CCD-Technik und Bildaufnahme

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1 CCD-Technik und Bildaufnahme Vortag im Rahmen der Vorlesung Elektronische Bauelemente an der Technischen Universität Autoren und Vortragende: Mathias Engelmann und Nicole Ahner Aufbau eines Ein-Chip CCD-Arrays mit Farbfilter und Mikrolinsen (Quelle: Fuji)

2 Gliederung 1. Einleitung 1.1. Historischer Rückblick 1.2. Aktuelle Anwendungsgebiete 1.3. Vor- und Nachteile der CCD-Bildaufnahme 2. Grundlagen der elektrooptischen Wandlung in Halbleitern 2.1. Photogeneration 2.2. Photonenausbreitung in Bildsensoren 2.3. Ladungsträgererzeugung in Abhängigkeit von der Wellenlänge 2.4. Trennung der Ladungsträgerpaare 3. Aufbau, Funktion und Wirkungsweise von CCD-Sensoren 3.1. Prinzipieller Aufbau der Photodetektoren in CCD-Zellen CCD mit Photodiode CCD mit Photogate 3.2. Prinzip der Signalspeicherung 3.3. Signaltransport Das Eimerkettenprinzip Beispiel: 3-Phasen-Auslesung Grundprinzip des Auslesens 4. Sensortypen 4.1. Interline-Transfer-Sensor 4.2. Frame-Transfer-Sensor 4.3. Full-Frame-Sensor 4.4. Zeilensensor 5. Auslesemethoden und Video-Normen 5.1. Herkömmliche Interlaced-Verfahren Field Integration Mode Frame Integration Mode 5.2. Moderne Progressive Scan Technologie Standard Progressive Scan Two Channel Progressive Scan 6. CCD-Farbkameras 6.1. Ein- und Drei-Chip-Kameras 6.2. Farbkanalseparierende, sequentielle CCD-Systeme 6.3. Foveon X3-Chips (TM) 7. Erhöhung der Lichtausbeute und Quanteneffektivität 7.1. Mikrolinsen 7.2. Front- und Backside-Illumination 8. Bildfehler von CCD-Aufnahmen 8.1. Dunkelstrom 8.2. Vignettierung und Flatfield 8.3. Blooming 9. Der CCD-Chip und seine Zukunft: Ein Ausblick

3 Kapitel 1: Einleitung 1.1. Historischer Rückblick CCDs, also Charge Coupled Devices (deutsch: Ladungsgekoppelte Bauelemente) wurden Ende der 1960er / Anfang der 1970er Jahre von den Forschern W.S. Boyle und G.E. Smith in den Bell-Laboratories in den USA entwickelt. Der erste CCD-Chip mit 96 x 1 Pixel (also eine CCD-Zeile) wurde 1972 vorgestellt. Die ursprünglich Anwendungsfelder von CCD-Chips waren: Realisierung von Schieberegistern Multiplexer und analoge Speicher Diese Anwendungsfelder (außer der Einsatz als Speicher in DSOs) haben heute nahezu vollkommen an Bedeutung verloren Aktuelle Anwendungsgebiete CCD-Sensoren arbeiten heute fast ausschließlich als Image Sensor in Bilderfassungssystemen. Image-Sensoren findet unter anderem in: Fotoapparaten und Videokameras Scannern Systemen zu schnellen und berührungslosen Vermessung von Objekten 1.3. Vor- und Nachteile der CCD-Bildaufnahme Trotz ihrer vielen Vorteile und wahrscheinlich aufgrund der hohen Preise der Chips hat sich die CCD-Technik erst in den letzten Jahren auf dem Markt für private Anwendungen durchgesetzt. Ein erstes großes Anwendungsgebiet als Image-Sensor in Digitalkameras fand der CCD-Chip in der Astrofotografie, da hier die Vorteile dieser Aufnahmetechnik ganz besonders zum Tragen kamen. Vorteile: CCD-Chips haben eine wesentlich höhere Empfindlichkeit als fotografische Schichten (bis etwa ASA! ). Damit verringern sich die Belichtungszeiten auf einige Minuten. Die Bilder sind sofort sichtbar und liegen in digitaler Form vor. Sie können somit selbst mittels geeigneter Software nachbearbeitet werden. Es entsteht kein Materialverbrauch. Die Aufnahmen werden durch hellen Himmelshintergrund kaum beeinträchtigt. Der Hintergrund kann per Software weggerechnet werden. Somit werden sogar Deep-Sky-Aufnahmen in Großstädten möglich. Nachteile: Kleines Bildfeld: Die Bildfläche ist mit einigen mm Kantenlänge noch sehr klein. Größere CCD-Chips sind kaum bezahlbar. Es ist immer eine Spannungsversorgung und ein PC notwendig, um die Bilder weiter zu verarbeiten. Anschaffungskosten: Der Preis für eine brauchbare CCD-Kamera liegt immer noch bei ca. 500 Euro Die CCD-Kamera liefert standartmäßig nur s/w-bilder. Zum Erstellen von Farbaufnahmen müssen Filter verwendet werden.

4 Abb. 1: selbst die Lichtglocke über Hamburg ist mit CCD-Technik durchschaubar Abb. 2: Der Helixnebel. Aufnahme auf Filmmaterial. Abb. 3: Der Helixnebel. CCD-Aufnahme bei gleicher Belichtungszeit und identischen Kamera-Einstellungen wie in Abb. 2, verändert wurde nur die Brennweite des Teleskops

5 Kapitel 2: Grundlagen der elektrooptischen Wandlung in Halbleitern 2.1. Photogeneration In Halbleitern sind nur wenige freie Ladungsträger in den Bändern vorhanden. Indem Photonen absorbiert werden, können zusätzliche Elektron-Loch-Paare durch Photogeneration erzeugt werden (Abb. 4a). Bei intrinsischen Halbleitern muss die Energie E = h ν der Photonen größer sein als der Bandabstand W, um ein Ladungsträgerpaar erzeugen zu können (Abb. 4 b). Ist der Halbleiter dotiert, so muss eine geringere Energiedifferenz zwischen Leitbandkante W L und z. B. dem Donatorniveau (n-dotiert) überwunden werden, um ein Ladungsträgerpaar zu erzeugen (Abb. 4c). In allen Fällen ergibt sich eine maximale Wellenlänge des Lichtes, die zur Photogeneration beiträgt.( 2.3.) 0 x d reflektierter Anteil teilweise Absorption/ Generation einfallende Strahlung WL WV hv W WL WD WV transmittierter a) Teil b) c) Abb. 4: a) Strahlengang sowie b) Photogeneration in einem intrinsischen und c) in einem n-dotierten, kristallinen Halbleiter hv 2.2. Photonenausbreitung in Bildsensoren Grundlage der Halbleiter-Photodetektion ist die Erzeugung von Ladungsträgerpaaren durch einfallende Strahlung. Die erzeugten Paare müssen durch ein elektrisches Feld getrennt werden. Bevor ein einfallendes Photon im Halbleitermaterial eine Ladungserzeugung hervorruft, muss es unterschiedliche Schichten sicher durchqueren. Zu oberst befindet sich die durchsichtige Schutzschicht des Bildsensors. Sie besteht meist aus einem Quarzglas oder aus einer Plastikschicht. Danach folgt eine dünne inaktive Zone. Im Halbleiter selbst existiert zuerst eine Region, die frei von beweglichen Ladungsträgern ist. In dieser nur wenige Mikrometer tiefen Raumladungszone (RLZ) ist ein elektrisches Feld präsent. Darunter folgt der feldfreie Teil des Halbleiters. Er kann nur einige Mikrometer dünn sein oder auch viele 100µm dick. Im folgenden werden Effekte gezeigt, die dazu führen, dass Photonen evtl. nicht vom Halbleiter detektiert werden. (1) Oberflächenreflexion (durch unterschiedliche Brechungskoeffizienten der Oberfläche des Sensors und der Umgebung (meist Luft), wird das einfallende Photon reflektiert und tritt somit nicht in den Bildsensor ein. Bei einem Brechungskoeffizient von Siliziumdioxid von n = 1,5 werden 4 % der einfallenden Photonen reflektiert)

6 (2) Dünnfilminterferenz (Mehrere Reflexionen in der Schutzschicht können zu starken spektralen Oszillationen der Lichtdurchlässigkeit führen. Abhängig von der Wellenlänge des einfallenden Photons wird es entweder gut durchgelassen oder es wird überwiegend zurückreflektiert. Bei guten Bildsensoren wird dieser Effekt durch zusätzliche dielektrische Antireflexionslagen auf dem oberen Teil des Sensors eliminiert.) (3) Absorption in der Abdeckung (Die schlechte spektrale Empfindlichkeit von CCD-Sensoren im blauen Bereich lässt sich darauf zurückführen, dass Photonen von den polykristallinen Siliziumelektroden über den Pixeln absorbiert werden.) (4) Photoladungsverlust in inaktiven Bereichen (Inaktive Regionen nahe der Halbleiteroberfläche bestehen aus Halbleitermaterial, in dem nur sehr kurze Lebensdauern für Ladungsträgerpaare existieren. Dies wird entweder durch Defekte direkt an der Oberfläche oder durch sehr hohe Dotierungskonzentrationen in der Nähe der Kontakte verursacht. Durch Photonen erzeugte Elektron-Loch Paare rekombinieren dort so schnell, dass sie nicht detektiert werden können.) (5) Wechselwirkung im Volumen (Photonen, die sehr tief im Halbleiter absorbiert werden und dort Elektron-Loch Paare erzeugen, haben nur geringe Möglichkeiten, einen Beitrag zum Fotostrom zu leisten. Die erzeugten Ladungsträger gelangen nicht bis in den aktiven Bereich eines Pixels. Die kritische Entfernung entspricht hierbei der Diffusionslänge L. Sie kann einige 10 µm tief sein für niedrig dotierte Halbleiter.) (6) Transmission durch den Halbleiter (Als letzte Möglichkeit kann ein Photon durch den Bildsensor gelangen und ihn dann am rückseitigem Ende verlassen.) Schutzschicht Inaktive Schicht Raumladungszone w Diffusionslänge L Silizium Abb. 5: Prinzipieller Aufbau eines optischen Detektors / optische Verluste 2.3. Ladungsträgererzeugung in Abhängigkeit von der Wellenlänge Die Photoladungsträgererzeugung ist ein sequenzieller Prozess. Es werden praktisch alle im Halbleiter absorbierten Photonen in elektrische Ladungen umgewandelt (Quantenwirkungsgrad η ca. 99%). Licht mit kurzer Wellenlänge (Blau) wird schon in der Nähe der Oberfläche absorbiert, wohingegen Licht mit langer Wellenlänge (Infrarotbereich) tief in den Halbleiter eindringt (Abb. 6). Dadurch besitzen Bilder, die mit rotem oder infrarotem Licht aufgenommen werden, einen schlechteren Kontrast als Bilder mit blauem oder grünem Licht. Bei den meisten Bildsensoren schneidet ein optischer Filter den infraroten Lichtanteil heraus und verbessert so diesen Sachverhalt.

7 Ein Photon verliert seine Energie beim Absorptionsprozess durch Erzeugung eines Elektronen-Loch- Paares. Die Quantenausbeute η beschreibt, wie viele Ladungspaare von den einfallenden Photonen erzeugt und elektronisch erkannt werden. Alternativ lässt sich die Anzahl der erzeugten Ladungspaare auch durch die Empfindlichkeit R in der Einheit A/W ausdrücken. Dafür wird die Stromstärke I ermittelt, die pro einfallender Lichtenergie W optisch erzeugt wird. Es ergibt sich folgende Beziehung zwischen Empfindlichkeit R und Quantenausbeute η: R = I Wopt. λ * e = η h * c h: Plancksches Wirkungsquantum [6,63*10-34 Js] e: Elektronenladung [1,60*10-19 C] c: Lichtgeschwindigkeit [3*10 8 m/s] λ: Wellenlänge [m] Abb. 6: Eindringverhalten von Licht (Photonendichte Φ) und Absorptionskoeffizient α verschiedener Wellenlängen Abb. 7: Optischer Absorptionskoeffizient als Funktion der Wellenlänge

8 2.4. Trennung der Ladungsträgerpaare Die erzeugten Elektronen-Loch-Paare müssen innerhalb einer bestimmten Zeit separiert werden, bevor sie wieder rekombinieren. Diese Zeitspanne wird als Lebensdauer τ bezeichnet. τ ist sehr stark von der Qualität und der Reinheit des Halbleiters abhängig. Während der Zeit τ müssen die Ladungsträger zu den für sie bestimmten Ladungsspeicherbereichen transportiert werden. Zwei physikalische Effekte dominieren bei der Bewegung von elektrischen Ladungen in Halbleitern: Drift im elektrischen Feld Bewegung der Ladungsträger durch Diffusion Anmerkung: Entfernung (L) die ein Ladungsträger im Halbleiter ohne Einfluss eines elektrischen Feldes und ohne Rekombination im Mittel zurücklegt: π L Dτ 2 (Diffusionskonstante D bei Si ca. 45 cm 2 /s) Durch Photonen erzeugte Ladungsträger verursachen einen Strom, den Photostrom, wenn sie sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegen Dieser Strom ist über 10 Dekaden und mehr proportional zur einfallenden Lichtintensität. Deshalb sind Halbleiter so attraktiv für viele Applikationen in Bildsensoren und optischen Meßsystemen.

9 Kapitel 3: Aufbau, Wirkungsweise und Funktion von CCD-Sensoren 3.1. Prinzipieller Aufbau der Photodetektoren in CCD-Zellen Ein CCD-Sensor besteht aus einem geometrisch sehr exakten Raster von lichtempfindlichen Zellen. Bei der Bildverarbeitung entspricht eine Zelle genau einem Pixel. Abb. 8: Prinzipieller (möglicher) Aufbau eines CCD-Sensors Abb. 9: CCD-Photodioden Array Bei Lichteinfall auf eine dieser Zellen wird eine Ladung aufgebaut, die umso größer ist, je länger die Zelle belichtet wird. Dieser Vorgang wird Integration genannt. Deutlich wird: Die Bildinformation liegt auf dem Sensor NICHT in digitaler Form vor! Die Information wird durch die Anzahl der Elektronen in den Zellen repräsentiert und ist daher analog!

10 Die einzelnen Pixel berühren sich nicht direkt, sondern sind je nach Sensortyp voneinander durch Stege oder Potentialwälle getrennt. So wird einerseits verhindert, dass die Ladungsträger von der einen Zelle in die andere überlaufen, zum andern sind diese Stege auch für das Auslesen des Zelleninhalts von Bedeutung. Folglich füllen je nach Sensortyp die lichtempfindlichen Zellen nicht den ganzen Sensor, sondern ein Teil der Sensorfläche wird als Transport- bzw. Sperrflächen genutzt. Den Anteil der von lichtempfindlichen Elementen bedeckten Fläche bezeichnet man auch als Fillfaktor. Ein Fillfaktor von 100% würde bedeuten, dass die ganze Fläche lichtempfindlich wäre. In der Realität ist der Fillfaktor immer < 100%, da die lichtunempfindlichen Sperr- und Transportbereiche Platz beanspruchen. Nach der Belichtung der einzelnen Zellen werden die Ladungen ausgelesen. Dieser Vorgang erfolgt bei allen Sensortypen nach dem sogenannten Eimerkettenprinzip ( ). Photoempfindliche CCD-Pixel können grundsätzlich in zwei verschiedenen Bauformen ausgeführt werden: CCDs mit Photodioden (verwenden eine n+p-photodiode) CCDs mit Photogate (die MOS Kapazität dient zur Sammlung der Ladungsträger); auch Ausführung als CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor = Transistoren, die paarweise komplementär zueinander angeordnet sind). Bei der Entwicklung von CCD-Chips muss weiterhin beachtet werden, dass Oberflächenzustände, die einen vorübergehenden Einfang der Signalladung bewirken, äußerst schädlich sind, da sie eine Reduzierung des Transportwirkungsgrades mit sich bringen. Deshalb wird der Halbleiter unterhalb der Elektroden inhomogen dotiert. Die Potentialmulde zur Aufnahme der erzeugten Ladungen befindet sich dann nicht mehr direkt an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Isolation, sondern etwas darunter. Man nennt Chips, die auf diese Art hergestellt werden burried-channel-ccd CCD mit Photodiode In Abb. 10 sind der Aufbau und die Taktphasen für ein CCD mit Photodiode schematisch dargestellt. Ein Pixel besteht aus einer n+p-photodiode, einem Transfergate und einem Transportgate. In dieser Bauform stellt die Photodiode das photoempfindliche Bauteil dar, wohingegen das eigentliche CCD, das sich aus mehreren Transportgates in jedem Pixel zusammensetzt, die photogenerierten Ladungen zum Ausgang transportiert. Im dargestellten Querschnitt verläuft dessen Schieberichtung senkrecht zur Papierebene. Das Transfergate dient als Verbindungsglied zwischen Photodiode und Transportgate. Abb.10: Schematischer Aufbau eines CCD mit Photodiode und örtlicher Verlauf des Oberflächenpotentials in verschiedenen Phasen der Bildaufnahme Abb. 11: Querschnitt einer Photodiode

11 Der Betrieb des Pixels geschieht unabhängig von der Zahl der Taktphasen des CCD in zwei Phasen. Zum Beginn der Belichtungsphase befindet sich die Photodiode in Sperrichtung, wobei die n+ - Seite mit keiner Spannungsquelle verbunden ist (Floating Node). Die Photodiode arbeitet somit im integrierenden Betriebsmodus. In der Belichtungsphase werden durch Lichteinstrahlung Elektronen und Löcher erzeugt, die durch das elektrische Feld in der Raumladungszone voneinander getrennt und gespeichert werden. Während der Belichtung liegt das Transfergate auf einem niedrigen Potential ϕs. Solange das Potential der n+ - Seite der Photodiode noch oberhalb von ϕs liegt, existiert für die gespeicherten photogenerierten Elektronen eine Potentialbarriere. In der Austaktphase wird die Spannung am Transfergate erhöht und damit die Potentialbarriere für die Elektronen verringert. Dies bewirkt, dass ein Teil der photogenerierten Ladung über das Transfergate unter das Transportgate abfließen kann. Das Transportgate liegt auf einem höheren positiven Potential als das Transfergate, so dass die Ladung weitgehend vollständig dorthin überwechselt. Gleichzeitig wird damit das Transfergate auf ein definiertes Potential zurückgesetzt, das einem ungefüllten Potentialtopf entspricht, und mit ihm auch die Photodiode. Nach dem Auslesen liegt somit die n+ - Seite auf einem positiven Potential, so dass die Photodiode in Sperrrichtung vorgespannt ist. Dies ist genau der Ausgangszustand, wie er für die Belichtungsphase benötigt wird. Das Transportgate, unter dem sich nach dem Auslesen der Photodiode die Signalladung befindet, ist mit den anderen Gates im CCD-Element gekoppelt und wird so angesteuert, dass die Ladungspakete in Richtung des Ausgangs verschoben werden. Die hier dargestellte Anordnung von Photodiode, Transfergate und Transportgate entspricht dem Interline-Transfer-CCD ( 4.1.). Ein Nachteil des CCD mit Photodiode liegt darin, dass nur das Gebiet der n+p-diode photoelektrisch aktiv und somit der Fillfaktor des Bauelements entsprechend gering ist CCD mit Photogate Beim CCD mit Photogate wird der gesamte Raum unterhalb der Gates zum Sammeln der photogenerierten Ladungsträger genutzt. Die Trennung zwischen photoempfindlichen und ladungsverschiebenden Elementen entfällt somit. Abb. 12 zeigt eine Realisierung mit vier Gates pro Pixel (je zwei auf gleichem Potential), bei der zum Ladungsträgertransport vier verschiedene Oberflächenpotentiale erzeugt werden (Zwei-Phasen-CCD). Abb. 12: Schematischer Aufbau eines CCD mit Photogate und örtlicher Verlauf des Oberflächenpotentials für den statischen Fall (konstante Gatespannungen)

12 Vorteil des CCD mit Photogate ist der gegenüber dem CCD mit Photodiode erhöhte Flächenfüllfaktor. Da die Photonen zuerst das Gate durchdringen müssen, bevor Elektron- Loch-Paare erzeugt werden können, ist die Empfindlichkeit dieser Struktur jedoch vor allem für niedrige Wellenlängen (blaues Licht) schlechter als beim Photodiodeneingang, da die oberflächennahe Region nicht photoelektrisch aktiv ist. Abhilfe ist dadurch möglich, dass eine sehr dünne Gateschicht mit insgesamt maximal 100 nm realisiert oder das CCD-Element von hinten durch ein nur etwa 10 µm dickes Substrat beleuchtet wird Prinzip der Signalspeicherung in CCD-Sensoren Die CCD-Zelle kann als Potentialtopf betrachtet werden, dessen Füllstand linear mit der Signalladung ansteigt. Q S 2* ε * ε q* N 0 Si = COX *( UG Ufb ϕs) q* NA* * ϕs A ϕb C OX = geometrische Kapazität der Oxidschicht U G = angelegte Gatespannung U fb = Flachbandspannung Die Gleichung zeigt: zwischen Oberflächenpotential ϕ s und der gespeicherten Signalladung Qs besteht ein linearer Zusammenhang. Wenn ultraviolettes, sichtbares oder infrarotes Licht auf die photoempfindliche Schicht einer CCD trifft, entsteht meist ein freies Elektron und durch die zeitweise Abwesenheit des Elektrons im Kristall ein elektrisch positiv geladenes Loch. Das freie Elektron wird nun tief im Siliziumsubstrat in einem Ladungspool gesammelt, während sich das Loch vom Ladungspool und aus dem Silizium-Substrat wegbewegt. Die Ladungspools können nur eine bestimmte maximale Anzahl von Ladungen speichern, wodurch letztlich die Dynamik einer Kamera bestimmt wird. Einzelne Fotodioden sind primär voneinander isoliert, können einander aber unter bestimmten Umständen ungewollt beeinflussen. Das führt dann zu dem Problem, das man Blooming nennt. Die Dynamik (oder Dichte) der CCD bezeichnet das Maß der Schwärzung einer Vorlage, genauer das Verhältnis zwischen eingestrahltem und reflektiertem oder zwischen eingestrahltem und transmittiertem Licht. Unter dem Dichte- bzw. Dynamikumfang wird in der Optik die Gesamtheit der unterscheidbaren Helligkeitsstufen verstanden. Die Dynamik (oder Dichte) einer Vorlage ergibt sich aus der Differenz zwischen der Bildfläche mit der größten Dichte (Schwarzpunkt) und der Fläche mit der kleinsten Dichte (Weißpunkt). - lt. Datenblatt: L 110 C (CCD Zeile, DDR) Dynamikbereich (DR) = (typ.) 500:1 - lt. Datenblatt: CCD 111 (Fairchild, 256x1 Pixel, wie L 110 C?) DR = 7000:1 - lt. Datenblatt: CCD 133 A (Fairchild, 1024x1 Pixel, wie L 133C!) DR = 7500:1 - lt. Datenblatt: CCD 442 A (Fairchild, 2048x2048 Pixel) DR = 10000:1 Beispiel: Ein Dynamikumfang von z.b. 1000:1 heißt, dass 1000 unterscheidbare Stufen zwischen Schwarz und Weiß erkannt werden können Angaben für DR erfolgen oft in db ( Faktor 1000 = 30 db). Heutige CCD Chips: DR bei db keine Seltenheit (Quelle: Fuji)

13 3.3. Signaltransport Das Eimerkettenprinzip Die Ladungen aus den Pixelelementen werden über Schieberegister ausgelesen. Im Schieberegister wird der Inhalt einer Zelle einer benachbarten Zelle übergeben. Dies kann durch verschiedene Schaltungen erreicht werden, welche die Barrieren zwischen zwei Zellen (Eimern) auf oder abbauen. Um die Ladungen aus den Pixeln gerichtet zu transportieren, wird im Allgemeinen ein Verfahren verwendet, das auf einem 2-, 3- oder 4-Phasen Schieberegister aufbaut. Am Beispiel eines 3-Phasen Schieberegisters soll hier das Verfahren beschrieben werden. Abb. 13: Eimerkettenprinzip Beispiel: 3-Phasen-CCD G1 G2 G3 G1 G2 G3 G1 G2 G Takt 1 Takt 2 Takt 3 Abb. 14: Prinzip des 3-Phasen-CCD

14 Takt 1: Spannung an G1 erzeugt Potentiallevel 1 unter Gate 1 Potentialmulde für erzeugte Ladungsträger Takt 2: an Gate 2 wird höhere Spannung als an Gate 1 angelegt tiefere Potentialmulde Level 2 bildet sich Ladungsträger fließen in Mulde unter Gate 2 Takt 3: Spannung an Gate 1 wird erniedrigt auf Grundzustand Level 0 und danach wird Spannung an Gate 2 auf Potentiallevel 1 gebracht Ladungsträger sind genau ein Segment weitergewandert und das CCD ist wieder in Ausgangsposition für den nächsten Transportschritt Grundprinzip des Auslesens Abb. 15: Vereinfachte Sensordarstellung Schritt 1: Integration Licht Schritt 2: Pixel auslesen Schritt 3: vertikal verschieben Schritt 4: horizontal verschieben Schritt 5: horizontal verschieben Schritt 6: horizontal verschieben Schritt 7: horizontal verschieben Schritt 8: vertikal verschieben Abb. 16: Prinzip des Auslesens

15 Schritt 1: Integration - Belichten des Sensors über einen definierten Zeitraum Schritt 2: Verschieben der Ladung aller Pixelelemente in die benachbarten vertikalen Ausleseregister Schritt 3: Ladungen werden zeilenweise in das horizontale Schieberegister gebracht. Schritt 4-7: Horizontales Schieberegister wird entleert. Schritt 8: Nun kann die nächste Zeile in das horizontale Schieberegister ausgelesen werden. Je nach Sensorgröße müssen diese Schritte solange wiederholt werden, bis der Sensor komplett ausgelesen ist.

16 Kapitel 4: Sensortypen 4.1. Interline-Transfer-Sensor Dieser Sensortyp hat sicher weltweit die größte Verbreitung gefunden. Er wird in fast allen kommerziellen Kameras eingesetzt und liefert auch für die professionelle Bildverarbeitung sehr gute Ergebnisse. Beim Interline-Transfer-Sensor gibt es neben den lichtempfindlichen Pixeln vertikale Schieberegister. Diese Geräte bestehen aus einer Mischstruktur verschiedener Fotodioden und einer angeschlossenen CCD-Region mit einem Parallelauslesespeicher für jeden Pixel. Die Funktionen dieser zwei Regionen sind durch Metallmasken vor eintreffenden Lichtstrahlen geschützt.. Abb. 17: Interline Transfer CCD Architektur Diese maskierten Bereiche werden neben den Fotodioden platziert, sodass immer eine Spalte von Fotodioden mit einer Spalte von Speicherzellen abwechselt. Die Fotodioden nehmen nun wieder Licht auf und sammeln es. Ist dieser Vorgang abgeschlossen, wird das Bild mit hoher Geschwindigkeit in die Speicherfelder geschrieben. Während der Parallelspeicher gelesen wird, sammeln auch hier die Fotozellen wieder Photonen des nächsten Bildes. Ein Verschluss oder ein Synchronisator wird auch hier nicht benötigt. Die Schmiereffekte sind sehr gering, weil der Bildtransfer sehr schnell vonstatten geht (ca. eine Mikrosekunde). Bei Interline CCDs treten zudem wegen der geringen Apertur Abtastfehler auf. Einige Kameras hatten in der Vergangenheit auch mit zurückbleibenden Ladungen zu kämpfen, die erst mit dem nächsten Bild ausgelesen wurden. Neuere Geräte konnten diese Fehler aber beheben.

17 Abb. 18: Prinzip: Interline-Transfer-Sensor Zum Auslesen wird der Pixelinhalt über einen Verbindungskanal in die jeweils daneben liegende Zelle des vertikalen Schieberegisters geschoben. Das Schieberegister selbst ist abgedunkelt und ist deshalb nicht lichtempfindlich. Nun erfolgt das zeilenweise Auslesen des Sensors. Dazu werden die Ladungen aller vertikalen Schieberegister mit dem Eimerkettenprinzip um eine Stufe nach unten zum horizontalen Schieberegister 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 Frame-Transfer-Sensor Die Architektur von Frame-Transfer CCDs ist der von Full-Frame CCDs (Kapitel 4.3) ähnlich. Frame-Transfer-Geräte verfügen über ein Parallelschieberegister, das in zwei gleichgroße Gebiete eingeteilt ist. Diese Gebiete nennt man Bildfeld bzw. Speicherfeld (Image Array bzw. Storage Array).

18 Abb. 19: Frame-Transfer CCD Architektur Das Bildfeld besteht aus einem lichtempfindlichen Fotodiodenregister, das als Bildebene dient und die eintreffenden Photonen auf der CCD-Oberfläche sammelt. Nachdem die Bilddaten gesammelt und in elektrische Ladungen gewandelt wurden, werden die Ladungen sofort ins Speicherfeld geschoben, um dort vom seriellen Schieberegister ausgelesen zu werden. Die Transferzeit vom Bild- zum Speicherfeld ist von der Bildfeldgröße abhängig. Das Speicherfeld ist bei den meisten CCDs nicht lichtempfindlich, obwohl einige Geräte nicht mit einem integrierten Lichtschutz ausgestattet sind. Felder dieser Art können entweder im Full-Frame- oder im Frame-Transfer-Modus arbeiten. Durch die Anwendung von mechanischen Verschlüssen kann eine Frame-Transfer-CCD benutzt werden, um in kürzester Zeit nacheinander zwei Bilder aufzuzeichnen; ein sinnvolles Merkmal, das in der Fluoreszenz-Mikroskopie ab und an verwendet wird. Wie in Abb. 20 erkennbar, ist das dunkelgraue Speicherfeld von einer Metallabschirmung abgedeckt, um Interaktionen mit den eintreffenden Photonen zu vermeiden. Der Auslesevorgang erfolgt identisch zu dem bei Full-Frame-CCDs. Während das Speicherfeld ausgelesen wird, sammelt das Bildfeld neue Photonen für das nächste Bild. Der große Vorteil dieser Architektur ist die Fähigkeit, ohne Verschluss oder Synchronisationen auszukommen. Das führt zu einer Erhöhung der Gerätegeschwindigkeit und zu einer erhöhten Bildrate. Man kann den aktuellen Bildausschnitt als Videostrom auf einem kleinen Monitor, der an der Rückseite der Kamera angebracht ist, darstellen. Frame-Transfer-CCDs haben jedoch mit Problemen wie Bildschmiereffekten, die daher rühren, dass sich Aufnahme und Speicherung zugleich vollziehen, zu kämpfen. Schmiereffekte sind auf die Zeit begrenzt, die die Kamera benötigt, um das alte Bild ins Speicherfeld zu schieben. Geräte dieser Art sind außerdem teuer, weil die doppelte Menge an Silizium zur Herstellung benötigt wird. Das hat eine geringere Bildqualität oder höhere Kosten zur Folge. Der wesentliche Unterschied zum Interline Transfer Senor besteht darin, dass es hier keine getrennten vertikalen Ausleseregister gibt. Vielmehr werden die lichtempfindlichen Pixel selbst als vertikale Ausleseregister verwendet das Pixelfeld hat keine Blindbereiche Zudem hat der Frametransfer Sensor einen abgedunkelten Bereich, der direkt unter der empfindlichen Zone angeordnet ist. Entsprechend der unterschiedlichen Hardwarearchitektur ist auch das Ausleseverfahren anders als beim Interline Transfer Sensor.

19 Ein weiterer Unterschied ist, dass die Ladungen nach dem Integrieren nicht in die vertikalen Schieberegister transportiert werden müssen, da empfindliche Pixel und vertikale Schieberegister ja gleichbedeutend sind. Der zweite Unterschied besteht darin, dass die Bildinformation zuerst komplett vertikal in die abgedunkelte Zone geschoben wird. Von hier findet dann das übliche, zeilenweise Auslesen statt. Abb. 20: Prinzip Frame-Transfer-Sensor

20 4.3. Full-Frame-Sensor Full-Frame CCDs besitzen sehr dichte Pixelfelder, die in der Lage sind, Bilder mit der zurzeit höchsten Auflösung bereitzustellen. Diese populäre CCD-Architektur ist sehr weit verbreitet, nicht zuletzt wegen ihres einfachen Aufbaus, ihrer Zuverlässigkeit und Einfachheit in der Herstellung. Abb. 21: Full-Frame CCD Architektur Bedeutsam ist, dass das Pixelfeld hierbei keine Blindbereiche hat. Die Fotodioden decken die Fläche, auf die während der Belichtungsphase das Licht trifft, vollständig ab. Der Auslesevorgang verläuft zunächst wieder zeilenweise parallel und dann seriell. Der große Vorteil dieser Kamera ist ihre hundertprozentige Lichtausbeute. Full-Frame-CCDs besitzen oft Auflösungen aus Zweierpotenzen (512 x 512 oder 1024 x 1024), um Speicher- und Bildverarbeitungsoperationen zu vereinfachen. Sie haben meist quadratische Dimensionen, um Verzerrungen des Bildes zu vermeiden und besitzen bis zu 6 Megapixel mit einer Pixelgröße von 7 bis 24 Mikronen. Weil das Pixelfeld sowohl für die Belichtung als auch für das Auslesen verwendet wird, benötigt man einen mechanischen Verschluss oder eine andere Art von Synchronisation, um Schmiereffekte beim Fotografieren zu vermeiden. Schmier- oder Wischeffekte entstehen immer dann, wenn Fotodioden kontinuierlich und somit auch während des Auslesevorgangs belichtet werden. Die Schmierstreifen zeigen in die Richtung, in welcher der parallele Lesevorgang stattfindet. Bei Geräten, die über lange Auslesezeiten verfügen, kann der Effekt sehr bedenklich werden. Die Auslesegeschwindigkeit ist nach oben durch die Bandbreite des Ausgangsverstärkers sowie die Geschwindigkeit des Analog-Digital-Konverters begrenzt. Sie kann jedoch deutlich erhöht werden, wenn das Bild in kleinere gleichgroße Unterbilder eingeteilt wird, die dann simultan ausgelesen werden. Ein Videoprozessor setzt das Bild später wieder zusammen. Sowohl Vorder- und Rückseitenbelichtungen ( 7.2.) wurden mit Full-Frame CCDs umgesetzt. Bei der rückseitigen Belichtung werden eintreffende Photonen mit höherer Effektivität in elektrische Ladungen umgewandelt als bei der frontseitigen, weil das von hinten kommende Licht nicht das Gate durchqueren muss, das die lichtempfindlichen Fotodioden abdeckt. In letzter Zeit wurden neue CCD-Technologien vorgestellt, die Indiumzinnoxid für die Herstellung von lichtempfindlicheren Gates benutzen, um somit die Quanteneffektivität des Lichts zu erhöhen und die Rückseitenbelichtung überflüssig zu machen. Der Nachteil von Full-Frame-Kameras ist, dass sie keinen Videostrom von Bildern bereitstellen können, sondern nur einzelne zeitverzögerte Bilder, weil der Verschluss immer wieder schließen muss.

21 4.4. Zeilensensor Dieser Sensor besteht normalerweise aus nur einer lichtempfindlichen Zeile. Unter der Zeile befindet sich ein abgedunkeltes horizontales Schieberegister. Eine Ladungsbarriere verhindert, dass die Ladungen schon während des Integrierens in das Schieberegister auslaufen. Abb. 22: Prinzip Zeilensensor Das Hauptproblem bei Zeilensensoren ist die enorme Datenrate. Ein Zeilensensor von z.b Pixeln Länge soll z.b. mit Zeilen pro Sekunde ausgelesen werden. Das entspricht einer Frequenz von 20 MHz. Das Auslesen einer solchen Datenmenge stößt deshalb an physikalische Grenzen. Mit verschiedenen Methoden kann man diese Problematik lösen. Man kann zum einen je ein horizontales Ausleseregister oberhalb und unterhalb der Zeile anordnen. Bei einer fortlaufenden Nummerierung der Pixel von 1 bis x werden die ungeraden Pixel (1,3,5,7...) dann nach unten ausgelesen, die geraden Pixel (2,4,6,8...) nach oben. Man spricht in diesem Fall von Interleaved Pixeln. Die beiden Datenströme werden getrennt übertragen und müssen später wieder richtig sortiert werden. Abb. 23: Zeilensensor mit Interleaved Pixeln Zum anderen ist es möglich, die lange Zeile in mehrere kleinere Abschnitte zu unterteilen. Diese können dann gleichzeitig getrennt ausgelesen werden. Hier spricht man von Multi Taping. siehe Datenblatt L111 / L133A gleiches Prinzip

22 Kapitel 5: Ausleseverfahren und Video-Norm Das Auslesen eines CCD-Sensors wird durch die Video-Norm festgelegt, die das Timing und die Pegel zur Übertragung vorschreibt. Im folgenden sollen nur die Verfahren, die im Augenblick bei Interline Transfer Sensoren üblich sind, näher beschrieben werden. Grundsätzlich müssen dazu zwei unterschiedliche Sensorkonzepte betrachtet werden Herkömmliche Interlaced Verfahren Zum einen gibt es Sensoren, die ausschließlich mit der Interlaced-Technik (Halbbildverfahren) arbeiten. Dieses Verfahren kommt aus der Fernsehtechnik und bedeutet, dass ein Videobild aus je 2 Halbbildern zu einem Vollbild zusammengesetzt wird. Die Geschwindigkeit, mit der das geschieht, ist von der Videonorm abhängig. In Europa ist die sogenannte CCIR-Norm üblich. In der CCIR-Norm werden 25 Vollbilder pro Sekunde bestehend aus 50 Halbbildern festgelegt. In den USA ist dagegen die RS170- bzw. EIA-Norm gültig. Dort werden 30 Vollbilder aus 60 Halbbildern gefordert. Normale Fernseh- und Videogeräte arbeiten bisher fast ausschließlich nach diesen Normen. Die Halbbilder (Fields) können auf unterschiedliche Arten auf dem Sensor erzeugt werden Field Integration Mode Im Field Integration Mode werden die 2 Halbbilder, die nach der CCIR- oder RS170-Videonorm vorgeschrieben sind, auf dem Sensor zu komplett unterschiedlichen Zeiten aufgenommen. Beim jedem Halbbild werden immer die Ladungen von 2 übereinander gelegenen Pixeln in eine Zelle des vertikalen Schieberegisters geschoben, also praktisch addiert. Dadurch wird auch die Helligkeit verdoppelt. Die Position der beiden Pixel wechselt von Halbbild zu Halbbild mit einem Pixel Versatz in vertikaler Richtung. Abb. 24: Field Integration Interlaced

23 Integration HB 1 HB 2 HB 1 HB t Abb. 25: zeitlicher Ablauf bei Field Integration Interlaced Das erste Halbbild wird von Zeitpunkt 0 bis 1 aufgenommen, das zweite Halbbild von Zeitpunkt 1 bis 2 und so fort. Das Problem, das sich dadurch ergibt, ist, dass bei einem bewegten Objekt der Gegenstand zu 2 unterschiedlichen Zeiten aufgenommen wird. Werden die Halbbilder anschließend zu einem Vollbild zusammengesetzt ergibt sich folgender Effekt (auch Kammeffekt genannt): Abb. 26: Kammeffekt Frame Integration Mode Im Frame Integration Mode werden die 2 Halbbilder, ebenso zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen. Im Unterschied zum Field Integration Mode überlappen sich hier jedoch die Integrationszeiten. Bei jedem Halbbild werden immer nur die Ladungen von einem Pixel in eine Zelle des vertikalen Schieberegisters geschoben. Die Position des Pixels wechselt von Halbbild zu Halbbild mit einem Pixel Versatz in vertikaler Richtung.

24 Abb. 27: Frame Integration Interlaced HB 1 HB 2 HB t Abb. 28: Zeitlicher Ablauf beim Frame Integration Interlaced Das erste Halbbild wird von Zeitpunkt 0 bis 2 aufgenommen, das zweite Halbbild von Zeitpunkt 1 bis 3 und so fort. Die Integrationsbereiche überschneiden sich also über einen gewissen Zeitraum. Durch die Verwendung eines Lichtblitzes, der genau im Überlappungsbereich ausgelöst wird, ist es deshalb möglich, ein stehendes Bild zu bekommen. Abb. 29: Stehendes Bild im Frame Integration Mode

25 5.2. Moderne Progressive Scan Technologie Neben Sensoren, die im Field- oder Frame-Integration Mode arbeiten, gibt es Sensoren, die die Progressiv Scan Technologie nutzen. Dort besteht ein Bild nicht mehr aus 2 Halbbildern, sondern aus einem kompletten Vollbild. Typische Bildformate sind z.b. die VGA-Auflösung (640 x 480 Pixel) oder die Super-VGA-Auflösung (1280 x 1024 Pixel). Das Videosignal wird dabei üblicherweise im Non-Interlaced-Format ausgegeben. Normale Fernseh- und Videogeräte kommen mit diesem Format nicht zurecht, für die Bildverarbeitung hat es jedoch enorme Vorteile.Hier ist es nicht mehr nötig, zum richtigen Zeitpunkt einen Lichtblitz auszulösen, da alle Pixel des Sensors zur gleichen Zeit belichtet werden Standart Progressive Scan Bei diesem Sensor wird immer ein komplettes Vollbild ausgelesen und als Videosignal ausgegeben. Abb. 30: Standart Progressive Scan Integration VB 1 VB Abb. 31: Zeitlicher Verlauf beim Standart Progressive Scan t

26 Two Channel Progressive Scan Dieser Sensor arbeitet mit zwei horizontalen Schieberegistern. Dadurch ist es möglich, den Sensorinhalt über zwei Videokanäle simultan auszulesen. Dazu werden über den Videokanal 1 zuerst alle ungeraden ( Odd ) Zeilen und über den Videokanal 2 alle geraden ( Even ) Zeilen eines Vollbildes ausgelesen. Beim nächsten Vollbild werden über Videokanal 1 alle Even und über Videokanal 2 alle Odd-Zeilen transferiert usw. Zum einen kann dadurch der Sensor mit der doppelten Geschwindigkeit arbeiten (z.b. 50 bzw. 60 Vollbilder pro Sekunde), zum anderen liegt an jedem Videokanal ein normales Interlaced-Signal an, das mit der Standard-Videonorm kompatibel ist. Abb. 32: Two Channel Progressive Scan Abb. 33: Zeitlicher Verlauf beim Two Channel Progressive Scan

27 Kapitel 6: CCD-Farbkameras 6.1. Ein- und Drei-Chip-Kameras Um mit einem CCD-Element eine Farbkamera zu realisieren, sind optische Systeme erforderlich, mit denen das einfallende Licht in die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau zerlegt wird, bevor es auf das CCD fällt. Bei der Drei-Chip-Kamera werden drei CCDs verwendet, von denen je eines für die Detektion von rotem, grünem und blauem Licht zuständig ist. Das Licht wird zu diesem Zweck entweder mit einem Prisma in seine spektralen Bestandteile zerlegt oder fällt durch einen Strahlteiler und drei Farbfilter auf die CCDs. Diese Lösung ist aufwendig und teuer und verlangt neben drei Chips auch eine exakte Justierung der Chips untereinander, deren Genauigkeit im Bereich der Pixelgröße, also in der Regel bei wenigen µm liegen muss Abb. 34: Mosaikfilter für eine Ein-Chip CCD-Videokamera Für die Massenproduktion sind nur Ein-Chip-Kameras geeignet, bei denen die Farbaufteilung durch Mosaikfilter geschieht, die auf das CCD aufgebracht werden. Dadurch werden rot-, grün und blauempfindliche Pixel definiert. Abb. 34 zeigt eine mögliche Filteranordnung, bei der ein Farbbildpunkt aus je zwei grünempfindlichen, einem rot- und einem blauempfindlichen CCD-Pixel besteht. Die Anzahl der grünempfindlichen Pixel ist doppelt so groß, um die spektrale Empfindlichkeit der CCD-Kamera an das menschliche Auge anzupassen, das bei etwa 550 nm, also im Bereich des grünen Lichts, am empfindlichsten ist. Ein so aufgebautes Farb-CCD besitzt bei gleichen Abmessungen eine wesentlich geringere Empfindlichkeit als ein Schwarz-Weiß-CCD, da zum einen die Infrarotstrahlung herausgefiltert wird und zum anderen jedes Pixel nur einen Teil des sichtbaren Lichts absorbiert. Zudem liegt die Durchlässigkeit der Filter für Rot, Grün bzw. Blau bei etwa 50% bis 80%, wodurch die einfallende Lichtmenge zusätzlich reduziert wird. Farb-CCDs stellen daher besonders hohe Anforderungen an die Ausleseschaltung in Bezug auf den Signal-Rausch-Abstand.

28 6.2. Farbkanalseparierende, sequentielle CCD-Systeme Ein großer Nachteil von herkömmlichen CCD-Kameras ist die Tatsache, dass die gesamte Chipfläche mosaikförmig auf die drei Farbanteile aufgeteilt werden muss. Dies hat Moiréeffekte, geringe Auflösungen und eine geringe Lichtempfindlichkeit zur Folge. Die folgende Realisation versucht nun, diese Probleme durch die sequentielle Erfassung der einzelnen Farbkanäle zu lösen. Drei-Pass-Sequenz-Farb-CCD-Kameras benutzen ein rotierendes Rad das mit drei Farbfiltern ausgestattet ist. Rotiert das Rad, so werden abwechselnd jeweils der rote, der grüne bzw. der blaue Kanal des aktuellen Bildes herausgefiltert, um drei aufeinander folgende Bilder mit den drei RGB Farbanteilen (rot, grün und blau) zu erfassen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht in der Möglichkeit, das gesamte Pixelfeld der CCD für jede einzelne Farbe benutzen zu können, dadurch können Moiréeffekte gar nicht erst entstehen. Abb. 35: Sequentielles, farbkanalseparierendes CCD-System Siliziumbasierte 1-Chip-CCDs besitzen keine Möglichkeit, die Farbinformation eines Photons ohne Farbfilter zu unterscheiden. Obwohl elektromagnetische Strahlung von unterschiedlicher Wellenlänge das Silizium unterschiedlich stark durchdringt, ist die Interaktion, die freie Elektronen und Löcher generiert, nicht dazu geeignet, die Farbinformation aus der Ladung zu entnehmen. Ein typisches Sequenz-Farbbildsystem-Design ist in Abb. 35 dargestellt. Hier wird gezeigt, wie Licht durch den Rotfilter zur CCD-Oberfläche dringt. Der Vorteil besteht darin, dass man die maximale Auflösung des Chips für jede Farbe ausnutzt. Nachdem die gesamte Bildinformation aufgenommen wurde, wird das Bild ähnlich wie bei anderen CCD-Architekturen außerhalb vom Chip wieder zusammengesetzt und neuberechnet. Von Nachteil ist die relativ lange Belichtungszeit, die notwendig ist, um drei verschiedene Farbkanalbilder aufzuzeichnen. Man kann also nur feststehende Objekte damit erfassen, das Rotieren des Farbfilterrades muss außerdem möglichst vibrationsfrei verlaufen. Diese Drei-Pass-Sequenz-Farb-CCD-Technik wird langsam von konventionellen CCD-Kameras mit hohen Auflösungen abgelöst, bzw. von 3-Chip-CCDs ( 6.3.). Dennoch wurden gerade jetzt Geräte mit ultraschnell wechselnden LCD-Filtern entwickelt. Die LCD-Schirme helfen, die drei Bilder in Millisekunden zu filtern, erhöhen somit den Datenstrom und eliminieren das Risiko mechanischer Vibrationen.

29 6.3. Foveon X3-Chips : Filterlose, vollfarbige Pixel Um von den Mosaikformen gängiger Bildaufnehmer wegzukommen, wurde vor kurzem ein System für Digitalkameras entwickelt, dass anhand der unterschiedlich hohen Eindringtiefen der Photonen die Farbinformationen in drei Schritten auslesen kann. Im Vergleich zum vorhergehenden Beispiel, kann diese Architektur die Farbkanäle parallel statt sequentiell erfassen. Abb. 36: Foveon X3-Chip (jeder der 3 Chips erfasst einen Farbkanal) Eine solche Kamera, basierend auf CMOS-Technologie wurde Ende Februar 2002 auf der PMA (Photo Marketing Association) in Orlando/Florida vorgestellt. Sie soll neue Maßstäbe in punkto Preis und Auflösung setzen. Das Konzept unterscheidet sich von gängigen CCD-Sensoren und CMOS-Wandlern und nähert sich dem Prinzip der herkömmlichen Fotografie an. Es treten hierbei keine Moiré-Effekte und Farbsäume auf. Angewandt wurde diese 3-Chip-Technologie schon etwas früher bei einigen digitalen Videokameras. Um die Analogie dieses Verfahrens zum Prinzip der herkömmlichen Fotografie deutlich zu machen soll an dieser Stelle erwähnt werden, dass chemischen Filme auch mehrschichtig sind und dabei verschiedene Schichten für die drei Grundfarben rot, grün und blau besitzen. Die neue Kamera besitzt drei übereinander liegende Chips, von denen jeder für die Erfassung einer Farbkomponente zuständig ist. Das Licht dringt je nach Wellenlänge unterschiedlich tief in die Halbleiterelemente ein, d.h. längere Wellenlängen werden erst später absorbiert als kürzere. Diese Kamera hat zudem die dreifache Lichtempfindlichkeit und es ist keine kosten- und zeitraubende Interpolation erforderlich. Die erste Version einer solchen Kamera löst 2304x1536 Pixel auf, was der dreifachen Auflösung von Kameras mit Mosaikchips entspricht. Außerdem kann man bei geringen Lichtverhältnissen ganze Pixelgruppen (2x2 oder 4x4) zusammenschalten, man nennt das Variable Pixel Size (VPS). Die Auflösung verringert sich dabei wie bei einem lichtempfindlichen Film. Auch bewegte Videoaufnahmen mit einer Qualität, die der von Camcordern ebenbürtig ist, sind möglich. Quelle:

30 Abb. 37: Vergleichende Darstellung der Mosaik-Struktur (oben) und der Foveon X3 Struktur (unten)

31 Kapitel 7: Verbesserung der Lichtausbeute und Quanteneffektivität 7.1. Mikrolinsen Mikrolinsen (Lenslets) werden benutzt, um die Lichtausbeute der CCDs (besonders bei Interline- Verfahren und bei Vorhandensein von Drains ( 8.3.)) als auch bei CMOS Geräten zu erhöhen. Man verwendet sie meist, wenn die Pixelapertur stark unterhalb von 1 liegt. Die Mikrolinsen sorgen dafür, dass das ankommende Licht nur auf die Fotodioden anstatt auf blinde Bereiche innerhalb des Pixels fällt, um Informationsverluste möglichst gering zu halten. Abb. 38: Mikrolinsen Die Abb. 38 zeigt ein typisches Pixel- Linsenkonstrukt. Die Linse wird genau über den Farbfilter und den Metallschild eines Pixels gelegt. Jede Linse besitzt meist eine hochwertige Oberfläche aus Quarz. Der Durchmesser reicht von mehreren hundert bis zu 10 Mikronen, je nach Anwendung. Die Qualität der Linsen ist, was die physikalischen Eigenschaften betrifft, so hoch, dass sie ohne weiteres mit ihren großen Geschwistern mithalten kann. Mikrolinsen erhöhen die Lichtausbeute im Vergleich zu linsenlosen Pixeln um bis zu 300% und damit auch die Lichtempfindlichkeit der Kamera. In Abbildung 39 sieht man den Vergleich zweier Pixel, wobei einer eine Linse besitzt, um das Licht auf die Fotodiode zu bündeln. Der andere Pixel besitzt keine Linse. Die Fotodiode ohne Linse sammelt wesentlich weniger Licht als diejenige mit Linse. In CCDs kann der optische Füllfaktor um bis zu 20% eingeschränkt sein. Mit Linse kann man je nach Herstellungsverfahren wieder 100% erreichen. Bei CMOS Geräten ist der Zuwachs oftmals noch höher. Dabei ist festzuhalten, dass die Architektur der Linse abhängig von der Architektur der Kamera selbst ist. Auch die Dicke der Polysiliziumgates beeinflusst die Fähigkeit der Dioden, Licht zu erfassen.

32 Abb. 39: Verbesserung des Optischen Füllfaktors durch Mikrolinsen Die Nachteile der Linsen (höherer Aufwand und Kosten in der Herstellung) werden bei weitem durch die Vorteile höherer Lichtempfindlichkeit aufgewogen. Ein Problem tritt allerdings auf, wenn Linsen Lichtstrahlen bündeln, die eigentlich nicht im Gebiet des Pixels liegen. Mit kleiner werdenden Pixeln wird es zudem zunehmend schwieriger, hinreichend kleine Linsen herzustellen. Mikrolinsen höherer Qualität werden benötigt, um Bilder auf neuen Kameras abzubilden, was nicht ganz einfach ist. Auch die Einheitlichkeit der Linsenfeldern ist eine Forderung, die nur bedingt erfüllt werden kann. Abb. 40: Mikrolinsenarray auf Photodioden

33 7.1. Front- und Backside-Illumination Verbesserung der Quanteneffektivität Die Quanteneffektivität einer CCD beschreibt die fotovoltaische Reaktionen, die als die Anzahl der neu entstehenden Elektronen - Loch - Paare für jedes eintreffende Photon definiert ist. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig für Anwendungen, die in Bereichen mit wenig Licht zum Einsatz kommen sollen (Fluoreszenzmikroskopie). Standard CCDs, die die Photonen auf der Vorderseite durch die Gateelektrode und die darunterliegenden Schichten (Siliziumdioxid) eintreffen lassen, sind im grünen und roten Bereich (550 bis 900 nm) empfindlich, im blauen jedoch weniger. Abb. 41: Spektrale Empfindlichkeit verschiedener CCD Die spektrale Empfindlichkeit eines CCD Sensors unterscheidet sich von der einer einfachen Fotodiode dadurch, dass noch gewisse Layer aus Polysilizium auf der Vorderseite der CCD aufgebracht sind. Diese Strukturen, sind dazu da, die Ladungen zu transportieren und die CCD vor Feuchtigkeit und elektrostatischer Entladung zu schützen. Weiterhin absorbieren diese Schichten genau die Wellenlängen, die kürzer als 450 nm sind und verringern somit die Blauempfindlichkeit des Gerätes. Die Durchlässigkeit von Polysilizium wird für Wellenlängen unterhalb von 600 nm immer geringer. Für Photonen mit 400 nm Wellenlänge ist das Material undurchdringlich, wobei die Absorption zusätzlich von der Gatedicke und den Lichtinterferenzeffekten abhängt. Interline-Transfer-CCDs haben aufgrund ihrer Fotodiodenstruktur (kein Polysiliziumgate) kaum Probleme mit Interferenzeffekten. Die Quanteneffektivität ist auch von der Gatesspannung abhängig. Eine niedrige Spannung erhöht die Verarmungsgebiete im Transistor und umgekehrt. Traditionelle Filme sind im Gegensatz zu CCDs sehr empfindlich im Blaubereich, was oft zu deutlichen Unterschieden zwischen Bildern führt, die einerseits auf herkömmliche Art und andererseits mit einer CCD aufgenommen wurden. Kleiner werdende Pixeldimensionen verstärken diese Unterschiede zunehmend, weil die Blauempfindlichkeit für kleinere Pixel rapide abnimmt. Eine typische Spektralempfindlichkeitskurve für Standard-CCDs ist in der Abb. 41 dargestellt. Unebenheiten in den Diagrammkurven sind auf Interferenzeffekte auf der CCD-Oberfläche zurückzuführen. In den letzten Jahren wurde die Transparenz der Übertragungskanäle speziell im Blau-Grün-Bereich stark verbessert, gerade für wissenschaftliche CCDs (Blue Plus Kurve). Erreicht wurde dies durch neue Materialien und phosphorisierte Schichten.

34 Solche Schichten werden direkt auf die Oberfläche aufgetragen und emmitieren Licht im Bereich von 500 bis 580 nm, wenn auf sie hochenergetisches bzw. sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von 120 bis 450 nm trifft. Die Phosphorschichten rufen außerdem noch eine Fluoreszenz hervor, die in alle Richtungen gleichmäßig verteilt wird. Sie sind durchlässig für größere Wellenlängen, wodurch man eine Aufnahmebreite von ca nm zur Verfügung hat (120 bis 1100 nm). Abb. 41 zeigt als Ergänzung zum Vergleich auch die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges für das photonische und scotopische Sehen (Zapfen- und Stäbchensehen).Das Zapfensehen ist im grünen Bereich am ausgeprägtesten (555 nm), das Stäbchensehen ähnlich (507 nm). Die Quanteneffektivität beträgt hierbei maximal 3% für das Zapfensehen und 10% für das Stäbchensehen. Aus dieser Sicht hat eine CCD - Kamera ein viel breiteres Spektrum und eine höhere Quanteneffektivität als das menschliche Auge. Abb. 42: Front- und Backside beleuchtete CCDs Die Verluste, die durch Gate-Kanalstrukturen entstehen, werden beim Belichten von der Rückseite des CCD-Chips komplett annulliert. Hierbei fällt Licht auf die Rückseite der CCD in eine Region, die durch Ausätzen so dünn gemacht wurde, dass sie durchsichtig ist (Dicke von ca Mikronen). Die daraus resultierende spektrale Empfindlichkeitskurve (siehe Back-Thinned und Back-Illuminated CCD Abb. 41 und Abb. 43) zeigt die hohe Quanteneffektivität, die damit erreicht werden kann. Dieses Design ist aber sehr teuer. Deshalb ist es bisher nur in High-End-Wissenschaftskameras zum Einsatz gekommen. Antireflexionsschichten werden in den Backthinned CCDs benutzt, um die Quanteneffektivität zu erhöhen. Es ist aber noch nicht möglich, Schichten zu produzieren, die die Reaktivität für den gesamten Spektralbereich verstärken, insbesondere für die langen Wellenlängen.Schichten, die die Reaktivität für kurze Wellenlängen erhöhen, verringern sie oft im selben Atemzug für die langen Wellenlängen. Für die Forschung besteht deshalb eine vorrangige Aufgabe darin, eine Schicht zu entwickeln, die die Reaktivität im gesamten Spektralbereich erhöhen kann.