Eine CCD Speicherzelle besteht aus einem sogenannten MOS Kondensator (Metall Oxid Semiconductor).

Transkript

1 - 1 - 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 Si- Oxid 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

2 - 2 - 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 angesehen. (Dies entspricht einem Betrachtungsabstand von 4- bis 5-facher Bildhöhe). Zeilenzahl z = β/α 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

3 - 3 - Sensortechnik II III. 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.

4 - 4 - 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.

5 - 5 - 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-Chip- Prinzip, 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.