CCD – Bildwandler:

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Sensortechnik II
CCD – Bildwandler:
Das für Bildwandler eingesetzte Halbleiterelement ist der CCD – Chip (Charged Coupled
Device). Er stellt ein analoges Schieberegister dar. Hierbei wird die Ladung mit Hilfe
getakteter Steuerspannungen von einer Speicherzelle zur nächsten transportiert. Die
lichtabhängig gesammelte Ladung ist nicht wertdiskret, d.h. der CCD – Chip ist ein analoges
Bauteil.
I.
Aufbau einer CCD – Speicherzelle:
Eine CCD – Speicherzelle besteht aus einem sogenannten MOS – Kondensator (Metall Oxid
Semiconductor).
Eine hauchdünne lichtdurchlässige Elektrode ist durch eine ebenfalls lichtdurchlässige SiOxid – Schicht vom Halbleitermaterial getrennt. Legt man nun eine Spannung an die
Elektrode an, bildet sich im Halbleitermaterial eine Potentialsenke in der sich – abhängig
vom Lichteinfall – Ladung ansammeln kann.
Werden mehrere (etwa 1100) Speicherzellen in einer Reihe kombiniert, so erhält man eine
CCD – Zeile.
Durch Veränderung des Spannungsniveaus kann die Ladung einer Zelle in eine benachbarte
Zelle verschoben werden. Hierzu wird oft der sogenannte 3 – Phasenbetrieb benutzt:
Mit Hilfe des höchsten Potentials werden die Speicherzellen voneinander getrennt. Die
Ladung sammelt sich nun am zweithöchsten Potential. Wird an der Nachbarzelle daraufhin
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Sensortechnik II
ein Potential eingestellt, das noch tiefer liegt, so verschiebt sich die Ladung zu dieser Zelle
hin. Die Ladung kann auf diese Art und Weise über die gesamte CCD – Zeile verschoben
werden.
II.
CCD – Bildwandlerflächen:
Für die Bildaufnahme durch elektronische Kameras werden nun in einem Chip mehrere CCD
– Zeilen zu einer CCD – Bildwandlerfläche zusammengesetzt. Durch die CCD – Zellen wird
das Bild horizontal und vertikal in Bildpunkte (Pixel) zerlegt. Je größer hierbei die Anzahl der
Pixel, um so größer ist die Auflösung bzw. Schärfe. Dabei ist zu beachten, dass die Anzahl
der CCD – Zeilen mindestens der aktiven Zeilenzahl der Videonorm entspricht. In der
europäischen Fernsehnorm wurden 625 Zeilen festgelegt. Dieser Wert ergibt sich aus
folgenden Betrachtungen:
Das menschliche Auge kann bei einem Winkel α = 1,5’ gerade noch zwei Punkte
voneinander unterscheiden.
Als günstigster Betrachtungswinkel β in vertikaler Richtung werden 12°...15°
angesehen. (Dies entspricht einem Betrachtungsabstand von 4- bis 5-facher Bildhöhe).
⇒ Zeilenzahl z = β/α
⇒ 400...600 Zeilen
Wegen des vertikalen Rücklaufes des Elektronenstrahls bei Fernsehröhren ergibt sich jedoch
eine aktive Zeilenzahl von 587. In der Realität ist die Zeilenzahl allerdings noch geringer. Es
fallen pro Halbbild 25 Zeilen weg. Damit ergibt sich eine aktive Zeilenzahl von 575.
CCD-Kamera: Phlips LDH 0485/10
-3III.
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Prinzipien eines CCD – Wandlers:
Die durch den fotoelektrischen Effekt im Halbleiter entstandene Ladung wird in einen
angrenzenden, lichtdicht abgeschirmten Speicherbereich übertragen. Dieser kann mit einer
bestimmten Taktfrequenz ausgelesen werden.
Es gibt verschiedene Formen von CCD – Bildwandlern:
Frame Transfer (FT – CCD):
Ein CCD – Chip dieser Art besteht aus einem lichtempfindlichen Sensorteil, einem
lichtdicht abgedeckten Speicherbereich und einer einzelnen CCD – Zeile als
horizontales Ausleseregister. Die lichtempfindlichen Zellen werden gleichzeitig auch
als Transportzellen genutzt. Um eine Verfälschung der Ladung zu verhindern, muß
dabei die Sensorfläche mit einer mechanischen Blende lichtdicht abgedeckt werden.
Das FT-Prinzip hat den Vorteil der großen Pixeldichte.Wesentlicher Nachteil ist
jedoch die Notwendigkeit einer mechanischen Blende.
Interline Transfer (IT – CCD):
Die Ladungen werden während der vertikalen Bildaustastung sehr schnell (weniger 1
Mikrosekunde) in die vor Lichteinfall geschützten Speicherbereiche übertragen. Diese
Speicherzellen befinden sich in der Bildwandlerfläche neben den lichtempfindlichen
Sensorelementen. Mit Hilfe eines horizontalen Schieberegister werden die
Speicherspalten fernsehnormgerecht ausgelesen.
Vorteil des IT-CCD ist, dass keine mechanische Blende benötigt wird. Nachteilig ist
jedoch die geringe Pixeldichte und die Möglichkeit des Lichteinfalls in das
Transportregister, wodurch die transportierte Ladung verfälscht werden kann und der
sogenannte Smear – Effekt (siehe unten) entsteht.
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Sensortechnik II
Frame Interline (FIT – CCD) :
Dieses Prinzip ist eine Kombination der beiden vorherigen Verfahren. Der
Speicherbereich besteht wie beim IT – CCD aus Speicherspalten. Unterhalb des
Sensorbereichs ist außerdem ein FT – ähnlicher Speicherbereich vorhanden. Die
Sensorelementen aufgenommene Ladung wird zuerst wie beim IT – CCD in die
lichtdichten Speicherspalten geschoben. Darauffolgend wird sie jedoch sehr viel
schneller als beim IT-Prinzip in den zweiten Speicherbereich unterhalb des
Sensorbereichs verschoben und von dort normgerecht ausgelesen.
Durch die Kombination der beiden Prinzipien ergibt sich auch eine Kombination der
Vorteile. So ist keine Blende notwendig und der Smear – Effekt wird stark reduziert.
Als Nachteile ergeben sich daraus allerdings der hohe technische Aufwand und die
gegenüber dem FT-Prinzip reduzierte Pixeldichte.
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Sensortechnik II
Lens on Chip (OCL – Technik):
Beim IT- und FIT-Prinzip kann das Licht, das auf die lichtdichten Speicherspalten,
fällt nicht genutzt werden. Um diesen Nachteil zu reduzieren wird beim Lens-on-ChipPrinzip , mit Hilfe eine kleinen Linse über jedem Sensorelement, dieses Licht auf die
Sensoren gebündelt. Als Nebeneffekt wird dadurch zusätzlich auch noch der Smear –
Effekt verringert.
Der Smear – Effekt:
Der Smear – Effekt beschreibt das Verschmieren von Bildpunkten, das vor allem beim IT –
CCD auftritt. Ein heller Bildpunkt in einer dunklen Umgebung bewirkt durch sein helles Licht
eine Ladungsvermehrung für alle Ladungen, die durch die benachbarte Speicherzelle
transportiert werden. Da die transportierte Ladung für dunkle Bereiche sehr gering ist, ist die
Verfälschung deutlich zu erkennen.