Elektor

10/98

Über elektronische Kameras wurde
lange gesprochen und an Prototypen
lange herumentwickelt, doch es
brauchte seine Zeit bis zur Marktreife.
An Fotografie Interessierte erinnern
sich vielleicht sogar noch an die erste
Produkt-Demonstration von Sony mit
dem schönen Namen Mavica in den
siebziger Jahren. Auch die Ion von
Canon ist - sieht man einmal von
deren Start zu Anfang der neunziger
Jahre ab - ein Produkt mit langer
Anlaufzeit. Der wirkliche Durchbruch
bei digitalen Kameras fand aber erst im

Laufe der letzten Monate statt. Dank
des technischen Fortschritts ist eine
Digital-Kamera mittlerweile nicht nur
bezahlbar, sondern verfügt über aus-
reichende Speichermedien und eine
genügend hohe Auflösung, um sie bei
einer Vielzahl von Anwendungen gut
einsetzen zu können. Obwohl die Ent-
wicklung soweit fortgeschritten ist, daß
man berechtigterweise von einem
Durchbruch reden kann, steht die Wei-
terentwicklung nicht still. Wurden bei-
spielsweise vor zwei Jahren noch
Kameras mit einer physikalischen Auf-

Den Durchbruch hat

diese noch relativ

neue Technik schon

hinter sich. Digitale

Fotoapparate sind

schon überall da

anzutreffen, wo es auf

computergestützte

Bildregistrierung

ankommt und wo die

perfekte Bildqualität

nicht unbedingt

gebraucht wird. In

diesem Beitrag geht

es um technische

Details und die Funk-

tionsprinzipien digita-

ler Bildfänger.

54

Digitale Fotografie

F

oto: Philips

Elektronik ersetzt Film

INFO & GRUNDLAGEN

lösung von 320
mal 240 Pixel auf
den Markt
gebracht, so sind
heute 1200 mal 900
Pixel schon bescheiden. Verglichen mit
einem konventionellen Kleinbildfilm
ist die heute übliche Auflösung aber
immer noch gering. Vom Film werden
mindestens 100 Linien pro Millimeter
verlangt, ein Kleinbildfilm kommt auf
eine Auflösung von etwa 3600 mal 2400
Pixel. Das macht etwa 8,6 Millionen
Bildpunkte. Allerdings wird erwartet,
daß noch in diesem Jahr digitale Kame-
ras mit mehr als 2 Millionen Bildpunk-
ten auf den Markt kommen. Der
Abstand zum Film wird also schnell
kleiner.

D

E R

D

U R C H B R U C H

Die Gründe für den Durchbruch zu
praktischer Brauchbarkeit hin liegen in
zwei getrennten Entwicklungen.
Einerseits ermöglicht die Halbleiter-
Industrie die preiswerte Produktion
von immer höher auflösenden Bild-
Sensoren - auf der anderen Seite wur-
den in den letzten Jahren immer effek-
tivere Kompressions-Algorithmen ent-
wickelt (z.B. JPEG), mit Hilfe derer sich
der immensen Datenflut Herr werden
läßt. Die eingebauten Prozessoren sind
so in der Lage, die MByte-weise anfal-
lenden Daten in kürzester Zeit auf
einige hundert KByte zu reduzieren
und auf kompakte Speicherkarten zu
bannen.

C C D

S A L S

F

I L M E R S A T Z

CCDs (Charge Coupled Devices) über-
nehmen in digitalen Kameras eine Auf-
gabe des Films: Die Detektion opti-
scher Information und das kurzzeitige
Festhalten dieser Information. Im
Grunde handelt es sich bei einem CCD
um eine Matrix optoelektronischer
Sensoren mit eingebautem Ausleseme-
chanismus. Mit Hilfe von CCDs wer-
den Bilder in einen Strom elektrischer

Signale transfor-
miert.
Damit ist die Auf-
gabe eines CCDs
auch schon grob

umschrieben. Formal stellt ein CCD
einen Konverter von Bildinformation
in elektrische Information dar. Konkret
geht das so vor sich: Lichtstrahlen, die
auf den Chip treffen - oder anders
herum: Photonen, die die Oberfläche
des Halbleitermaterials durchdringen,
übertragen ihre Energie auf das Sub-
strat. Dabei werden im Halbleiter Paare
von Elektronen und Löchern erzeugt.
Im Prozeß der Energieübertragung
werden Elektronen vom Valenzbereich
in Leitungsbahnen gedrückt. Als Folge
davon entsteht eine Lücke im Valenz-
bereich. Dieser Vorgang reduziert die
Energie des eingefallenen Lichts um
genau den Betrag, der der Energiedif-
ferenz der beiden Bahnen entspricht.
Um den Prozeß in Gang zu bringen,
muß die Energie eines einfallenden
Photons größer als diese Energiediffe-
renz sein.
Bei CCDs
bedeutet dies

aufgrund der Materialeigenschaften,
daß nur Photonen mit einem Energie-
gehalt von > 1 eV etwas ausrichten
können. Umgerechnet sind sie daher
nur für Wellenlängen < 1000 nm emp-
findlich. Nachdem ein Photon ein
Elektronen/Loch-Paar erzeugt hat,
muß dafür gesorgt werden, daß das
negative Elektron und das positive
Loch voneinander getrennt werden,
da sie sonst in kurzer Zeit unter Ener-
gieabgabe rekombinieren würden und
die eingefangene Information somit
futsch wäre. Dies geht am einfachsten
mit einem elektrischen Feld. Auf diese
Weise werden die Elektronen gezielt
abgezogen und die Löcher verschwin-
den im Substrat.
Es ist verständlicherweise fast unmög-
lich, die Anwesenheit eines einzigen
Elektrons mit konventionellen Metho-
den nachzuweisen. Seine Ladung ist
dazu viel zu gering. Aus diesen Grün-
den sammelt man die Elektronen über
eine gewisse Zeitspanne, so daß sich
eine ordentliche Energiemenge ansam-
meln kann. Der Effekt davon läßt sich
elektronisch als Ladung registrieren.
Die Elektronensammlung an einem
Ort hat so gleichzeitig die Funktion
eines Kondensators, den man leeren
kann. Dabei läßt sich feststellen, wie
stark er geladen war. In

Bild 1 sind

zwei Varianten einer lichtempfindli-
chen Zelle eines CCDs dargestellt. Bild
1a zeigt einen metallischen NP-Über-
gang einer Foto-Diode und Bild 1b
einen spannungsgesteuerten NP-Über-
gang, der einem MOS-Kondensator
entspricht. Beide Konstruktionen
machen von einem P-dotierten Sub-
strat Gebrauch. Die Trennung von
Elektronen und Löchern wird über ein
elektrisches Feld im NP-Übergang
erreicht. Wird die Feldstärke des Über-
gangs reduziert, dann nimmt der

Umfang des
Kondensators
ab und die

55

Elektor

10/98

n

+

Photon

n

+

Photon

Gate

SiO

2

p-Si

a

b

980081 - 11

Bild 1. Zwei lichtempfindliche
Zellen. Eine Variante ent-
spricht der Konstruktion einer
Foto-Diode (a) und die andere
der eines spannungsgesteuer-
ten NP-Übergangs (b).

a

b

n

+

n

+

n

+

Photon

p-Si

980081 - 12

n

+

n

+

Photon

p-Si

1

2

Bild 2. Eine Foto-Diode kann auf
zwei verschiedene Arten gelesen
werden: mit einem MOS-Schalter (a)
oder einem Schieberegister (b).

Dichte der Ladungsträger zu. Die
Empfindlichkeit des Foto-Sensors ist
also ganz einfach nur mit Hilfe einer
Steuerspannung einzustellen.

L

A D U N G

T R A N S P O R T I E R E N
Nachdem die prinzipielle Foto-Funk-
tion einer CCD-Zelle geklärt ist, bleibt
immer noch die Aufgabe, die gesam-
melte Ladung koordiniert zu irgend
einer Art Ausgang zu schaffen. Auch
für diese Aufgabe gibt es zwei Alterna-
tiven auf Basis der Konstruktion von
Bild 1a, der Foto-Diode. Bild 2 zeigt
beide Varianten. Die Wahl besteht zwi-
schen einer Lösung mit MOS-Schal-
tern mit einer Sense-Leitung und
einem Schieberegister. Beide haben
Vor- und Nachteile. Der größte Nach-
teil der Lösung mit MOS-Schalter ist
der geringere Signal-Rausch-Abstand.
Ein Schieberegister hingegen erfordert
bei der Produktion einen höheren Auf-
wand, da hier ein Taktsignal nötig ist,
um die Ladungen Schritt für Schritt
über die einzelnen Kondensatoren
zum Ausgang zu lenken.
Aus dem bisher Besprochenen ergibt
sich allerdings lediglich der prinzipielle
Aufbau einer einzigen Bildzeile. Ein
CCD läßt sich zum Beispiel in einem
Scanner oder Faxgerät verwenden. In
einer Foto- oder Videokamera ist aller-
dings die Anwesenheit einer zweiten
Dimension wünschenswert.

F

R A M E S

In Foto-Kameras werden sogenannte
FT-CCDs eingesetzt. Diese

Frame Trans-

fer CCDs unter-

scheiden sich von
anderen Ausführun-
gen in der Art, wie sie
die Ladung einer Zelle
zum Ausgang trans-
portieren. Bei FT-CCDs
werden MOS-Zellen (wie in Bild 1b)
verwendet. Eine lichtempfindliche
CCD-Zeile ist hierbei mit einem ebenso
langen Schieberegister kombiniert
(siehe Bild 3). Das Schieberegister
selbst ist so konstruiert, daß es nicht
lichtempfindlich ist. Räumlich folgt
also auf jede lichtempfindliche Zeile
ein nicht foto-sensibles Schieberegister.
Es ergibt sich ein Streifenmuster. Ein

kompletter Bild-

Auslese-Zyklus sieht
wie folgt aus: Vom Zeit-
punkt an, an dem die
Bildinformation regi-
striert werden soll, wer-
den alle Zellen auf dem

Chip in den Sammel-Modus versetzt.
Eine Hälfte des CCDs wird über eine
hohe Spannung und die andere Hälfte
über eine niedrige Spannung ange-
steuert. Die aktive Hälfte sammelt nun
die durch Photonen ausgelöste
Ladung. Am Ende der Belichtungszeit
übertragen die Schieberegister die
Ladungen des empfindlichen Teils in
den unempfindlichen Bereich. Diese
Übertragung wird sehr schnell ausge-
führt, damit es definierte Bilder ohne
zeitliche Überlappungen ergibt. Nun
können die Zeileninformationen rela-
tiv gemächlich gelesen werden. Dabei
wird sukzessive, Reihe für Reihe vor-
gegangen. Dieses Lesen hat die Funk-
tion eines Parallel-Seriell-Umsetzers
und gleichzeitig werden die einzelnen
Ladungen in aufeinanderfolgende
Spannungspegel umgesetzt. Die Kette
an Einzelspannungen stellt gleichzei-
tig das Videosignal dar. Im Prinzip ist
es sogar möglich, während des Ausle-
sens gleichzeitig die nächste Belich-
tung vorzunehmen, da der lichtemp-
findliche Bereich des CCDs nach der
Ladungsübertragung in den unemp-
findlichen Bereich schon gleich wieder
arbeitsfähig ist.

D

A S

G

A N Z E I N

F

A R B E

Da alle CCD-Zellen in gleicher Art und
Weise auf einfallendes Licht reagieren,
kann man mit dem bisher beschriebe-
nen Aufbau lediglich S/W- bezie-
hungsweise Graustufenbilder realisie-
ren. Die Farblösung ist vom Prinzip her
einfach: Man nehme die dreifache Zel-

56

Elektor

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980081 - 13

Ausgang

horizontales CCD-Ausgangsregister

Zwischenspeicher

Lichtempfindliches CCD-Register

Bild 3. Der Aufbau eines FT-CCDs
mit einem lichtempfindlichen Teil
und einem Speicherbereich.

3

F

oto: Sony

Sony wählte bei ihrer
digitalen Mavica eine
besonders einfache
Art der Datenspeiche-
rung: eine gewöhnli-
che 3,5”-Diskette.

lenzahl und versehe die Zellen immer
schön abwechselnd mit Farbfiltern.
Durch die übliche 8-bit-Digitalisierung
des Signals einer Zelle ergibt sich ein
Pixel aus drei verschiedenfarbigen Zel-
len und also drei 8-bit- entsprechend
einem 24-bit-Farbwert.
In der Praxis gibt es zwei verschiedene
CCD-Typen. Für die Anwendung in
Videokameras sind die Anforderungen
nämlich andere als bei Foto-Kameras.
Bei Video-CCDs werden rechteckige
Zellen mit Farbfiltern in Zyan,
Magenta und Gelb eingesetzt. Außer-
dem wird ausgenutzt, daß Videosig-
nale aus zwei Halbbildern zusammen-
gesetzt sind. So lassen sich kräftig Zel-
len sparen. Prinzipiell ließen sich mit
solchen CCDs auch Fotos realisieren,
wenn man die beiden Halbbilder elek-
tronisch wieder zu einem zusammen-
setzt. Bei bewegten Objekten gibt es
allerdings allerhand unschöne Effekte
durch das zeitversetzte Registrieren, so
daß dies keine optimale Lösung ist.
Bessere digitale Foto-Kameras verfü-
gen deshalb über spezielle CCDs,
deren Eigenschaften besser zur
Anwendung passen.

P

R O G R E S S I V E

C C D

S

Sogenannte Progressive CCDs arbeiten
mit quadratischen Pixeln - damit ist
auch schon der wichtigste Unterschied
zu Video-CCDs deutlich. Außerdem
sind die Farbfilter in den für Bilder

geeigneteren RGB-Farben ausgelegt.
Weiter ist jeder Bildpunkt fest mit einer
Primärfarbe gekoppelt. Schließlich legt
ein Progressive CCD das Bild auf einen
Rutsch fest und macht keinen
Gebrauch von zwei Halbbildern. Um
adäquate farbige Bilder zu erhalten, ist
dennoch eine spezielle Software in der
Kamera notwendig. Ihre Fähigkeiten
bestimmen in großem Maße die letzt-
endliche Bildqualität.
Um bei gegebenem Aufwand die Bild-
qualität unter Berücksichtigung der

Eigenschaften des menschlichen Auges
zu optimieren, befinden sich auf einem
solchen CDD doppelt so viele grün-
empfindliche Zellen als Zellen für
blaue oder rote Farbe vorhanden sind.
Damit ist die Zuordnung von resultie-
rendem Farb-Pixel zu konkreten Zellen

57

Elektor

10/98

1” ist nicht gleich 1”

Die Abmessungen von CCDs werden typischerweise in Zoll angegeben. Gebräuchliche Größen sind 1”, 2/3”, 0,5” und
1/3”. Diese Werte verweisen auf die Abmessungen der Aufnahmebuchsen, die früher bei TV-Kameras eingebaut waren.
Ein 1”-CCD hat demnach die gleiche effektive Oberfläche wie eine 1”-Aufnahmebuchse. Bei so einer Aufnahmebuchse
beträgt die effektive Bilddiagonale 16 mm (0,6”). Ausgehend vom für Video-CCDs typischen Breite/Höhe-Verhältnis von
4:3 lassen sich für alle Zollangaben die tatsächlichen Abmessungen des Bild-Sensors nun einfach berechnen.

Dank der fortschreitenden Miniaturisierungserfolge der Halbleiterindustrie werden heute beinahe keine 1”-CCDs mehr
hergestellt. 0,5”- und 1/3”-CCDs dominieren den Markt. Trotz kleinerer Chips steigt deren Auflösung unaufhaltsam. Die
Olympus C-1400L kommt mit ihrem 2/3”-CCD auf immerhin 1,4 Millionen Pixel. Die horizontale Auflösung beträgt 1280
und die vertikale 1024 Pixel - also mit 5:4 nicht ganz entsprechend dem üblichen 4:3-Verhältnis.

12,8

8,8

6,4

4,4

9,6

6,6

4,8

3,3

16

11

8

6,5

980081 - 16

alle Maße in mm

1"

2

/

3

"

1

/

2

"

1

/

3

"

F

oto: Olympus

Die C-1400L von Olym-
pus ist eine der
besten Kameras
außerhalb des (unbe-
zahlbaren) Profilagers

nicht mehr so einfach möglich. Die
Hersteller geben die resultierende Auf-
lösung also auf Basis eines per Algo-
rithmus generierten Wertes an. Ein-
deutige Aussagen zur tatsächlichen
physikalischen Qualität einer Kamera
lassen sich also nur schwer machen.

K

O M P R E S S I O N

Der letzte und keinesfalls unwichtigste
Teil der Geschichte ist die Datenkom-
pression. Bei einer resultierenden Auf-
lösung von beispielsweise 1024 mal 768
Pixel in 24 bit kommen immerhin
schon fast 2,4 MByte an Daten für ein
einziges Bild zusammen. Der interne
Speicher einer Kamera mit typischer-

weise 4...8 MByte wäre also sehr
schnell voll.
Um dem Engpaß abzuhelfen, werden
Kompressionsverfahren eingesetzt.
Verlustfreie Kompressionsverfahren
wie das TIF-Format oder der LZW-
Algorithmus erhalten die Bildqualität
vollständig. Die damit erzielbaren
Kompressionsfaktoren hängen aber
stark vom Bildinhalt ab. Einfache und
wenig strukturierte Bilder (siehe Bild
4) eignen sich hierfür sehr gut.
Verlustbehaftete Kompressionsverfah-
ren (z.B. JPEG) nutzen weitere Eigen-
schaften des menschlichen Auges. So
kann man lediglich etwa 2000 Farb-
nuancen unterscheiden. Das ist deut-
lich weniger als die Millionen, die mit

24 bit darstellbar sind.
Bild 5 zeigt, wie so eine Kompression
die Auflösung des Farbraums redu-
ziert. Je höher die Kompressionsrate,
desto mehr Details gehen verloren und
desto schlechter ist die Bildqualität.
Dennoch haben diese Verfahren ihre
Bedeutung, da damit 2 MByte an Roh-
daten ohne nennenswertes Qualitäts-
verlust locker auf etwa 100 KByte ein-
gedampft werden können. Das reicht
dann schon für eine ganze Anzahl
Fotos im internen Speicher aus.

(980081)

58

Elektor

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weiß-weiß-weiß-weiß-weiß-rot-rot-rot-gelb-gelb usw.

Quelldatei

Verlustfreie Kompression

5x

3x

2x

980081 - 14

weiß-weiß-hellrot-rosa-rot-dunkelrot-rot-rosa usw.

Quelldatei

2x weiß-2x hellrot-3x rot-1x hellrot usw.

Leichte Kompression

2x weiß-6x rot usw.

Schwere Kompression

980081 - 15

Bild 4. Verlustfreie Kompression am Beispiel
des LZW-Algorithmus.

Bild 5. Schnelle und effektive Bildkompression ist
nur auf Kosten von Qualitätseinbußen machbar.
Hier ist der Zusammenhang von Qualitätsein-
buße und Kompressionsfaktor dargestellt.

CMOS und Alternativen

Die in diesem Beitrag angeführten CCDs werden immer noch in klassischer MOS-Technik produziert. Dabei hat diese Tech-
nologie eine ganze Reihe von Nachteilen. Das größte Manko ist der Energieverbrauch eines so hergestellten Chips.
Außerdem ist es schlicht eine inzwischen antiquierte Technologie. Gängige Computer-Chips werden in CMOS-Tech-
nologie hergestellt und man muß so eine abweichende Herstellungstechnik aufrechterhalten. Es liegt auf der Hand, daß
die Industrie stark engagiert ist, in dem Bemühen, die Produktion von CCDs auf moderne Verfahren umzustellen.
Seit kurzem zeigen sich erste Erfolge dieser Anstrengungen, CCDs in CMOS-Technologie zu fertigen. Sollte diese Inte-
gration in “normalen” Fertigungsprozessen gelingen, wären nicht nur niedrigere Preise die Folge. Es ließe sich neben
dem CCD auch gleich eine Menge Computerpower auf einem Chip vereinigen. Es ergibt sich so die Möglichkeit einer
kompletten Bildverarbeitung “on chip”.
Einer der großen Vorteile dieser Extra-Logik wäre die Möglichkeit des gezielten Ansprechens bestimmter Pixel, was
völlig neue Möglichkeiten (intelligente Sensoren) erschließt. Dem Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltun-
gen gelang neulich die Herstellung eines CCDs mit 120.000 Pixel inklusive Logik-Funktionen. Außerdem verfügt der
Chip über eine einzelne Fotozeile mit 2048 Bildpunkten und einen Belichtungsbereich von 100 ns bis 4 Sekunden. Jede
einzelne lichtempfindliche Zelle verfügt über einen Buffer, einen Leseverstärker und eine eigene Dunkelkompensation,
so daß der Chip auch bei sehr geringen Beleuchtungsintensitäten eingesetzt werden kann.

4

5