Verwendungszweck elektronischer Kameras

Transkript

1 Verwendungszweck elektronischer Kameras - Erfassung von Objekten durch optische Abbildung (= zweidimensionale Helligkeitsverteilung) und Umwandlung in elektrische Signale. Anschließend Digitalisierung der Signale. - Fotokamera: Erfassung von Einzelbildern - Videokamera: Erfassung von Bewegung

2 Umwandlung von Licht in elektrische Ladung Innerer Fotoeffekt: Photonen dringen in Halbleiter (z.b. Silizium) ein und schlagen Elektronen aus den Atomhüllen heraus. Es entstehen freie Elektronen. Licht Si freies Elektron Silizium

3 Bei einem Bildsensor sammeln sich die freien Elektronen in winzigen Töpfchen, die in einem regelmäßigen Raster angeordnet sind. Jedes Töpfchen stellt einen Bildpunkt (Pixel) dar. Bildsensor mit 20 Pixeln als Beispiel 3 bis 5µm Je mehr Licht auf ein Pixel trifft, um so mehr Elektronen werden erzeugt und gesammelt. Das vom Objektiv auf das Silizium projizierte Bild erzeugt also ein entsprechendes Ladungsbild.

4 CCD Sensor, Aufbau (Charge coupled device) Bildfeld Ausgang Horizontalregister Verstärker Auslesekondensator

5 CCD Sensor, Funktionsprinzip Nach dem Belichten wird ausgelesen: 1. Das gesamte Bild wird um eine Zeile nach unten verschoben; die unterste Zeile gelangt ins Horizontalregister. 2. Der Inhalt des Horizontalregisters wird durch Verschieben nach rechts Pixel für Pixel ausgelesen. Im Auslesekondensator erfolgt die Umwandlung der Ladung in eine elektrische Spannung, die anschließend verstärkt wird. Die beiden Schritte werden abwechselnd durchgeführt bis das ganze Bild ausgelesen ist.

6 CMOS Sensor, Aufbau (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) Bildfeld Ausgang Zeilenauswahl Spaltenauswahl End- Verstärker

7 CMOS Sensor, Funktionsprinzip In jedem Pixel befindet sich ein Verstärker, der die gesammelte Ladung in eine Spannung umwandelt (Active Pixel Sensor, APS). Nach dem Belichten wird mittels der Zeilenauswahl die erste Zeile auf die Spaltenleitungen geschaltet. Die Spaltenauswahl schaltet nun die Signale auf den Spaltenleitungen nacheinander zum Ausgang durch. Dann wird die zweite Zeile adressiert, die entsprechenden Pixel ausgelesen, und so weiter.

8 Vergleich CMOS, CCD; Funktionsprinzip CCD: Ladungen werden verschoben, Umwandlung in Spannung erfolgt am Ausgang. CMOS: Umwandlung Ladung in Spannung erfolgt in jedem Pixel; Spannungen werden zum Ausgang weitergeleitet.

9 Vergleich CMOS, CCD; Eigenschaften CMOS: - schnelle Auslesung möglich - Auslesung von Teilbildern möglich (ROI) - geringerer Leistungsverbrauch - kein Blooming, kein Smearing CCD: - lange Belichtungszeiten durch sehr geringe Dunkelströme möglich (Astronomie) - hohe Lichtempfindlichkeit - kein Fixed Pattern Noise (FPN)

10 Farbkamera CCD- und CMOS-Sensoren reagieren zwar auf Licht, sind sie jedoch nicht in der Lage, die Wellenlänge des Lichts zu erfassen. Zur Aufnahme von Farbbildern müssen daher weitere Maßnahmen ergriffen werden.

11 3-Chip Kamera grünreflektierende Schicht Bildsensor Grünanteil Grün-Korrekturfilter Luftspalt Bildsensor Rotanteil Rot-Korrekturfilter blaureflektierende Schicht Bildsensor Blauanteil Blau-Korrekturfilter Objektiv

12 1-Chip-Kamera (Farbmosaik) - Pixel sind mit Farbfiltern bedeckt - typisches Muster: Bayer-Pattern Grün ist zweimal vertreten, weil im grünen Licht die meiste Information steckt, und damit die Auflösung und Kantenschärfe verbessert wird.

13 1-Chip-Kamera, Probleme Die beiden fehlenden Farben müssen für jedes Pixel mittels spezieller Algorithmen aus den andersfarbigen Nachbarpixeln berechnet werden (Farbrekonstruktion). Dabei entstehen bei einfachen Berechnungsverfahren Artefakte in Form von Farbrändern und Farbmoirés.

14 1-Chip-Kamera (Foveon-X3-Sensor) - Licht dringt abhängig von seiner Wellenlänge unterschiedlich tief ins Silizium ein. - Drei übereinander liegende Sensorschichten erfassen somit rotes, grünes und blaues Licht. Vorteil: Jedes Pixel erfasst alle drei Farben; keine Farbränder und Farbmoirés im Bild. Nachteil: Die Farbtrennung ist relativ schlecht.