Smear in CCD-Sensoren 1. Übersicht und Funktionsweise 1.1. Interline-Transfer-Sensor Aufbau des Sensors Der Sensor ist in Belichtungs- und Speicherber...
Smear in CCD-Sensoren 1. Übersicht und Funktionsweise 1.1. Interline-Transfer-Sensor Aufbau des Sensors 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 Schieberegister wird die entstandene Ladung innerhalb kurzer Zeit (ca. 2,5µs) in die abgedunkelte Schieberegisterzelle (Speicherbereich) parallel übernommen. Die Ladungen der vertikalen Schieberegister werden nun zeilenweise ins horizontale Schieberegister (Ausleseregister) geschoben und von dort seriell ausgelesen.
Ausleseregister paralleles Übernehmen der Ladungen Dauer: ca. 2,5µs
vertikales Schieben ins Ausleseregister
horizontales, serielles Auslesen der Zeilen
1.2. Frame-Transfer-Sensor Aufbau des Sensors
lichtempfindliche Schieberegister (Sensorfläche)
Beim Frame-Transfer-Sensor sind der Belichtungs- und der Speicherbereich in zwei großen Blöcken angeordnet. Die gesamte CCD-Fläche (lichtempfindliche und abgedunkelte Schieberegister) ist etwa zweimal so groß wie die des Interline-Transfer-Sensors.
Die Schieberegister selbst sind bei diesem Sensor lichtempfindlich. Die gesamte Ladung wird innerhalb ca. 500µs durch das Transportregister in das abgedunkelte Schieberegister geschoben. Von dort werden die Ladungen vertikal ins Ausleseregister geschoben und seriell ausgelesen (z.B. innerhalb 64µs pro Zeile).
vertikales Übernehmen (Schieben) der Ladungen z.B. alle 20ms. Dauer: ca. 500µs
vertikales Schieben ins Ausleseregister
horizontales (serielles) Auslesen z.B. innerhalb 64µs pro Zeile
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 Schieberegister 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.
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 tint die Belichtungszeit (integration time) und ttr die Transferzeit (frame shift) von der Belichtungszone in die Speicherzone, so gilt: smear =
1 ⋅ 10
t tr t int tint ttr
Belichtungszeit [s] Transferzeit [s]
Typische Werte für ttr sind ca. 500µsec bei einem Video CCD b)
Interline-Transfer-CCD: Ist tint die Belichtungszeit und trd (read) die Auslesezeit des CCD’s, so wird der Smear zu:
smear = VSM
t rd t int tint Belichtungszeit [s] Auslesezeit [s] (Video = 20ms) trd VSM = vertikaler Smear Faktor typ: 1/20.000
Bei 10ms Belichtungszeit und einer Transferzeit von 500µsec. erzeugt ein Frame-Transfer-CCD folgenden Smear:
Smear =
1 500µsec. ⋅ = 0,5% 10 10ms
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?
Smear =
1 ⋅ 20000
20msec. = 0,01% 10msec.
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.
Smear =
1 ⋅ 20000
20msec. = 20% 5µsec.
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 1 ein Fotoblitz mit Blitzlänge /5000 sec den Smear im obigen Beispiel um den Faktor 100.
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.
3.2. Interline Sensoren Bei kontinuierlicher Beleuchtung fallen ständig gestreute Photonen oder fehlgeleitete Elektronen in die abgedunkelten Schieberegister, die zum Smear beitragen. Wird die Ladung in den Schieberegistern 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 1/10.000 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.
