Wie funktionieren CCD Sensoren?

Das Charge Coupled Device (CCD) ist eine rechteckige oder quadratische Fläche aus Silizium. Ein gleichmäßiges Muster aus kleinen Rechtecken bilden die lichtempfindlichen Sensoren Elemente. Diese kleinen Elemente bestehend aus dem Muster ergeben die Pixel. Jedes einzelne Pixel ist in der Lage Photonen aufzufangen. Durch den photoelektrischen Effekt können die einzelnen Photonen in eine elektrische Ladung umgewandelt werden. Der Effekt das die Photonen nach dem Umwandeln kurz gespeichert werden können ermöglicht einen Zugriff. Bei dem Auslesen werden die Pixel erst in ein Ausleseregister transferiert. Bis die Daten in das Ausleseregister verschoben werden, verfügen sie über eine unterschiedlich starke elektrische Ladung (abhängig vom Licht). Die Grundvoraussetzung für das Verschieben ist, das die Pixel (Matrix) korrekt geordnet ist. Durch einen Verstärker wird das elektrische Signal in ein digitales im CCD Sensor umgewandelt. Das digitale Signal besteht aus binären Zahlen, die in der Kette eine bestimmte Anzahl von Bits ergeben.

Welche Rolle spielt das Umwandeln von analog auf digital bei CCD Sensoren?

Der ermittelte Wert vom analog-digital Wandler ist dafür verantwortlich, welche Helligkeitsinformationen dem jeweiligem Pixel zugeordnet werden. Im analog-digital Wandler ist der Abstand vom Signal dafür verantwortlich in wie viele Graustufen ein Bild unterteilt werden kann. Als Beispiel ergeben 16-Bit 65536 Abstufungen und eine Kamera oder Scanner mit 8 Bit nur 256 Graustufen. Die verschiedenen Helligkeitseinstufungen in CCD Sensoren würden bis jetzt nur zu einem Foto mit unterschiedlichen Graustufen führen. Für die Farbe wird ein Farbfilter auf die Matrix gelegt. Die Farben wechseln sich in der ersten Zeile der Matrix mit grünen und blauen Pixeln ab. In der zweiten Zeile folgen rote und grüne Pixel. Die Dritte entspricht der ersten Zeile usw. Der Überschuss an grünen Pixeln beruht darauf, dass das menschliche Auge auf die Farbe grün intensiver reagiert und dadurch eine höhere Auflösung im Bild zustande kommt. Die hochauflösende Qualität von dem Foto kommt durch eine Interpolation zustande. Der Nachteil liegt in einer ungenauen Farbabtastung und damit verbundenen geringeren Auflösung.

Das Filterrad bei CCD Sensoren

Die modernen Digitalkameras mit CCD Sensoren bieten eine farbig hochauflösende Bildqualität. Die farbige Pixelstruktur wird durch ein Filterrad mit den Farben rot, grün und blau ersetzt. Der Trick dabei ist, dass jede Farbe einzeln belichtet wird. Das Filterrad dreht sich automatisch zur nächsten Farbe. Das Ergebnis sind drei Bilder mit je einem Kanal die zusammengefügt werden. Der Vorteil liegt darin das keine farbigen Pixel hinzugefügt werden müssen (interpolieren) um ein hochauflösendes Bild zu erhalten. Der Preis dieser Technik ist hoch und nicht geeignet für bewegliche Bilder.
Das Mikroskopscanning mit einer Farbmaske (Farb-CCD) verschiebt den Sensor beim Betätigen des Auslösers gering hin und her. Diese Bewegung erzeugt für jede Farbe einen eigenen Kanal. Anschließend werden die Farben exakt berechnet. Die CCD Sensoren können auf diese Art 12 -14 Megapixel erreichen.

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