Kameratechnik FH Köln

Bandlücke (Bandgap): Die verbotene Zone zwischen Valenz- und Leitungsband.   Keine Bandlücke: Leiter Große Bandlücke: Isolatoren (z.B. Diamant: 7eV) Mittlere Bandlücke: Halbleiter

Das passive Pixel besteht nur aus dem lichtempfindlichen Bereich und einem Auslesetransistor, die Ladung wird im Ausgangsverstärker in Spannung umgewandelt.

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

CCD: Charge-Coupled Device (Ladungsgekoppeltes Element) Nebeneinanderliegende MOS-Kondensatoren

Betriebsarten: Elementbetrieb

 

Betriebsarten: Sperrrichtung

• 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

CCD: durch Ladungsverschiebung
CMOS: durch Adressierung der Pixel über MOS-Transistoren

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

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

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

siehe Bild

 siehe Bild

siehe bild

siehe Bild

siehe Bild

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

4-,3-,2.1-Phasen

Tccd= AnzahlPhasen*2*tclk

2.2-,1-,virtuelle Phase

Tccd = AnzahlPhasen*tclk

fccd= 1/ Tccd

Fixed Pattern Noise, festes Störmuster (Rauschen)
nicht statistisch verteilt
Mittelwert != 0
PRNU, DSNU

statistische Schwankungen eines Signals
zeitlischer Mittelwert = 0,
Effektivwert wird angegeben in rms (route mean square)

Photon Noise, Dark Current Noise, Photo Response Nonuniformity, Reset Noise, 1/f Noise, Amplifier Noise, Quantification Noise

1. Dunkelstrom

2. Hot Pixels

3. Defekte Pixel

4. Aliasing (Moiré)

5. Blooming

6. Smear

1. Schichttechnik: 2. Lithografie: 3. Ätztechnik: 4. Dotierverfahren: 5. Wafertest: 6. Aufbau- und Verbindungstechnik:

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

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)

Photon Noise oder Photon Shot Noise

Photonen kommen statistisch verteilt auf den Sensor

keine

Dark Current Noise oder Dark Current Shot Noise

Dunkelstromelektronen werden statistisch erzeugt

keine, außer Reduktion des Dunkelstroms

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.

Reset Noise

Thermisches Rauschen des Widerstands im Reset-Transistor

Unsicherheit wie weit die Floating Kapazität geleert ist

Kleiner Kapazitäten, CDS signifikanter (Correlated Double Sampling)

Amplifier Noise (zusammen mit 1/f Noise n(floor))

Thermisches Rauschen der Widerstände im Verstärker

"Weißes" Rauschen, typische Rauschbild

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.

1/f Rauschen (zusammen mit Amplifier Noise n(floor))

Veschieden, nicht näher beschrieben Ursachen

Niederfrequentes Rauschen, Abnahme der Rauschamplitude mit 1/f

Defekte Pixel auf dem Sensor.

Typisch: Weiße oder schwarze Pixel,

bei CCD ganze Spalten.

Gegenmaßnahmen: Interpolation

Quantisierungsrauschen

Analoge Signale werden in diskrete gewandelt, durch Quantisierungsfehler entsteht rauschen.

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.

Wurzel der Quadratsummen

n_sys = Wurzel [ n_shot² + n_reset²+ [n_floor² + n_adc² + n_fpn²]

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