Die Digitalkamera
Sommerfest im Kindergarten: Mun- ter springen die Kleinen durchein- ander, führen ihre eingeübten Tän- ze auf und spielen zusammen mit den Eltern Blindekuh und Eierlauf.
Eine Mutter hat ihre neue Digital- kamera mitgebracht und macht vie- le schöne Bilder von dem lustigen Treiben. Ihr Notebook hat sie auch gleich dabei, und so können die an- deren Eltern sich die Aufnahmen direkt anschauen und Wünsche an- melden, welche sie per E-Mail zu- geschickt bekommen möchten. Man denke zurück, wie umständlich das
„früher“ war. Da hing irgendwann eine großes Plakat im Kindergarten, auf dem man ankreuzen konnte, welche Bilder man haben möchte, und der bedauernswerte Fotograf musste daraus eine Liste mit Nach- bestellungen erzeugen, die er noch- mals eine Woche später unter Ein- zug diverser Pfennigbeträge aushän- digte.
Die Digitalkamera hat zweifels- ohne die Fotografie und die Rolle des Fotografen stark verändert. War früher der eigentliche Aufnahme- vorgang eines Bildes klar von der weiteren Verarbeitung getrennt, so verschwimmen in der Digitalfoto- grafie die Grenzen zwischen Auf- nahme, Weiterleitung und Bearbei- tung – der Begriff des „Originals“
hat seine Bedeutung, die er im Zu- sammenhang eines chemisch be- lichteten Films hat, verloren.
Neben der einfachen Bearbei- tung liegt ein weiterer Vorteil der
digitalen Filmtechnologie in der dem chemischen Film überlegenen Lichtempfindlichkeit, die sich zu- dem bis in den nahen Infrarotbe- reich erstreckt. Nicht umsonst ha- ben Astronomen die Entwicklung der digitalen Fotografie stark vor- angetrieben.
Bildsensor statt Film
So verschieden herkömmliche Kamera und Digitalkamera auch sein mögen, die opto-mechanischen Komponenten unterscheiden sich nicht voneinander. Bei beiden Ka- meratypen durchläuft ein Licht- strahl auf dem Weg vom Objekt zum Bild zunächst das bilderzeu- gende Objektiv, dann die Blende zur Regulierung der einfallenden Lichtmenge und anschließend den Verschluss zur Steuerung der Be- lichtungszeit. Die Aufzeichnung der Information ist jedoch grundver- schieden. Die Rolle des Films in der klassischen Kamera übernimmt bei der Digitalkamera ein CCD-Bild- sensor – ein in der Regel auf Silizi- um basierendes Halbleiterbauele- ment, das die Aufgabe hat, ein optisches Bild in ein Ladungsbild umzuwandeln (Abb. 1; die Abkür- zung CCD steht für charge-coupled device). Dieser Chip bildet die Schnittstelle zwischen optischem und elektrischem Bildsignal. Das einfallende Licht erzeugt in matrix- artig auf dem Siliziumplättchen angeordneten lichtempfindlichen Zellen aufgrund des inneren Photo- effektes von Silizium Elektronen, die ins Leitungsband gelangen. Die Anzahl der Elektronen ist ein Maß für die Dauer und Intensität des einfallenden Lichtes – jedes Ele- ment des CCD-Sensors baut also seine Ladungsmenge auf und liefert damit das Rohmaterial für einen Pi- xel (ein Kunstwort aus picture ele- ment) des digitalen Bildes. Ein etwa 8»10 mm2großer Hochleistungs- CCD-Chip besteht aus bis zu 16 Millionen dieser in Zeilen und Spalten angeordneten Kleinstdetek- toren; selbst preiswerte Einsteiger- kameras bringen es schon auf eine Auflösung von 1280»960 Bildpunk- ten. Doch im Vergleich zum chemi- schen Film ist das trotzdem relativ schwach: Ein durchschnittlicher Film schafft eine Auflösung von 100 Linienpaaren/mm, enthält also schon beim gängigen Kleinbildfor- mat (36»24 mm2) 8,64 Millionen Bildpunkte.
Ladungen werden paketweise verschoben
Die im CCD-Sensor erzeugten Ladungsmengen müssen aus jeder Lichtzelle systematisch abtranspor- tiert und an Speicherzellen abgege- ben werden. Zum Auslesen wird das Prinzip der Ladungsverschie- bung genutzt (Abb. 2). Dazu dient eine über das Silizium und über ei- ne Isolierschicht aus Siliziumdioxid gelegte Gatter-Struktur aus streifen- förmigen parallelen Metallelektro- den, von denen jede mit der jeweils dritten darauffolgenden verbunden ist. Jedes Empfangselement des CCD-Chips bildet demnach einen MOS-Kondensator (Metal Oxide Semiconductor). Mithilfe einer drei- phasigen Hochfrequenz-Taktspan- nung, beispielsweise 5, 10 und 15 Volt bei 10 MHz Taktfrequenz, wer- den die Ladungen nun paketweise von einer Elektrode zur anderen – wie in einem Schieberegister – ver- schoben, entweder in ein neben dem eigentlichen Sensor liegendes Speicherfeld (der sog. frame trans- fer) oder in jeweils zwischen den Sensorspalten liegende Register (interline transfer) (Abb. 3). Die Ladungen werden schließlich als Signal kapazitiv ausgekoppelt und an einen A/D-Wandler weitergelei- tet. Ein Pixel-Inhalt nach dem an- deren wird so gemessen und digital abgespeichert.
Der Prozess, welcher der Bild- erzeugung mithilfe von CCD-Senso- ren zugrunde liegt, ist anfällig ge- gen eine Reihe von Störungen.
Unvermeidlich ist das durch die Quanteneigenschaften des Lichts
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Abb. 1:
Ein CCD-Chip bildet das Herzstück eines digitalen Fotoapparates. Ein solcher Sen- sor ist aus einigen Millionen in Zeilen und Spalten angeordneten Kleinstdetek- toren aufgebaut. Er wandelt das optische Bild in ein Ladungsbild um, das dann digital gespeichert wird. (Foto: FRAMOS Electronic Vertriebs GmbH)
Abb. 2:
Im Schnitt durch einen CCD-Bildsensor erkennt man, wie die erzeugten Ladungs- mengen nach dem Prinzip der Ladungs- verschiebung ausgelesen werden. Zu diesem Zweck befindet sich eine Gatter- Struktur aus streifenförmigen parallelen Metallelektroden (1) über einer Isolier- schicht aus Siliziumdioxid (2), einer Ver- armungsschicht (3) und dem p-Silizium (4). Jede Elektrode ist mit der jeweils dritten darauffolgenden verbunden. Die erzeugten Ladungen lassen sich dann mit einer dreiphasigen Hochfrequenz-Takt- spannung (U1, U2, U3) paketweise ver- schieben.
bedingte Photonenrauschen. Es tritt bei jedem Detektor auf, der den Photoeffekt ausnutzt. Darüber hin- aus weist jeder CCD-Sensor einen thermisch bedingten Dunkelstrom auf; Hochleistungssensoren, wie sie u. a. die Astronomie verwendet, werden deshalb während des Be- triebs stark gekühlt, beispielsweise durch flüssigen Stickstoff. Wenn die einzelnen CCD-Sensoren so über- lastet werden, dass einfallende Pho- tonen die Spannung nicht weiter er- höhen können, weil das maximale Potential (full well capacity) er- reicht ist, fließen die überschüssi- gen Ladungen an benachbarte Pixel ab und verschmieren das Bild. Die- ses sog. Blooming ist nur schwer zu korrigieren und muss durch Anpas- sen der Belichtungszeiten, durch Abblenden des Objektivs oder durch Einsatz eines Filters vermie- den werden.
Bei der Farbe wird „gemogelt“
Ein weiterer Punkt, den es zu lösen gilt, ist die Speicherung der Farbe. Genau wie sein fotochemi- sches Pendant ist ein CCD-Chip zunächst farbenblind. Während man sich bei der klassischen Kame-
ra durch einen aus mehreren trans- parenten Schichten bestehenden Farbfilm aushilft – jeder Bildpunkt kann dann eine beliebige, subtrak- tiv zusammengemischte Farbe an- nehmen –, muss bei den üblichen
Digitalkameras jeweils einem Drit- tel der Pixel ein roter, blauer oder grüner Farbfilter vorgeschaltet wer- den. Erst die additive Mischung der drei Farbsignale ergibt dann einen echten Bildpunkt. Um die Auflö- sung dadurch nicht auf ein Drittel der gesamten Pixelzahl reduzieren zu müssen, werden für jede Farbe Zwischenwerte interpoliert – d. h.
es wird ein bisschen gemogelt.
Einer der Hauptgründe, warum Profifotografen weiterhin zum gu- ten alten Film greifen werden, ist aber nach wie vor die schlechtere Auflösung der CCD-Chips. Die ge- wünschte Qualität für den alltägli- chen Profi-Gebrauch erreicht die digitale Fotografie einfach noch nicht. Doch überall dort, wo ein möglichst schneller Informations- fluss gefragt ist, ist sie heute nicht mehr wegzudenken – und das nicht nur im Kindergarten.
Ulrich Kilian
Physikalische Blätte r 57 (2001) Nr. 7/8
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Abb. 3:
Die Ladungen der einzelnen CCD-Sen- sorelemente (1) werden paketweise von einer Elektrode zur anderen verschoben – z. B. in Register, die zwischen den Sen- sorspalten liegen (interline transfer) (2).
Anschließend werden die Ladungen dann kapazitiv als Signal ausgekoppelt, an einen A/D-Wandler weitergeleitet und in digitaler Form abgespeichert.
Dr. Ulr ich Kilian, scie nce & more redaktionsbüro, uk@scie nce-and- more.de
