung mit Standard-Interfaces werden den Markt durchdringen. Das kann man si-cher weniger kurzfristig, als viel mehr mittel- und langfristig sehen. Aber gerade das macht es interessant in Bezug auf das große Marktpotential, und dieses steigert wiederum unsere Attraktivität.

Wo sehen Sie für die industrielle BV Wachstumsmärkte? Verraten Sie uns etwas zu Ihrer Planung, Strategie und Umsetzung.

R. Mangold: Unsere Strategie besteht darin, dass wir uns voll auf das „Perfect Eye“ für die digitale BV konzentrieren. Wir fokussieren uns dementsprechend auf die Märkte, in denen die digitale BV eine wichtige Rolle spielt. Wir möchten Sensortechnologie mit Kameratechnologie verbinden. Daher kommt auch unser Slogan „The Perfect Eye“. Um das Ziel einer hohen Integration auf dem Sensor zu verwirklichen (SoC, System-on-Chip), muss das Zusammenspiel zwischen Sensor und Kameraelektronik zu unseren Kernkompetenzen gehören. Was wir heute in unseren Kameras im FPGA realisiert haben, kommt bereits in den heutigen Entwicklungen – und in der Zukunft noch vermehrt – als VHDL Synthese auf den Bildsensor.

Ein weiterer Faktor unserer Strategie wurzelt darin, dass wir natürlich Kooperationen und Synergien suchen. Wir sprechen Systemintegratoren an, die meistens einen längeren Design-In-Entwicklungszyklus haben, jedoch einen zuverlässigen Partner suchen, um am Markt präsent sein zu können. Diese Partner sind also an einem Hersteller interessiert, der langfristig eigene Sensoren, Vision-Module oder Kameras liefern kann, damit wir gemeinsam verschiedene geeignete Märkte erschließen und durchdringen können. Im Hinblick auf unsere Zielmärkte sind vor allem zu nennen: Automotive (Vision im Auto), die Medizin-Branche sowie die Sicherheit & Überwachung. Diese hatte ich bereits als neue Märkte erwähnt. Alle diese genannten Branchen werden mittelbis langfristig eine große Nachfrage nach BV-Systemen haben. Für uns natürlich ganz klar ein riesiges Potential, wo es gilt, zur richtigen Zeit am richtigen Ort zu sein.

Kontakt: Photonfocus AG Tel. +41 55 4510000 info@photonfocus.com www.photonfocus.com

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