Kameratechnik FH Köln
Lernkarteikarten zum Fach Kameratechnik an der FH Köln
Lernkarteikarten zum Fach Kameratechnik an der FH Köln
Was ist die Bandlücke und um was für Materialien(?) handelt es sich bei kleiner, mittlerer oder großer Bandlücke?
Bandlücke (Bandgap): Die verbotene Zone zwischen Valenz- und Leitungsband. Keine Bandlücke: Leiter Große Bandlücke: Isolatoren (z.B. Diamant: 7eV) Mittlere Bandlücke: Halbleiter
Bestandteile passives Pixel ?
Das passive Pixel besteht nur aus dem lichtempfindlichen Bereich und einem Auslesetransistor, die Ladung wird im Ausgangsverstärker in Spannung umgewandelt.
Bestandteile aktives Pixel?
Das aktive Pixel besteht aus dem lichtempfindlichen Bereich und 3 Transistoren:
1. Source Follower: Setzt die Ladung in eine Spannung um
2. Resettransistor: „löscht“ die Ladung aus dem lichtempfindlichen Bereich
3. Row Select: Adressiert das Pixel und schaltet den Ausgang des Source Followers auf den Pixel-Ausgang
Was heißt CCD?
CCD: Charge-Coupled Device (Ladungsgekoppeltes Element) Nebeneinanderliegende MOS-Kondensatoren
Betriebsarten: Elementbetrieb
Betriebsarten: Sperrrichtung
Wie werden Photodioden in Bildsensoren verwendet?
- Betrieb in Sperrrichtung
- Meistens Ladungsintegration, d.h. es werden, wie beim Betrieb im Leerlauf, Elektronen gesammelt
- Um mehr Elektronen sammeln zu können, werden Elektronen aus dem n-dotiertem Gebiet durch anlegen einer Sperrspannung „herausgesaugt“ (= die Sperrschichtkapazität der Photodiode wird aufgeladen), Vergrößerung der Raumladungszone (Verarmung, Depletion)
- Die Sperrspannung wird dann abgeschaltet und es werden Elektronen gesammelt (= der Photostrom entlädt die Sperrschichtkapazität)
- Der Spannungsunterschied zwischen der Sperrspannung und dem Potential an der Photodiode nach der Ladungsintegration entspricht der Signalspannung, die weiter verarbeitet werden kann
Welcher Sensor hat ein höheres Rauschen?
Wie funktioniert das Auslesen bei CCD und CMOS?
CCD: durch Ladungsverschiebung
CMOS: durch Adressierung der Pixel über MOS-Transistoren
Welcher Sensor hat die schnellere Auslesegeschwindigkeit?
Was ist Blooming?
Was kann man dagegen tun?
Bei punktueller Überbelichtung kann es bei allen CCD-Strukturen zum „Blooming“ kommen Das überbelichtete Pixel kann keine weitere Ladung mehr aufnehmen, es „läuft über“ und die Ladung verteilt sich auf die benachbarten CCD-Strukturen Abhilfe: Anti-Blooming-Struktur
Was ist "Smear"?
Was kann man dagegen tun?
Durch den Ladungstransport während der Belichtung kann es, bei starkem Lichteinfall, zur Belichtung der transportierenden CCD-Pixel kommen. Diesen Effekt nennt man „Smear“ Abhilfe: Smear- before : Charge-Reset Smear-after : mechanischen oder elektro-optischen Shutter
Was ist die Transfer Inefficiency?
Verlust von Ladung durch den Transpor durch ein CCD Schieberegister
Im allgemeinten wird die Transfer Efficiency angegeben. --> Ladung die beim Transport von einem Gate zum nächsten verschoben wird
Aufbau und auslesen eines Frame-Transfer CCD?
Skizze
siehe Bild
Aufbau und auslesen eines Full-Frame CCD
Skizze
siehe Bild
Aufbau und auslesen eines Interline-Transfer CCD?
Skizze
siehe bild
Aufbau und auslesen eines Frame-Interline-Transfer CCD
Skizze
siehe Bild
Vergleich von CCD Architekturen
siehe Bild
Welche Ladungstransportsysteme gibt es?
4-Phasen-System
3-Phasen-System
2-Phasen-System (es gibt 2 verschiedene, ich nenn das erste 2.1 und das zweite 2.2)
1-1/2-Phasen-System
virtuelle Phase
Formel für Tccd für jedes Phasensystem?
4-,3-,2.1-Phasen
Tccd= AnzahlPhasen*2*tclk
2.2-,1-,virtuelle Phase
Tccd = AnzahlPhasen*tclk
fccd= 1/ Tccd
Was sind die Aufgaben einer Digitalkamera?
Sie wandelt das LICHT und setzt es um in digitale Signale
Was versteht man unter Rauschen
statistische Schwankungen eines Signals
zeitlischer Mittelwert = 0,
Effektivwert wird angegeben in rms (route mean square)
Was für Rauscharten gibt es?
Photon Noise, Dark Current Noise, Photo Response Nonuniformity, Reset Noise, 1/f Noise, Amplifier Noise, Quantification Noise
Nenne verschiedene Sensorartefakte
1. Dunkelstrom
2. Hot Pixels
3. Defekte Pixel
4. Aliasing (Moiré)
5. Blooming
6. Smear
Was sind die Bearbeitungsschritte bei der Halbleiterfertigung
1. Schichttechnik: 2. Lithografie: 3. Ätztechnik: 4. Dotierverfahren: 5. Wafertest: 6. Aufbau- und Verbindungstechnik:
Was ist PRNU?
Ursachen?
Effekte?
Gegenmaßnahmen?
Photo Response Non-Uniformity (FPN)
Pixel unterscheiden sich geringfügig in der Empfindlichkeit
Variation der Pixel in Größe und spektraler Empfindlichkeit durch z.B. Dotierung und Schichtdicke oberhalb des Siliziums
Erscheint als Pattern im Bild, Bildrauschen. Kann als unterschiedliche Verstärkung der Pixel gesehen werden
Flat-fielding, Neuberechnung der Pixelwerte durch Multiplikation mit Korrekturmatrix
Was ist DSNU?
Ursachen?
Effekte?
Gegenmaßnahmen?
Dark Signal Non-Uniformity (FPN)
Pixelgröße, Dotierung und Fremdatome die im Produktionsprozess fehlerhaft mit eingebaut wurden
Erscheint als Pattern im Bild, kann als Offset der einzelnen Pixel interpretiert werden
Dunkelbildabzug, Berechnung der Werte mit Dunkelstrommatrix (Abzug)
Was ist PN oder PSN?
Ursachen?
Gegenmaßnahmen?
Photon Noise oder Photon Shot Noise
Photonen kommen statistisch verteilt auf den Sensor
keine
Was ist DCN oder DCSN?
Ursachen?
Gegenmaßnahmen?
Dark Current Noise oder Dark Current Shot Noise
Dunkelstromelektronen werden statistisch erzeugt
keine, außer Reduktion des Dunkelstroms
Was ist Dunkelstrom?
Ursachen?
Gegenmaßnahme?
Elektronen ~ Belichtungszeit
Wenn kein Licht auf den Sensor fällt werden trotzdem Ladungen gesammelt.
Ursache ist die Erhitzung des Sensors.
Gegenmaßnahme ist die Kühlung des Sensors und die Erstellung einer Dunkelstromreferenz um den Dunkelstrom aus Pixeln herauszurechnen.
Was ist RN oder kTC Noise?
Ursachen?
Effekte?
Gegenmaßnahmen?
Reset Noise
Thermisches Rauschen des Widerstands im Reset-Transistor
Unsicherheit wie weit die Floating Kapazität geleert ist
Kleiner Kapazitäten, CDS signifikanter (Correlated Double Sampling)
Was ist AN?
Ursachen?
Effekte?
Amplifier Noise (zusammen mit 1/f Noise n(floor))
Thermisches Rauschen der Widerstände im Verstärker
"Weißes" Rauschen, typische Rauschbild
Was sind Hot Pixel?
Ursachen?
Gegenmaßnahme?
Extrem hoher Dunkelstrom.
Entstehen bei der Sensorherstellung oder Pixel werden im Laufe der Zeit zu Hot Pixeln (Alterung).
Positionen von Hot Pixeln lassen sich abspeichern und diese Pixel dann über Nachbarpixel interpolieren.
Was ist 1/f N?
Ursachen?
Effekte?
1/f Rauschen (zusammen mit Amplifier Noise n(floor))
Veschieden, nicht näher beschrieben Ursachen
Niederfrequentes Rauschen, Abnahme der Rauschamplitude mit 1/f
Was sind Defekte Pixel?
Gegenmaßnahme?
Defekte Pixel auf dem Sensor.
Typisch: Weiße oder schwarze Pixel,
bei CCD ganze Spalten.
Gegenmaßnahmen: Interpolation
Was ist QN?
Ursachen?
Quantisierungsrauschen
Analoge Signale werden in diskrete gewandelt, durch Quantisierungsfehler entsteht rauschen.
Was ist Aliasing (Moiré)?
Ursachen?
Gegenmaßnahme?
Bildsensoren tasten nicht nur zeitlich, sondern auch örtlich ab.
Wenn Frequenz der örtlichen Abtastung (Auflösung) nicht groß genug ist, können kleine Strukturen (= hohe Frequenz der örtlichen Helligkeitsunterschiede) nicht korrekt im Bild reproduziert werden.
Gegenmaßnahme: Mindestens mit der doppelten Frequenz abtasten.
Wie ist das Rauschen des Gesamtsystems definiert?
Wurzel der Quadratsummen
nsys = Wurzel [ nshot2 + nreset2+ [nfloor2 + nadc2 + nfpn2]
Bei Nutzung der Primärfarben muss für jedes Pixel ein Rotwert, ein Grünwert und ein Blauwert aufgenommen bzw. errechnet werden. Welche Möglichkeiten gibt es?
Farbseparation:
1. Extern (Farbfilter / Beleuchtung)
- Nur Digitale Photographie, unbewegte Objekte, 3 sequentielle Aufnahmen
2. Prisma (Mehrsensorsystem)
3. On-Chip Farbfilter (CFA, Color Filter Array, Bayerpattern)
- Quantum Efficiency: Monochromer Sensor > Bayer Filter Sensor
4. Ausnutzung von Materialeigenschaften
- 3 Photodioden per Pixel, Foveon X3
- Quantum Efficiency: Foveon X3 > Bayer Filter Sensor
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Was sind die Aufgaben einer Digitalkamera?
Sie wandelt das LICHT und setzt es um in digitale Signale
Was versteht man unter Rauschen
statistische Schwankungen eines Signals
zeitlischer Mittelwert = 0,
Effektivwert wird angegeben in rms (route mean square)
Was für Rauscharten gibt es?
Photon Noise, Dark Current Noise, Photo Response Nonuniformity, Reset Noise, 1/f Noise, Amplifier Noise, Quantification Noise
Nenne verschiedene Sensorartefakte
1. Dunkelstrom
2. Hot Pixels
3. Defekte Pixel
4. Aliasing (Moiré)
5. Blooming
6. Smear
Was sind die Bearbeitungsschritte bei der Halbleiterfertigung
1. Schichttechnik: 2. Lithografie: 3. Ätztechnik: 4. Dotierverfahren: 5. Wafertest: 6. Aufbau- und Verbindungstechnik:
Was ist PRNU?
Ursachen?
Effekte?
Gegenmaßnahmen?
Photo Response Non-Uniformity (FPN)
Pixel unterscheiden sich geringfügig in der Empfindlichkeit
Variation der Pixel in Größe und spektraler Empfindlichkeit durch z.B. Dotierung und Schichtdicke oberhalb des Siliziums
Erscheint als Pattern im Bild, Bildrauschen. Kann als unterschiedliche Verstärkung der Pixel gesehen werden
Flat-fielding, Neuberechnung der Pixelwerte durch Multiplikation mit Korrekturmatrix
Was ist DSNU?
Ursachen?
Effekte?
Gegenmaßnahmen?
Dark Signal Non-Uniformity (FPN)
Pixelgröße, Dotierung und Fremdatome die im Produktionsprozess fehlerhaft mit eingebaut wurden
Erscheint als Pattern im Bild, kann als Offset der einzelnen Pixel interpretiert werden
Dunkelbildabzug, Berechnung der Werte mit Dunkelstrommatrix (Abzug)
Was ist PN oder PSN?
Ursachen?
Gegenmaßnahmen?
Photon Noise oder Photon Shot Noise
Photonen kommen statistisch verteilt auf den Sensor
keine
Was ist DCN oder DCSN?
Ursachen?
Gegenmaßnahmen?
Dark Current Noise oder Dark Current Shot Noise
Dunkelstromelektronen werden statistisch erzeugt
keine, außer Reduktion des Dunkelstroms
Was ist Dunkelstrom?
Ursachen?
Gegenmaßnahme?
Elektronen ~ Belichtungszeit
Wenn kein Licht auf den Sensor fällt werden trotzdem Ladungen gesammelt.
Ursache ist die Erhitzung des Sensors.
Gegenmaßnahme ist die Kühlung des Sensors und die Erstellung einer Dunkelstromreferenz um den Dunkelstrom aus Pixeln herauszurechnen.
Was ist RN oder kTC Noise?
Ursachen?
Effekte?
Gegenmaßnahmen?
Reset Noise
Thermisches Rauschen des Widerstands im Reset-Transistor
Unsicherheit wie weit die Floating Kapazität geleert ist
Kleiner Kapazitäten, CDS signifikanter (Correlated Double Sampling)
Was ist AN?
Ursachen?
Effekte?
Amplifier Noise (zusammen mit 1/f Noise n(floor))
Thermisches Rauschen der Widerstände im Verstärker
"Weißes" Rauschen, typische Rauschbild
Was sind Hot Pixel?
Ursachen?
Gegenmaßnahme?
Extrem hoher Dunkelstrom.
Entstehen bei der Sensorherstellung oder Pixel werden im Laufe der Zeit zu Hot Pixeln (Alterung).
Positionen von Hot Pixeln lassen sich abspeichern und diese Pixel dann über Nachbarpixel interpolieren.
Was ist 1/f N?
Ursachen?
Effekte?
1/f Rauschen (zusammen mit Amplifier Noise n(floor))
Veschieden, nicht näher beschrieben Ursachen
Niederfrequentes Rauschen, Abnahme der Rauschamplitude mit 1/f
Was sind Defekte Pixel?
Gegenmaßnahme?
Defekte Pixel auf dem Sensor.
Typisch: Weiße oder schwarze Pixel,
bei CCD ganze Spalten.
Gegenmaßnahmen: Interpolation
Was ist QN?
Ursachen?
Quantisierungsrauschen
Analoge Signale werden in diskrete gewandelt, durch Quantisierungsfehler entsteht rauschen.
Was ist Aliasing (Moiré)?
Ursachen?
Gegenmaßnahme?
Bildsensoren tasten nicht nur zeitlich, sondern auch örtlich ab.
Wenn Frequenz der örtlichen Abtastung (Auflösung) nicht groß genug ist, können kleine Strukturen (= hohe Frequenz der örtlichen Helligkeitsunterschiede) nicht korrekt im Bild reproduziert werden.
Gegenmaßnahme: Mindestens mit der doppelten Frequenz abtasten.
Wie ist das Rauschen des Gesamtsystems definiert?
Wurzel der Quadratsummen
nsys = Wurzel [ nshot2 + nreset2+ [nfloor2 + nadc2 + nfpn2]
Bei Nutzung der Primärfarben muss für jedes Pixel ein Rotwert, ein Grünwert und ein Blauwert aufgenommen bzw. errechnet werden. Welche Möglichkeiten gibt es?
Farbseparation:
1. Extern (Farbfilter / Beleuchtung)
- Nur Digitale Photographie, unbewegte Objekte, 3 sequentielle Aufnahmen
2. Prisma (Mehrsensorsystem)
3. On-Chip Farbfilter (CFA, Color Filter Array, Bayerpattern)
- Quantum Efficiency: Monochromer Sensor > Bayer Filter Sensor
4. Ausnutzung von Materialeigenschaften
- 3 Photodioden per Pixel, Foveon X3
- Quantum Efficiency: Foveon X3 > Bayer Filter Sensor
Was sind die Hauptunterscheidungsmerkmale von CCD und CMOS?
Ladungs/ Spannungsumsetzung
CCD: Ausgangsstruktur außerhalb des Bildbereichs
CMOS: meist im Pixel
Was bedeutet CMOS ?
Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
Was ist Subsampling?
Wie wird dies gemacht?
Das Beschleunigen des Auslesevorganges eines CCD-Sensors.
Da für die Video-Anzeige aber nicht unbedingt so eine hohe Auflösung benötigt wird, kann man bei CCD-Sensoren Zeilen beim Auslesen „weglassen“. Dieses Weglassen nennt man „Subsampling“
Was ist der Wellenlängenbereich von sichtbarem Licht?
380nm - 780nm
Zwischen welchen zwei großen Gruppen unterscheidet man die Größen in der Photometrie?
- Strahlungsphysikalischen Größen (Radiometrie): Beschreiben objektive Eigenschaften des Strahlungsfeldes - Lichttechnischen Größen (Photometrie): Bewertung nach der Helligkeitsempfindung des menschlichen Auges
Bei welcher Wellenlänge ist das menschliche Auge besonders empfindlich?
555nm (grün)
Zeichne den querschnitt eines n-Kanal MOSFET
n-Kanal MOSFET
Was ist der innere Photoeffekt?
Photonen können ihre Energie an Elektronen abgeben und sie auf ein höheres Energieniveau heben
Was passiert beim äußeren Photoeffekt?
Die Energie des Photons ist groß genug, um das Elektron sogar aus dem Atom auszulösen.
Welche Vorteile haben MOSFET- gegenüber bipolar-Transistoren?
MOSFETs haben gegenüber bipolar-Transistoren den Vorteil, das über das Gate im statischen Zustand kein Strom fließt.
Wann bilden sich Energiebänder?
Wenn viele Atome zusammenkommen, bilden sich aus den Energieniveaus der einzelnen Atome Energiebänder.
Was sind Valenzband und Leitungsband?
Valenzband : Das äußerste, besetzte Band Leitungsband: Das Band mit der nächsthöheren Energie. Die Elektronen dort sind beweglich und können zu einem Stromfluss beitragen.
Was versteht man unter Rolling Shutter?
Durch das Zeilenweise Auslesen des Arrays startet die Belichtung für jede Zeile zu einem anderen Zeitpunkt (Rolling Shutter).
Was ist die Bandlücke und um was für Materialien(?) handelt es sich bei kleiner, mittlerer oder großer Bandlücke?
Bandlücke (Bandgap): Die verbotene Zone zwischen Valenz- und Leitungsband. Keine Bandlücke: Leiter Große Bandlücke: Isolatoren (z.B. Diamant: 7eV) Mittlere Bandlücke: Halbleiter
Bestandteile passives Pixel ?
Das passive Pixel besteht nur aus dem lichtempfindlichen Bereich und einem Auslesetransistor, die Ladung wird im Ausgangsverstärker in Spannung umgewandelt.
Bestandteile aktives Pixel?
Das aktive Pixel besteht aus dem lichtempfindlichen Bereich und 3 Transistoren:
1. Source Follower: Setzt die Ladung in eine Spannung um
2. Resettransistor: „löscht“ die Ladung aus dem lichtempfindlichen Bereich
3. Row Select: Adressiert das Pixel und schaltet den Ausgang des Source Followers auf den Pixel-Ausgang
Was heißt CCD?
CCD: Charge-Coupled Device (Ladungsgekoppeltes Element) Nebeneinanderliegende MOS-Kondensatoren
Betriebsarten: Elementbetrieb
Betriebsarten: Sperrrichtung
Wie werden Photodioden in Bildsensoren verwendet?
- Betrieb in Sperrrichtung
- Meistens Ladungsintegration, d.h. es werden, wie beim Betrieb im Leerlauf, Elektronen gesammelt
- Um mehr Elektronen sammeln zu können, werden Elektronen aus dem n-dotiertem Gebiet durch anlegen einer Sperrspannung „herausgesaugt“ (= die Sperrschichtkapazität der Photodiode wird aufgeladen), Vergrößerung der Raumladungszone (Verarmung, Depletion)
- Die Sperrspannung wird dann abgeschaltet und es werden Elektronen gesammelt (= der Photostrom entlädt die Sperrschichtkapazität)
- Der Spannungsunterschied zwischen der Sperrspannung und dem Potential an der Photodiode nach der Ladungsintegration entspricht der Signalspannung, die weiter verarbeitet werden kann
