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CCD-Sensoren

CCD-Sensoren sind komplexe elektronische Bauelemente, die aus einer Vielzahl von flächig angeordneten lichtempfindlichen Halbleiterelementen bestehen. Jedes Halbleiterelement stellt einen Fotodetektor dar, ein Pixel, das die einfallenden Photonen in Elektronen umwandelt.

Während der Integrationsphase (der Belichtungszeit) werden die Elektronen, die das einfallende Licht im Halbleitermaterial freisetzt, in einem Potentialtopf gesammelt. Die akkumulierte Ladungsmenge ist proportional zur Intensität des einfallenden Lichts und zur Belichtungszeit. Die Ladungsmenge pro Pixel wird dann gemäß der verschiedenen im Folgenden dargestellten Sensorauslesetechniken ausgelesen.

Beim Sensortyp Interline-Transfer (ILT) gibt es neben den lichtempfindlichen Pixeln so genannte vertikale Schieberegister. Zum Auslesen wird die Ladungsmenge eines Pixels über einen Verbindungskanal in die jeweils daneben liegende Zelle des vertikalen Schieberegisters geschoben. Das Schieberegister selbst ist abgedunkelt und deshalb nicht lichtempfindlich. Nun erfolgt das zeilenweise Auslesen des Sensors. Dazu werden die Ladungen aller vertikalen Schieberegister gemäß dem Eimerkettenprinzip in Richtung des horizontalen Schieberegisters transportiert. Dort angelangt kann eine ganze Zeile ausgelesen und je nach Kameratyp zu einem analogen oder digitalen Signal verarbeitet werden. Auf diese Weise wird der ganze Sensor zeilenweise ausgelesen. Die durch die Transferregister bedingte Reduzierung der lichtempfindlichen Fläche kann durch Mikrolinsen ausgeglichen werden, um die Lichtempfindlichkeit des Sensors zu optimieren. Das Verhältnis zwischen der lichtempfindlichen und -unempfindlichen Fläche wird als Füllfaktor in Prozent angegeben. Obwohl die Sättigungsladung im Vergleich zu den im Folgenden beschriebenen CCD-Architekturen geringer ist, werden bei CCD-Systemen von Sony und ON Semiconductor CCDs in der Regel Ladungsgrößen von 30 bis 50 keV erreicht. Diese Werte sind ausreichend für eine Digitalisierung im Bereich von 8 bis 10 Bit. In modernen Bildverarbeitungskameras werden ILT-CCD-Sensoren am häufigsten eingesetzt, da das einmalige Auslesen kurze Belichtungszeiten und das Erfassen von schnellen Vorgängen ermöglicht.

Der Full Frame-Sensor verschiebt nach der Belichtung die integrierten Ladungen einer Zeile in die jeweils darunterliegende bis der horizontale Shift oder das Ausleseregister erreicht sind.

Der Frame Transfer-Sensor ist dem Interline Transfer-Sensor prinzipiell sehr ähnlich, nur stehen bei diesem Sensor-Design keine gesonderten vertikalen Register zum Ladungstransport zur Verfügung. Stattdessen werden die lichtempfindlichen Pixel selbst als vertikale Ausleseregister verwendet und der gesamte Frame wird in einen bezüglich der Größe identischen abgedunkelten Bereich verschoben. Dieser Transfer geschieht in der Regel sehr schnell und mit erheblich höherer Geschwindigkeit als das spätere Auslesen der Daten aus dem abgedunkelten Bereich. Zu beachten ist, dass sofern keine mechanischen Shutter verwendet werden die Bildinformation trotz der hohen Transfergeschwindigkeit weiterhin einfallendem Licht ausgesetzt ist, wodurch weiterhin Ladungen auf integriert werden und es zum so genannten Smear-Effekt kommt. Ist der Frame in den abgedunkelten Bereich verschoben worden, können die einzelnen Bildzeilen mittels der Schieberegister und des Eimerkettenprinzips ausgelesen werden.

Sowohl für den Full Frame CCD-Sensor als auch für den Frame Transfer CCD-Sensor ist charakteristisch, dass ein Füllfaktor von 100% mit entsprechend hoher Sättigungsladung, hoher Empfindlichkeit und damit großem Dynamik bereich erreicht werden kann, da auf vertikale Schiebe register verzichtet wird. Kameras basierend auf diesem Sensor-Design digitalisieren die Bildinformation typischerweise mit 14 oder 16 Bit.


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