CCD´s in der E-10 und E-20

Klaus Schräder

oly-e 4. Usertreffen Mallorca

CCD´s in der E-10 und E-20Klaus Schräder

Dipl. Ing.

Klaus Schräder


Aufbau von CCDs= Charge Coupled Devices, Ladungsträgergekoppelte Bauelemente

Fotodiode

hv

I

KondensatorQ

SpannungU

Photonen treffen auf Fotodiode,lösen Elektronen & Löcher aus,die als Strom I den Kondensator Qaufladen, an diesem entsteht die Spannung U, die weiterverarbeitetwird.

Photonen

Klaus Schräder


CCD Spektrale Eigenschaften

Spektrum Auge/ Silizium SensorenSilizium hat das Maximum der spektralenEmpfindlichkeit bei ca 800 nm –nahes Infrarotund, verglichen mit dem Auge, eine geringeEmpfindlichkeit im grünen Bereich

Bayern PatternAuf dem CCD sitzt ein Mosaikfilter mit dem Bayern-Pattern: jedes Pixel genau 1 Farbe25% rot, 25 % blau, 50 % grünGrün häufiger, weil hier das Maximum derAugenempfindlichkeit liegt. Blau musselektronisch verstärkt werden

Klaus Schräder


CCDs Funktionsweisefrüher auch „Eimerketten-Prinzip“ genannt

Viele (bei der E-10 4 Mio, bei der E-20 5 Mio) Photodioden und gleichviele Speicherkondensatorenwerden Matrixförmig auf einemCCD chip angeordnet. GeeigneteTransfer-Mechanismen bewegen die Ladungsmengen der Konden-satoren sequentiell in horizontalerund vertikaler Richtung, bis sie denAusleseverstärker erreicht haben.Dessen Signal wird dann digitalisiertund liegt als Bit-Strom zur Weiter-verarbeitung vor

Klaus Schräder


Frame Transfer CCD

1 2 3

1 Belichten2 Alle Ladungen in den abgedunkelten Speicherbereich schieben3 Zeile für Zeile seriell auslesen

Out

Nachteil: grosse ChipflächeVorteil: kein Verschluss notwendig

Klaus Schräder


Full Frame CCD Sensor

Der Full-Frame Sensor besitzt keinen eigenen Speicherbereichwie die Frame Transfer oder Interline CCDs. Die Daten werdendirekt ausgelesen.

Vorteil: geringe Fläche- geringste KostenNachteil: mechanischer Verschluss benötigt, da sonst während des Auslesens weiter belichtet würde

Klaus Schräder


Interline Transfer CCD

Belichten Speicher schieben Vertikal schieben Horizontal schiebenund seriell auslesen

Vorteil: benötigt keinen mechanischen VerschlussNachteil: grosse Chipfläche

Klaus Schräder


E-10/E-20 Sensor

Der CCD Sensor der E-xx ist einInterline-Transfer, der 2 Halbbildernacheinander ausgibt: „Interlaced“Da das 2. Halbbild nicht im Registergespeichert wird: Verschluss im IS!Kein Verschluss im PS nötig. (E-20)

Blockdiagramm des E-10 CCDs

Vorteil: 2 Modi möglich (nur E-20) ökonomische Chipfläche,Kombination Frame Transfer/IL

Klaus Schräder


FarbinterpolationZunächst ist jedem Pixel auf dem CCD genau eine Farbe nach dem Bayern Patternzugeordnet. Die Kamera interpoliert nun Nachbarpixel in der Art und Weise, dass jedem Pixel ein Triplett aus R,G,B mit je 8 bit Farbtiefe zugeordnet wird, zusammen also pro Pixel 24 bit=3 byte. Das Beispiel unten ist nur exemplarisch, nicht „Truepic“

G=120 R=180 G=140R=150

G=100 G=140

R=180 G=200 R=240 G=220

G=160B=140 G=180

R=220 G=160 R=200 G=140

R=210G=200B=110

R=240G=185B=125

B=100

B=180

B=80

Klaus Schräder


Farbinterpolation (2)

Durch diese Farbinterpolation wird das CCD Bild in 3 Dingen grund-sätzlich geändert:• die Dateigrösse steigt an : CCD Daten 4,915 MPixelx10 bit= 6,14 MB jedoch werden die RAW Daten im 16 bit Modus ausgegeben, also beträgt die Raw Dateigrösse 4,915 x 16 bit = 9,8 MB im TIFF Mode 14,745 MB plus EXIF Daten Total 15,616 MB• die Farbtiefe wird von 10 bit auf 8 bit reduziert in TIFF und JPEG• die Schärfe nimmt ab, da nicht reale Zwischenwerte gerechnet werden.

Hinweis:Wenn eine Bildbearbeitung vorgenommen wird, sollten die Einstellungender Kamera wie folgt sein: Contrast:“Low“, Sharpness „Soft“.Photoshop und andere können besser „tonwertkorrigieren“und „schärfen“als die Kamera! Ohne Bildbearbeitung: Contrast „normal“ oder „high“, Sharpness „normal“ oder „sharp“. Jedes interpolierte Bild sollte geschärft werden.

Klaus Schräder


E-20 Sensor Sony ICX 282

24 PIN Gehäuse

Spektrale Empfindlichkeit

Sony‘s Super HAD

Hole Accumulation Diode,soll die Empfindlichkeit erhöhen durch Micro-Linsen,die das Licht genau auf dieFotodiode fokussieren

Die gleichmässige spektrale Empfindlichkeit wird erreicht durch:•Verstärkungserhöhung des Blaukanals (Rauschen!)•Doppelte Anzahl grün empfindlicher Dioden (weil hier das Maximum der Augenempfindlichkeit liegt)

Klaus Schräder


E-20 Sensor Sony ICX 282 (2)Interessante Daten

• Chipgrösse: 9,74 mm x 7,96 mm• Bilddiagonale 11 mm (2/3 Zoll in Fototechnologie)• Gesamtpixel: 5,24 Mio, Aktive Pixel 5,02 Mio• Pixelgröße 3,4 micrometer x 3,4 micrometer• Horizontale Taktfrequenz 22,5 MHz (0,25 sec/Bild)• Max. Übertragungsrate 3,57 frames/sec• Empfindlichkeit 365 mV/Full well• Dunkelsignal max 16 mV (4,4%), Rauschen 8 mV (2,2%)

(bei 60 °)

Klaus Schräder


Vergleich CMOS/CCDCMOS CCD

Direkte Adressierung wie bei DRAM Keine Adressierung, sequ. AuslesenHöhere Integration ökonomische ChipflächeStandard DRAM Prozess-kostengünstig Spezieller Analog/Digital ProzessKein Blooming Blooming Gefahr durch ÜberlaufenSchnelles Auslesen 18 Frames/sec Relativ langsam 4 Frames/secGeringe Stromaufnahme Höhere Stromaufnahme

Klaus Schräder


Bild eines CMOS SensorsLM 9648, National Semiconductor

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Foveon X3 Sensor

Foveon (National) hat eine 3-dimensionale Struktur in den Chip gegraben, je 3 Fotodioden pro Pixel. Ihr 3 MP CMOS Sensor benötigt daher keine Farbinterpolation. Die Auflösung soll damit einem 9 MP Sensor entsprechen

Aber: sehr schwer zu beherrschende Technologie wegen unter-schiedlicher Eindringtiefe (Energie) der Photonen. Trotz lang zurückliegender Ankündigung noch keine Massenfertigung.

?

Klaus Schräder


Foveon X3 Sensor (2)

Standard mit MosaikFilter

Foveon X3

Wenn es funktioniert und fertig-bar wäre, könnte dies in der Tatviele Schärfeprobleme, die durch die beschriebene Interpolationauftreten, eliminieren.

Aber: der Chip wird von NationalSemiconductor exklusiv für Foveongefertigt, und die haben einenVertrag mit Sigma.

Andere Hersteller können frühestensin 3 Jahren darauf zugreifen.

Vergleichsbilder: Foveon

Klaus Schräder


JPEG

1.Konvertierung des Bildes in den Y,Cb,Cr-Farbraum 2.Farb-Subsampling 3.Diskrete Kosinustransformation (DCT) 4.Quantisieren der DCT-Koeffizienten 5.Codieren der Koeffizienten

Alles klar????

Klaus Schräder


JPEG (2)Etwas vereinfacht, und nicht ganz korrekt: (die Vereinfachung liegtIm Ignorieren der Frequenzumwandlung der Diskreten Cosinus Transformation)

•Das Bild wird in 8x8 Pixel Blöcke unterteilt (daher die komischen Formate wie 2560x1920 Pixel = 320x240 64er Blöcke = 76800 Blöcke)•Es wird ein Mittelwert gebildet, (DC) der steht oben links•In einer Zick-Zack Kurve werden die Abweichungen von DC festgehalten und in eine Matrix geschrieben•Diese Matrix wird durch eine Quantisierungsmatrix geteilt. Mit der Angabe vom Kompressionsfaktor (1:2,7….1:8) bestimmen wir die Werte der Quantisierungsmatrix. Die neuen Werte werden als Integer abgelegt•Dabei entstehen viel kleinere Werte, z.B. nur 3 bit Werte, und viele Nullen

•Dadurch wird die Datei viel kleiner, aber leider auch ein bisschen ungenauer beim Rekonstruieren•Je stärker komprimiert wird, desto mehr Nullen entstehen, und damit sehen die Werte gleich aus =JPEG Artefakte (Blockbildung)

Klaus Schräder


JPEGBeispiel an einer 4x4 Matrix

Dies sei eine Original 4x4 Pixel Tabelle

Resultat nach Mittelwertbildung undZick-Zack

Eine Quantisierungsmatrix, linksmit niedriger Komprimierung,rechts mit höherer

Die entstehenden Resultate inInteger Format. Das wird gespeichert.

Das rekonstruierte Bild. Blockbildung und Überhöhung zu erkennen

Absolutfehler zwischen Originalund Rekonstruktion

Niedrige HoheKomprimierung

Klaus Schräder


JPEG (3)• Aus dem vorigen Beispiel ergeben sich folgende Dateireduzierungen für ein 8x8

Pixel Feld (nur eine Farbe!)

Original:64 x 8 bit = 512 bit

8 bit + (63 x 2 bit) =134 bit

8 bit + (63 x 3 bit) =197 bit

Gesamt E-2076800 x3x512/8= 14,9 MB

76800x3x197/8= 5,7 MB 76800x3x134/8= 3,8 MB

Niedrige Komprimierung Höhere Komprimierung

Eine weitere Datenreduzierung findet in beiden Fällen durch die Huffmann Kodierung statt, bei der viele Nullen zusammengefasst werden.

Klaus Schräder


JPEG Vergleichjeweils 10x10 Pixel

JPEG hoch komprJPEG niedrig komprTIFF unkomprimiert

Man erkennt, wie auch schon bei JPEG mit niedriger Komprimierungdie Strukturen eingeebnet werden und bei hoher Komprimierung dieBlockbildung einsetzt : „JPEG Artefakte“

B

B

Klaus Schräder


JPEGsieht man es denn?

TIFF 400% Ausschnitt JPEG 1:8 400% Ausschnitt

Klaus Schräder


JPEGsieht man es denn wirklich?

Der vorhergehende Ausschnitt ist der Stecknadelkopf

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