Optik in Smartphones. Proseminar Technische Informatik Fabio Becker 9. Juli 2014

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Optik in Smartphones. Proseminar Technische Informatik Fabio Becker 9. Juli 2014"

Jacob Kuntz
vor 6 Jahren
Abrufe

1 Optik in Smartphones Proseminar Technische Informatik Fabio Becker 9. Juli

2 Gliederung Die Kamera Grundidee für das Smartphone Grundlagen zur Optik Skalierung Aufbau Ziele/Trend in Zukunft Zusammenfassung 2

3 Die Kamera 1826 gelang die erste Fotografie mit der Camera obscura 1975 wurde die Digitalkamera geboren Heutige Kameras funktionieren nach folgendem Prinzip Quelle: Im Smartphone umsetzbar? 3

4 Grundidee Idee: Alle Bauteile um den Faktor 20 verkleinern Lässt sich das einfach umsetzen bzw. welche Probleme könnten auftreten? 4

5 Grundlagen Brennweite f : Abstand zwischen Objektiv und Brennpunkt F Bildweite b : Abstand zwischen Objektiv und Bild Gegenstandsweite g : Abstand zwischen Objektiv und Objekt Bildgröße B Gegenstandsgröße G 5 Quelle: gi%3fgebiet%3d01%26kapitel%3d29%26seite%3d6

6 Grundlagen Abbe sches Auflösungsvermögen: d : Nötiger Abstand zweier Linien (in optischem Gitter) für getrennte Erkennung λ (Lambda) : Wellenlänge des Lichts α : halber Öffnungswinkel des Objektivs n : Brechungsindex (hier Luft, also n=1) 6

7 Skalierung Annahme: Verkleinerung um Faktor x Auswirkung nach Abbe: => d wird größer O α O O α O H H 7

8 Skalierung Licht wird durch Sensor aufgenommen (CCD,CMOS) Unterschiedliche Anzahl MP Pixelgröße hängt von MP/Sensorgröße ab Als Beispiel: Wir skalieren mit gleicher Anzahl MP 8 Quelle:

9 Skalierung Beispiel: Linse: 40mm, f=50mm, Sensor: 24mm x 36mm, Format 3:2 Skalierung um Faktor 20: Linse: 2mm, f=2,5mm, Sensor: 1,2mm x 1,8mm Mit 16 MP: 3 N 2 N = N² = N = ,8mm/(3*1600)= 0,000375mm (0,375µm) Mögliche Probleme? 9

10 Skalierung Sichtbare Wellenlänge beginnt bei 380nm (0,38µm) Das (Bild)-Rauschen nimmt zu Probleme für die Elektronik Fehlender Raum für Auslesen der Pixel Lichtunempfindliche Fläche wird relativ größer Zum Vergleich: Tatsächliche Größen zwischen 1,0µm-2,0µm 10

11 Skalierung Das (Bild-)Rauschen: Signal-Rausch-Verhältnis als Maß Mehrere Rauscharten Z.B. Dunkelstrom als Ursache Strom in Pixeln auch ohne Belichtung Temperaturabhängig => Thermisches Rauschen Quelle: Photonenrauschen 11

12 Skalierung Photonenrauschen: Photonen sind auf dem Sensor zerstreut Je kleiner der Pixel, desto weniger Photonen/Pixel Allgemein gilt: n Quelle: => Je mehr Photonen/Pixel, desto geringer das Rauschen 12

13 Skalierung Schwierigkeiten für die Herstellung: Präzise Montage (z.b. von Linsen) erforderlich Leistungsstarke und günstige Bauelemente Kompakte Größen (Smartphone-Größe einhalten) => kein optischer Zoom möglich Fazit der Skalierung: Sensor lässt sich nicht einfach herunterskalieren! =>Sensor wird größer als die Linsen 13

14 Aufbau Das Objektiv besteht aus mehreren Linsen und einer Blende Objektiv ist auf CMOS/CCD-Sensor montiert 14 Quelle: kamera-sensor-51/

Sphären leichter herzustellen und zu prüfen 15 Quelle: http://www.badische-zeitung.

15 Aufbau des Objektivs Besteht aus mehreren Linsenarten: Sammellinsen Zerstreuungslinsen Unterscheidung in Spähren und Asphären Sphäre: In Kugelform Asphäre: weicht von Kugelform ab Sphären leichter herzustellen und zu prüfen 15 Quelle: 1/durchblick-fuers-handy html Quelle:

16 Aufbau des Objektivs Herstellung: Materialien (hochwertige Kameras): Glas, Quarz, Glaskeramik etc. Für Smartphones: Kunststoff Blenden: Je nach Größe mehr oder weniger Licht für den Sensor Größere Blende führt zu weniger Rauschen und weniger Schärfentiefe Beispiele: 16 Quelle:

17 Aufbau des Sensors CCD/CMOS Sensoren Bestehen aus lichtempfindlichen Fotodioden (Pixel) Unterschiedliche Sensorgrößen Abhängig von Anzahl an Pixeln und Prioritäten der Unternehmen 17 Quelle:

Aufbau des Sensors Niedrige Anzahl an Pixel und großer Sensor Kantenlänger sehr groß, daher viel Lichtaufnahme Gute Bilder bei wenig Licht Hohe Anzahl an Pixel und kleiner Sensor

18 Aufbau des Sensors Niedrige Anzahl an Pixel und großer Sensor Kantenlänger sehr groß, daher viel Lichtaufnahme Gute Bilder bei wenig Licht Hohe Anzahl an Pixel und kleiner Sensor Kantenlänge sehr klein, daher wenig Lichtaufnahme Häufiger Probleme mit Rauschen =>Hohe Anzahl MP bedeutet nicht automatisch gute Bilder! 18 Quelle:

19 Ziele Hochwertigere Bilder bei gleicher Größe Qualität größerer Kameras in normaler Smartphone-Größe Kosten möglichst gering halten Günstigere Herstellungsverfahren Probleme minimieren Unterschiedliche Herangehensweisen: Größere Sensoren für weniger Lichtprobleme Höhere MP-Anzahl (evtl. aus Marketing-Gründen) 19

de/news/96476-galaxy-s4- zoom-samsung-kamera-smartphone-vorbestellbar.

20 Trend in Zukunft Kompaktkamera komplett durch Smartphones ersetzen Optischer Zoom für das Smartphone Belichtung und Schärfe verbessern Quelle: zoom-samsung-kamera-smartphone-vorbestellbar.html Electrowetting als neue Variante für Linsen Linse ist dynamisch Verbesserter Zoom Quelle: tml 20

net/first-look-sonysnew-curved-sensor-will-game-changer/ Verwendung von mehreren Kameras auf der Rückseite Erleichterter Umgang

21 Trend in Zukunft Gebogener CMOS-Sensor für bessere Qualität Bildfeldwölbung wird kompensiert Schwierigkeiten für das Objektiv werden geringer Quelle: Verwendung von mehreren Kameras auf der Rückseite Erleichterter Umgang mit Bildfehlern Betrachtung aus 2 Perspektiven Neue Möglichkeiten wie 3D-Filmen 21 Quelle:

22 Zusammenfassung Kameras sind nicht einfach um Faktor x skalierbar Stößt an physikalische Grenzen Rauschen wird stärker bei kleineren Pixeln Auflösungsvermögen nimmt ab (nach Abbe) Komplizierte Herstellungsverfahren Neue Anforderungen an die Optik durch größeren Sensor Präzision im Smartphone schwieriger zu gewährleisten Hohe Anzahl MP entspricht nicht zwingend guten Bildern Trend: Fusion von Kompaktkamera und Smartphone 22

23 Quellen

Ähnliche Dokumente

Multimediatechnik / Video

Multimediatechnik / Video Lichtwellen und Optik http://www.nanocosmos.de/lietz/mtv Inhalt Lichtwellen Optik Abbildung Tiefenschärfe Elektromagnetische Wellen Sichtbares Licht Wellenlänge/Frequenz nge/frequenz