Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren

Digitale Bildverarbeitung (DBV)
Prof. Dr.‐Ing. Heinz‐Jürgen Przybilla
Labor für Photogrammetrie
Email: heinz‐juergen.przybilla@hs‐bochum.de
Tel. 0234‐32‐10517
Sprechstunde: Montags 13 – 14 Uhr
und nach Vereinbarung
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 1
Schema einer Digitalkamera
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 2
Aufbau, Funktion und Eigenschaften von Halbleitersensoren
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 3
Digitale Aufnahmesysteme
 Digitale Aufnahmesysteme erfassen die
Bildinformation mit Hilfe opto‐elektro‐
nischer Sensoren, die anstelle einer Film‐
schicht im Bildraum angebracht sind.
 Sie liefern unmittelbar ein elektronisches
Bild, das durch geeignete Komponenten
digitalisiert und in einen Rechner über‐
tragen werden kann.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 4
Digitale Aufnahmesysteme
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 5
Opto‐elektronische Bildsensoren
 In photogrammetrischen Aufnahmesyste‐
men werden ausschließlich Festkörper
Bildsensoren (solid state sensor) eingesetzt.
 Jedes Detektorelement (Sensorelement)
erzeugt proportional zur einfallenden
Lichtmenge elektrische Ladung, die
anschließend elektronisch ausgelesen,
aufbereitet und digitalisiert wird.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 6
Opto‐elektronische Bildsensoren
 CCD ‐ Charged Coupled Device (Ladungs‐
gekoppeltes Bauelement)
 CMOS ‐ Complementary Metal Oxide Semi‐
conductor (paarweise komplementär zueinander
angeordnete Transistoren )
 Anfänge der Technologien: 60er und 70er Jahren
 CMOS: damals zu langsam, Schwierigkeiten bei der Herstellung
 bis 1990 fast ausschließlich CCD‐Chips
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 7
Eigenschaften von Halbleitersensoren
Die dargestellten Eigenschaften stellen ein
Maß für die Qualität bzw. die aufgaben‐
spezifische Eignung eines Sensors dar.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 8
Quantenausbeute („quantum efficiency“)
 Die Effizienz, mit der
in einem Halbleiter
ein Photon (Licht‐
teilchen)
in
ein
Landungsträgerpaar
umgewandelt wird.
 Der Maximalwert liegt
bei ca. 80% (grün).
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 9
Pixelanzahl
 Die Anzahl der Bildpunkte auf den Sensoren
ist in den vergangenen 25 Jahren drastisch
gestiegen.
 In der Photogrammetrie werden derzeit
(2014) Kameras mit max. 250 MPixel
angeboten.
 Im Consumer‐Markt sind 25 MPixel, z.T. auch
darüber hinaus verfügbar.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 10
Pixelanzahl
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 11
Pixelgröße
 Die
durchschnittliche
Größe
eines
Bildelements ist bei Digitalkameras deutlich
gesunken.
 Eine Reduzierung der Pixelgröße auf Werte
unter ca. 5µm ist wenig sinnvoll, da die
geometrische Auflösung der verwendeten
Objektive i.d.R. nicht besser ist.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 12
Sensor‐Pixelgrößen
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 13
Sensorformate (Consumer‐Markt)
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 14
Signal‐Rausch‐Verhältnis (S/N)
 Das Signal‐Rausch‐Verhältnis ist der Quotient
aus der Amplitude des übertragenen Signals
zu der Rauschamplitude des Kanals.
 Es ist ein logarithmisches Maß und wird in
Dezibel (dB) angegeben.
 Bei elektrooptischen Bildsensoren wird unter
S/N
das
Verhältnis
der
maximal
speicherbaren Anzahl der Ladungsträger pro
Pixel zum Rauschsignal verstanden.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 15
Signal‐Rausch‐Verhältnis (S/N)
 Ein Rauschsignal wird erzeugt, wenn
Elektronen
ohne
Beteiligung
von
einfallendem Licht freigesetzt werden, z. B.
durch Temperatureinfluss  Dunkelstrom.
 Eine Temperaturerhöhung um 8 °C hat in
etwa eine Verdoppelung des Dunkelstroms
zur Folge.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 16
Signal‐Rausch‐Verhältnis (S/N)
 Durch Dunkelstrom verursachtes Rauschen
kann zum Teil nachträglich durch Bildbear‐
beitung am Computer oder bereits in der
Kamera entfernt werden.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 17
Beispiel für Dunkelstrom
[http://de.wikipedia.org/wiki/Bildrauschen]
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 18
Auslesegeschwindigkeit
 Die Auslesegeschwindigkeit definiert die
Wiederholrate
der
Bildaufnahme
(Bild‐
wiederholfrequenz).
 In der praktischen Anwendung mit digitalen
Kameras muss noch die interne Speicherung
bzw. die Datenübertragung berücksichtigt
werden.
 Eine Steigerung kann durch paralleles Auslesen
mehrerer Sensorzeilen erreicht werden.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 19
Dynamikumfang
 Der Dynamikumfang zeigt, wie gut sehr helle
und gleichzeitig sehr dunkle Bildbereiche eines
Motivs vom Bildsensor noch korrekt abgebildet
werden können.
 Bildsensoren erreichen z.B. nicht den gleichen
Dynamikumfang wie das menschliche Auge.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 20
Dynamikumfang
 Während das Auge an sonnigen Tagen auch in
Häuserschatten noch Zeichnung erkennen,
bildet eine Digitalkamera den Schattenbereich
zu dunkel ab oder die helle Hauswand ist
überzeichnet.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 21
Dichteumfang (Gradation)
 Der Dichteumfang ist die Spannbreite
zwischen der minimalen (Dmin) und maxi‐
malen Dichte (Dmax) eines lichtempfindlichen
Materials.
 Die Dichtekurve beschreibt den Zusammen‐
hang zwischen Belichtung und der Reaktion
des Sensors.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 22
Dichteumfang (Gradation)
 Die Steilheit der Dichtekurve (bei
logarithmischer Auftragung der Belichtung)
wird als Gammawert, der Unterschied
zwischen der maximalen und der minimalen
Dichte auch als Dichteumfang bezeichnet.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 23
Dichteumfang (Gradation)
D
  tan  
 log H
Gradation γ : Steigung des geradlinigen Teils der o.a. Funktion
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 24
Dichteumfang (Gradation)
 Der lineare Teil beschreibt den Bereich, bei
dem der Sensor normal belichtet wird:
gleiche Belichtungsintervalle führen zu
gleichen Dichteintervallen.
 Die nicht‐linearen Kurvenverläufe werden als
Unterbelichtung
bzw.
Überbelichtung
bezeichnet.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 25
Speichertiefe (Farbtiefe)
 Die Speichertiefe ergibt sich aus dem
radiometrischen Auflösungsvermögen des
Sensors.
 Sie stellt somit die Anzahl der unterschiedlichen
Grauwertstufen dar.
 Es besteht eine Verbindung zum S/N und dem
Dynamikumfang.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 26
Allgemeine Empfindlichkeit
 Die Empfindlichkeit S (sensivity, speed) einer fotografischen Emulsion wird für
 eine bestimmte Strahlung und
 genau festgelegte Aufnahme‐ und Entwicklungs‐
bedingungen
definiert.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 27
Allgemeine Empfindlichkeit
 Sie wird als Kehrwert jener Belichtung H∆D
definiert, mit der eine bestimmte Dichte‐
differenz ∆D über dem Grauschleier erzielt
wird.
 Angaben in Deutschland nach DIN, in USA
nach ASA. Nach ISO‐Norm sind beide Angaben
notwendig.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 28
Allgemeine Empfindlichkeit
DIN
ASA
1
1
15
25
18
50
21
100
27
400
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 29
Allgemeine Empfindlichkeit
 Sensoren digitaler Kameras weisen ein
Äquivalent zur Filmempfindlichkeit des
chemischen Films auf.
 Wie beim Film kann die Schärfeleistung bei
Einstellung einer niedrigen Empfindlichkeit
gesteigert werden.
 Die Einstellung einer höheren Empfind‐
lichkeit führt i.d.R. zu einer Zunahme des
Bildrauschens.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 30
Allgemeine Empfindlichkeit
 Höhere Empfindlichkeiten werden erreicht,
indem das (analoge) Signal des Sensors vor
der Digitalisierung stärker verstärkt wird.
 Die Empfindlichkeit von Halbleitersensoren
ist in der ISO 12232 definiert.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 31
CCD‐Sensor
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 32
CCD‐Sensor
 Ursprünglich 1969 von Forschern der Bell Laboratorien in den USA für die Datenspeicherung entwickelt
 Bereits 1970 wurde ein CCD‐
Bildsensor gebaut
 1975 Digitalkamera mit Fairchild‐
CCD‐Bildsensor mit 0.01 MP und 4 kg
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 33
CCD‐Sensor
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 34
CCD‐Sensor
 Detektorelemente werden durch MOS‐Kon‐
densatoren (metal‐oxide semiconductor) gebil‐
det.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 35
Opto‐elektronische Bildsensoren
Aktivierung der Ladungen im Halbleiter durch
unterschiedliche Strahlungsintensitäten (Pho‐
tonen) des einfallenden Lichtes.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 36
Opto‐elektronische Bildsensoren
Transfer‐ und Ausleseregister neben den aktiven Detektoren
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 37
Opto‐elektronische Bildsensoren
Ausleseprinzip mittels CCD‐Technik:
Die Ladungszustände verschieben sich von Takt zu Takt (t0, t1, t2,…) jeweils um ein Element nach rechts und werden im letzten Element quantifiziert.
CCD‐ oder Eimerketten‐Prinzip
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 38
Interline Transfer Architektur
[Th. Luhmann: Nahbereichsphotogrammetrie]
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
 Die lichtempfindlichen Sensor‐
elemente sind getrennt ange‐
ordnet und weisen zum Nach‐
barelement eine Lücke von etwa
der Größe eines Elements auf.
 Die Ladungsträger werden in
eine Transferspalte verschoben
und in einer vertikalen, optisch
verdeckten CCD‐Eimerkette zum
Ausleseregister transportiert.
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 39
Interline Transfer Architektur
[http://micro.magnet.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/interline.html]
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 40
Frame Transfer Architektur
[Th. Luhmann: Nahbereichsphotogrammetrie]
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
 Der Sensor besteht aus einer
lichtempfindlichen Sensorzone
und einer gleich großen,
abgedeckten Speicherzone, die
aus CCD‐Eimerketten bestehen.
 Nach der Belichtung werden die
Ladungsträger vertikal aus der
Sensorzone in die Speicherzone
transportiert.
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 41
Frame‐Transfer Architektur
[http://micro.magnet.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/frametransfer.html]
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 42
Full‐Frame Transfer Architektur
[Th. Luhmann: Nahbereichsphotogrammetrie]
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
 Der Sensor besitzt nur noch eine
Sensorzone,
aus
der
die
Ladungen direkt in ein Auslese‐
register übertragen werden.
 Während des Auslesevorgangs
darf die Sensorzone nicht wieder
belichtet werden.
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 43
Full‐Frame Architektur
[http://micro.magnet.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/frametransfer.html]
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 44
Farbsensoren
 Für die Detektion von Farbbildern werden
Sensoren mit Pixeln unterschiedlicher
spektraler Empfindlichkeit benötigt .
 Nach der notwendigen Verrechnung von
Pixeln gleicher oder benachbarter Positionen
werden Helligkeits‐ und Farbinformationen
erhalten.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 45
Farbsensoren: Verfahren
 Drei‐Chip‐CCD‐Sensor: Systeme, die unter
Verwendung eines Dichroitisches Prismas
das Spektrum aufspalten und drei
getrennten CCD‐Sensoren zuführen.
[http://de.wikipedia.org/wiki/Dichroitisches_Prisma]
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 46
Farbsensoren: Verfahren
 Bayer Matrix: Systeme, die einen Sensor
benutzen, der mit einer absorbierenden
Farbmaske versehen ist.
[http://de.wikipedia.org/wiki/Bayer‐Sensor]
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 47
Farbsensoren: Verfahren
 Foveon‐X3‐Sensor: System, das die unter‐
schiedliche Eindringtiefe von roten und
blauem Licht in Silicium ausnutzen. Ist bei
CCD‐Sensoren nicht üblich.
[www.imaging‐resource.com]
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 48
CMOS‐Sensor
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 49
CMOS‐Sensor –
Active Pixel Sensor (APS)
 Die Technik wurde 1963 bei Fairchild
Semiconductor entwickelt und patentiert .
 In den 1970er und 1980er Jahren noch
bedeutungslos,
da
die
notwendige
Integrationsdichte noch nicht erreicht war.
 Der Anteil der lichtempfindlichen Fläche an
der Gesamtfläche eines Pixels lag anfänglich
bei nur 30%.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 50
CMOS‐Sensor –
Active Pixel Sensor (APS)
[Foto: Canon]
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 51
CMOS‐Sensor
 Ein Active Pixel Sensor (APS) ist ein
Halbleiterdetektor zur Lichtmessung, der in
CMOS‐Technik gefertigt ist und deshalb oft als
CMOS‐Sensor bezeichnet wird.
 Die CMOS‐Technologie ist eine bewährte
Technik zur Herstellung von Rechner‐
prozessoren und Speicherbausteinen.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 52
CMOS‐Sensor
 Detektorelemente werden durch komple‐
mentäre Metall‐Oxid Halbleiter (Comple‐
mentary metal‐oxide‐semiconductor) gebildet.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 53
CMOS‐Sensor
 CMOS‐Sensoren basieren auf Fotodioden oder
Transistorelementen.
 Die durch das einfallende Licht entstehende
Ladung wird direkt durch einen in jedem Pixel
integrierten Verstärker und Digitalisierbau‐
stein verarbeitet.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 54
CMOS‐Sensor
 Es findet kein sequentieller Ladungstransport
statt.
 Pixel lassen sich einzeln schalten oder
auslesen.
 Es besteht eine deutliche geringere Stör‐
anfälligkeit gegenüber Blooming und Trans‐
portverlusten.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 55
CMOS‐Sensor
 Neben der Pixelmatrix und den Auslese‐
strukturen können ohne Weiteres Kamera‐
funktionen auf dem Sensor integriert werden,
so dass mit der CMOS‐Technologie Einchip‐
Lösungen realisiert werden können.
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 56
CMOS‐Sensor
[http://micro.magnet.fsu.edu/primer/digitalimaging/cmosimagesensors.html]
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 57
CMOS‐Sensor: Vorteile gegenüber CCD‐Sensor





Nur 1/10 bis 1/3 des Energieverbrauchs
Geringere Herstellungskosten
Direkt adressierbare Sensorelemente Hohe Bildfrequenzen > 1000 Bilder/sec
Sensorsteuerung und Bildverarbeitung direkt auf dem Chip
 Hoher Dynamikumfang und geringes Rauschen
HS BO – Labor für Photogrammetrie:
Aufbau und Funktion von Halbleitersensoren 58

Download Report