Smear in CCD-Sensoren

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1 Smear in CCD-Sensoren 1. Übersicht und Funktionsweise 1.1. Interline-Transfer-Sensor Aufbau des Sensors abgedunkelte lichtempfindliche Sensorfläche Der Sensor ist in Belichtungs- und Speicherbereiche unterteilt. Diese sind beim Interline-Transfer-Sensor streifenförmig angeordnet. Über die lichtempfindliche Sensorfläche (Belichtungsbereich) wird die Information dem CCD-Chip zugeführt. Über eine Verbindung zwischen der Sensorfläche und der vertikalen wird die entstandene Ladung innerhalb kurzer Zeit (ca. 2,5µs) in die abgedunkelte zelle (Speicherbereich) parallel übernommen. Die Ladungen der vertikalen werden nun zeilenweise ins horizontale () geschoben und von dort seriell ausgelesen. paralleles Übernehmen der Ladungen vertikales Schieben ins horizontales, serielles Auslesen der Dauer: ca. 2,5µs Zeilen 1.2. Frame-Transfer-Sensor Aufbau des Sensors lichtempfindliche (Sensorfläche) Beim Frame-Transfer-Sensor sind der Belichtungs- und der Speicherbereich in zwei großen Blöcken angeordnet. Die gesamte CCD-Fläche (lichtempfindliche und abgedunkelte ) ist etwa zweimal so groß wie die des Interline-Transfer-Sensors. abgedunkelte

2 Die selbst sind bei diesem Sensor lichtempfindlich. Die gesamte Ladung wird innerhalb ca. 500µs durch das Transportregister in das abgedunkelte geschoben. Von dort werden die Ladungen vertikal ins geschoben und seriell ausgelesen (z.b. innerhalb 64µs pro Zeile). vertikales Übernehmen (Schieben) vertikales Schieben ins horizontales (serielles) Auslesen der Ladungen z.b. alle 20ms. z.b. innerhalb 64µs pro Zeile Dauer: ca. 500µs 2. Smear Smear ist ein fehlerhaftes Signal, welches im Bild von oben nach unten (vertikal) durch einen hellen Bildbereich läuft. Die Ursache ist bei den üblichen CCD-Typen unterschiedlich: a) Frame-Transfer-CCD Bei "Frame-Transfer-CCDs" wird Smear erzeugt durch auftreffendes Licht während das generierte Bild von der Belichtungszone in die Speicherzone geschoben wird (frame shift). b) Interline-Transfer-CCD Bei Interline-Transfer-CCD s wird Smear erzeugt durch gestreute Photonen, die in das abgedeckte vertikale eintreten, anstatt in den Photodioden gesammelt zu werden. c) MOS-XY Sensoren MOS-XY Sensoren haben die gleichen Ursachen wie Interline-Transfer-CCD s d) CID Sensoren Bei CID-(Charge-Injection-Device)-Sensoren tritt kein Smear auf.

3 2.1. Messtechnische Größen Zur Messung des Smears wird üblicherweise ein weißes Rechteck (100% Aussteuerung) mit 10% Höhe des Gesamtbildes auf schwarzem Hintergrund (0% Aussteuerung) gewählt. a) Frame-Transfer-CCD: Ist die Belichtungszeit (integration time) und t tr die Transferzeit (frame shift) von der Belichtungszone in die Speicherzone, so gilt: smear 1 = 10 t tr t tr Belichtungszeit [s] Transferzeit [s] Typische Werte für t tr sind ca. 500µsec bei einem Video CCD b) Interline-Transfer-CCD: Ist die Belichtungszeit und t rd (read) die Auslesezeit des CCD s, so wird der Smear zu: smear = V SM t t rd int t rd Belichtungszeit [s] Auslesezeit [s] (Video = 20ms) V SM = vertikaler Smear Faktor typ: 1/20.000

4 2.2. Beispiele Beispiel A: Bei 10ms Belichtungszeit und einer Transferzeit von 500µsec. erzeugt ein Frame-Transfer-CCD folgenden Smear: Smear = 1 500µ sec ms = 05%, Anmerkung: Dies gilt für den typischen Test bei einem weißen Rechteck (100% Aussteue rung) mit einer Höhe von 10% der Gesamthöhe des Bildes. Oft ist jedoch bei einer realen Abbildung ein heller Fleck mehr als 100% ausgesteuert. Der Smear erhöht sich damit z.b. bei 10facher Überbelichtung (z.b. Glühfaden) insgesamt ebenfalls um das 10fache. Beispiel B: Ein Interline-Transfer-CCD hat eine Belichtungszeit von 10ms und eine Auslesezeit von 20msec. Wie groß ist der Smear? 1 20msec. Smear = = 001%, msec. Selbst bei einer lokalen Überbelichtung ist der Smear hier vernachlässigbar. Beispiel C: Anders verhält es sich bei kurzen (Shutter) Belichtungszeiten: Ein Interline-Transfer-CCD hat eine Belichtungszeit von 5µsec (electronic shutter) und eine Auslesezeit von 20msec. Die Belichtungsquelle leuchtet kon tinuierlich. 1 20msec. Smear = = 20% µ sec. Abhilfe schafft hier ein zusätzlicher Verschluß in Form eines mechanischen oder elektro-optischen Verschlusses, der während der Auslesezeit den Lichteinfall auf den CCD verhindert. Normalerweise wird eine Blitzlichtquelle ver wendet. Damit wird die Auslesezeit quasi verkürzt. Beispielsweise verbessert ein Fotoblitz mit Blitzlänge 1 / 5000 sec den Smear im obigen Beispiel um den Faktor 100.

5 3. Verringerung der Smear Erscheinung 3.1 Frame Transfer CCD s Da bei Frame Transfer CCD s der Smear nur während des Transports des Bildes von der Belichtungs- in die Speicherzone auftritt, kann durch "Abschalten" der Beleuchtung während dieser Zeit der Smear vollkommen unterdrückt werden. Dies ist z.b. möglich mit einem mechanischen Shutter, der vor dem CCD angebracht wird Interline Sensoren Bei kontinuierlicher Beleuchtung fallen ständig gestreute Photonen oder fehlgeleitete Elektronen in die abgedunkelten, die zum Smear beitragen. Wird die Ladung in den n nicht geschoben so wird ein kleiner zusätzlicher Anteil an Elektronen zur normalen Belichtung erzeugt. Dieser Anteil ist jedoch normalerweise nicht störend, da er sich an gleichem Ort, wie das Originalbild befindet. Erst durch das Schieben des gespeicherten Bildes wird durch den zusätzlich generierten Anteil ein vertikaler Smear erzeugt. Durch das Schieben von einer Belichtung wird ein senkrechter Streifen oberhalb eines hellen Punktes generiert. Das Schieben, welches der Belichtung zeitlich folgt, erzeugt einen Smear-Streifen unterhalb des hellen Punktes. Möglichkeiten zur Verringerung des Smears sind das Abschalten des Lichtes vor und nach einer Belichtung. Dies ist beispielsweise mit mechanischem oder auch LCD-Shutter möglich. Bei Verwendung eines Blitzlichtes als Beleuchtung entfällt meistens das Smearproblem. Ein Blitzlicht mit einer 1/ Sekunde ist normalerweise ausreichend auch für eine sehr kurze Belichtungszeit von 100ns. Mechanische Shutter haben bei einer Iris-Öffnung von 25mm eine typische On-/Offzeit von ca. 3ms-4ms. Dies reicht für viele Anwendungen, jedoch nicht für sehr kurze Belichtungszeiten (typ. <10µs), da hier noch viel Smear erzeugt wird. Verwendet man den mechanischen Shutter nicht vor der Kamera sondern z.b. zum Ausblenden einer Laser-Beleuchtung, so kommt man mit einer wesentlich kleineren Iris-Öffnung aus. Als On-/Offzeit lassen sich damit unter 1ms erreichen. Eine weitere Verbesserung bringen LCD-Shutter. Sie besitzen eine On-/Offzeit von ca. 100µs, jedoch besitzen sie nur ein on/off-ratio von ca. 1000/1 und haben eine Transmission von ca. 30% sowie einen eingeschränkten Frequenzbereich. Günstig ist es, ebenfalls während des Öffnens und Schließens des Shutters das Bild nicht in die n zu schieben. Dies kann durch Setzen eines Delays vor und nach der elektronischen Belichtungszeit geschehen.