Elektrisches System (Digital)

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Wandlung

Um eine Lichterscheinung auf elektrischem Wege weiter verarbeiten zu können, bedarf es einer Bildwandlung, im Englischen als "image conversion" bezeichnet, also einer Wandlung des optischen Bildes in ein elektrisches Signal.
Für eine fotografische Aufnahme wird dabei als ein Verfahren die Digitalisierung einer Bildvorlage durch A/D-Wandlung (Analog-Digital-Wandlung) vorgenommen, also ein Digitalfoto erstellt.
Dazu dienen zunächst Halbleiterstrahlungsdetektoren als Bildsensoren, die unterschiedliche Lichtstärken (siehe Kapitel 3. 6. "Fotometrische Einheiten") als elektrische Spannungen quantifizieren¹⁾. Viele kleine solcher Sensoren werden in einer flächigen Anordnung mehrerer Fotodioden, welche unterschiedliche Geometrien haben können, zu einem Flächensensor montiert und erfassen jeweils einen ihrer Größe entsprechenden Bildpunkt des Gesamtbildes, was als Diskretisierung gilt. Nachgeschaltet bewirkt eine Elektronik durch Spannungsabstufungen eine Quantisierung²⁾ der ursprünglich stufenlosen Spannungsverläufe.

Mit der Größe der selektierenden Oberfläche jeder einzelnen Fotodiode steigen die Lichtempfindlichkeit (siehe Kapitel 9. 2. 1. 4. "Empfindlichkeitssysteme") sowie der Dynamikumfang (siehe Kapitel 9. 2. 4. "Belichtungsumfang") des gesamten Sensors.
Die Anzahl der Einzelsensoren pro Fläche ist ein entscheidender Parameter für die Bildauflösung (siehe Kapitel 9. 2. 5. 4.).

Überwiegend kommen heutzutage Flächensensoren in CCD- oder CMOS-Technik zur Anwendung.

Wandler

Die CCD-Technologie beschreibt ein integriertes elektronisches Bauelement, das aufgrund kapazitiver Eigenschaften in der Lage ist, elektrostatische Ladungen zu speichern und zu transportieren.
Der Ladungstransport selbst wird durch mindestens zwei überlappende Taktsignale gesteuert, wobei Frequenzen im Bereich um 50 MHz realistisch sind.

Zelle 1

Zelle 2

Zelle 3

Jede CCD-Zelle reicht die in ihr gespeicherte elektrische Ladung an die nächste Zelle weiter und wird selbst mit der Ladung aus ihrer vorherigen Nachbarzelle nach dem Prinzip eines Schieberegisters gespeist. Das Ladungsbild wird also schrittweise verschoben und am Ende ausgelesen.
Konkret bei einem CCD-Fotosensor sind einige der Zellen mit Fotodioden kombiniert oder selbst lichtempfindlich.

Um nun während der Ladungsverschiebung erneute Ladungen durch weitere Belichtung zu vermeiden, also eine Verfälschung der Bildinformation auszuschließen, müssen lichtempfindliche Bereiche verdunkelt werden. Dafür wurden verschiedene Lösungen entwickelt:

In Digitalkameras, die ihre Zeitenbildung (siehe Kapitel 4. 2. 1. "Belichtungszeit - Blende") mittels mechanischem Verschluß (siehe Kapitel 2. 2. 3.) steuern, werden zur Gewinnung der Bildinformation die gesamte Sensorfläche und zur Abdunklung danach der Verschluß (siehe Kapitel 2. 2. 3.) genutzt. Aufgrund dessen wird dieses Schema auch als "Full-Frame-CCD" (FF-CCD) oder "Full Frame Transfer CCD" bezeichnet und etwa mit "Vollbild" übersetzt.
Die Informationen werden im Transferregister gesammelt und von dort dem Operationsverstärker zugeleitet.

lichtempfindlicher Sensor

Transferregister

Bei sogenannten "Frame-Transfer-CCDs" (FT-CCD) werden die Ladungen nach der Belichtung sehr schnell in einen abgedunkelten Bereich des CCD-Sensors verschoben, somit kann bereits eine neue Belichtung erfolgen, während das vorherige Ladungsmuster noch verarbeitet wird. Die Zeit des Ladungstransfers muß allerdings kürzer als die Belichtungszeit (siehe Kapitel 4. 2. 2. "Belichtungszeit - Bewegung") sein, weil sonst der Smear-Effekt (siehe Kapitel 9. 2. 6. 2.) zu deutlich wird. Obendrein ist für sehr kurze Belichtungszeiten (siehe Kapitel 4. 2. 2. "Belichtungszeit - Bewegung") ein mechanischer Verschluß (siehe Kapitel 2. 2. 3.) notwendig.
Am Ende werden auch hier die Daten dem Signalprozessor zugeleitet.
Wegen des abgedunkelten Bereichs hat solch ein Sensor doppelt soviele Zellen, wie es für die Erkennung der Pixel notwendig wäre, und ist entsprechend größer.

lichtempfindlicher Sensor

abgedunkelter Bereich

Transferregister

Bei "Interline-Transfer-CCDs" (IT-CCD) wird die Ladung aller Pixel zeitgleich spaltenweise in jeweils parallel angeordnete Zwischenspeicherzellen übertragen. Erst dann werden die Ladungen aus diesen abgedeckten Transferregistern in eine einzelne Zwischenzeile, also ein weiteres Transferregister, und von dort aus zum Ausleseverstärker verschoben. Weil die Zelleninformation in kürzester Zeit in die parallelen Transferregister gelangt und damit auch knappe Belichtungszeiten (siehe Kapitel 4. 2. 2. "Belichtungszeit - Bewegung") möglich werden, ist kein mechanischer Verschluß (siehe Kapitel 2. 2. 3.) nötig. Die Belichtungszeit (siehe Kapitel 4. 2. 2. "Belichtungszeit - Bewegung") kann also durch einen "elektronischen Verschluß", englisch als "electronic shutter" bezeichnet, gesteuert werden.
Durch die parallelen Transferregister ist die lichtempfindliche Fläche unterbrochen. Die daraus resultierende Abnahme der Lichtempfindlichkeit (siehe Kapitel 9. 2. 1. 4. "Empfindlichkeitssysteme") wird durch kleine Sammellinsen kompensiert, die, über jedem Einzelsensor positioniert, das Licht (siehe Kapitel 3.) fokussieren und die "lens-on-chip"-Technik charakterisieren.
Nachteilig erweist sich die relativ große Verweildauer der Ladungen in den parallelen Transferregistern. Gebeugtes Licht (siehe 3. 2. 2. "Beugung") kann nämlich die Abdunklung unterwandern und dort störende Ladungen erzeugen, die einen Smear-Effekt (siehe Kapitel 9. 2. 6. 2.) nach sich ziehen.

lichtempfindlicher Sensor

paralleles Transferregister

Transferregister

Eine Kombination aus FT- und IT-Technologie stellen die "Frame-Interline-Transfer-CCDs" (FIT-CCD) dar. So werden bei diesem Typ nicht nur die gesammelten Ladungen der Einzelsensoren schnell an die Zwischenspeicherzellen weitergereicht, sondern von dort auch umgehend in einen abgedunkelten Bereich des Sensors verschoben, um sie dem Lichteinfluß gänzlich zu entziehen und einen Smear-Effekt (siehe Kapitel 9. 2. 6. 2.) zu umgehen.
Zwar erweist sich die die größere Anzahl an Speicherzellen wirtschaftlich eher als nachteilig, die schnelle Verarbeitung der Ladungen gestattet jedoch extrem kurze Belichtungszeiten (siehe Kapitel 4. 2. 2. "Belichtungszeit - Bewegung"), die durch einen "elektronischen Verschluß", englisch als "electronic shutter" bezeichnet, ermöglicht werden.

lichtempfindlicher Sensor

paralleles Transferregister

abgedunkelter Bereich

Transferregister

CMOS bezeichnet eine Gruppe von Halbleiterbauelementen auf der Basis von Feldeffekttransistoren, die vorwiegend in integrierten Schaltkreisen mit analoger sowie digitaler Funktion zur Anwendung kommt und momentan als Haupttechnologie für logische Schaltungen gilt.

Eine einzelne Zelle, die auch als Active Pixel Sensor (APS) bezeichnet wird, besteht aus einer Fotodiode, die einfallendes Licht (siehe Kapitel 3.) mittels Photoeffekt proportional der Lichtmenge (siehe Kapitel 3. 6. "Fotometrische Einheiten"), also abhängig von Lichtstrom (siehe Kapitel 3. 6. "Fotometrische Einheiten") und Belichtungszeit (siehe Kapitel 4. 2. 2. "Belichtungszeit - Bewegung"), in elektrische Spannungen umsetzt, einem Kondensator für die Ladungsaufnahme und Transistoren als Verstärkerelement.
Nach einem Ausleseimpuls gelangt die Analogspannung zur Verarbeitung an einen Signalprozessor.

Durchaus ist die Fotografie nach dem Wirkprinzip eines Flachbettscanners mit Zeilensensor, also einer zeilenweisen Aufzeichnung des Bildes, möglich.
Dafür werden entweder spezielle Scannerkameras oder lediglich digitale Kamerarückwände, auch "Scanback" genannt, an konventionellen Kameras verwendet.
Allerdings können mit diesem Verfahren lediglich statische Motive aufgenommen werden, weil eine sequentiellen Belichtung jeder Zeile des Bildes stattfindet.

¹⁾ quantum: Lateinisch für „wie viel“ oder „wie groß“; bedeutet stufenlosen Wertvorrat
²⁾ quantitas: Lateinisch für Menge; bedeutet gestuften Wertvorrat

Chromatische Selektion

Weil lichtempfindliche Halbleiter eigentlich nur die entsprechende Lichtstärke (siehe Kapitel 3. 6. "Fotometrische Einheiten") unabhängig von Wellenlängen (siehe Kapitel 3. 1.) quantifizieren¹⁾, werden in die Flächensensoren entweder Farbfilter eingebaut oder spezielle Halbleiterbauelemente verwendet.
Für die Verarbeitung farbiger Vorlagen werden also Sensoren benötigt, die gezielt auf spektrale Strahldichteverteilungen reagieren.
Zur Zeit existieren für die Fotografie Systeme, bei denen zum einen Sensoren benutzt werden, die hinter einer Farbmaske lediglich einen bestimmten Anteil des weißen Lichtes (siehe Kapitel 3.) empfangen können, sowie zum anderen welche, die entsprechend der unterschiedlichen Eindringtiefen des Lichtes (siehe Kapitel 3.) in Abhängigkeit von dessen Wellenlänge (siehe Kapitel 3. 1.) in Silizium sensibilisiert sind.

Als Farbmuster für die sogenannten "Ein-Chip-CCD-Sensoren" liegen unterschiedliche Konzeptionen zugrunde, wobei in digitalen Konsumerkameras bevorzugt die Bayer-Matrix, im Englischen als Bayer-Pattern bezeichnet, verwendet wird.

In einem Bayer-Sensor sind also die Fotozellen mit einem Farbfilter (siehe Kapitel 7. 5. 5 .2. 1. "Wirkung Farbfilter") überzogen, das etwa zur einen Hälfte aus grünen und zur anderen Hälfte aus gleichermaßen verteilten blauen und roten Farbflächen besteht. Daher werden sie teilweise als RGGB-Farbfilter bezeichnet.
Diese Farbanordnung trägt der speziellen Sensibilität des menschlichen Farbsehens auf Grüntöne Rechnung.

Nach meinen Erfahrungen gibt es bezüglich des farblichen Eindruckes ein und desselben Grüns nuanciert so viele Meinungen, wie sich Leute an einer Debatte darüber beteiligen, sei es nun beim Streichen von Zimmerwänden, dem Betrachten von Fotos, Gegenständen oder wobei auch immer. Die Ansichten weisen dann tendenziös Richtung bläulicherem oder rötlicherem, also kaltem oder warmen Seheindruck.

Bei keiner anderen Farbe scheint die unterschiedliche Wirkung derartig gravierend zu sein.

Vor jeder einzelnen Fotozelle ist demnach ein Farbfilter in einer der drei Basisfarben Rot, Grün oder Blau aufgebracht, wodurch jede Zelle lediglich auf den Anteil der vorselektierten Lichtfarbe an dieser Stelle reagieren kann.
Licht (siehe Kapitel 3.) von einer beispielsweise homogenen blaue Fläche wird also nur wirklich von blauselektiven Sensoren registriert, die grün- und rotselektiven geben kein Signal. Die dadurch eigentlich entstehenden dunklen Lücken werden nun künstlich mit Blau gefüllt.

Ein vollständiges Abbild entsteht also erst nach der kamerainternen Bearbeitung. Benachbarte Pixel gleicher Farbe, die ja der Nachbarsensor aufgrund seiner anderen Filterfarbe nicht erkennt, müssen interpoliert, also entsprechend der Gesamtbilderscheinung hinzugerechnet werden.
Alle grünen Pixel fallen, bezogen auf die Gesamtfläche, zu 50 % auf rot- oder blauselektive Sensoren. Blaue und rote Lichtanteile treffen mit 75 %iger Wahrscheinlichkeit auf eine für sie nicht selektive Sensorfläche. In für die Farbe sensible Zeilen liegen die Wahrscheinlichkeiten der Nichterkennung bei 50 % und in der Folgezeile sogar bei 100 %, sodaß sie an diesen Stellen bei Bedarf entsprechend synthetisch nachgebildet werden müssen.

Die Interpolation selbst geschieht nun in neuen Pixeln, die aus vier Vierteln jeweils benachbarter Pixel gebildet werden, wodurch ein Versatz in Höhe und Breite um ¹/₄ px entsteht:

Bei der Farbinterpolation wird davon ausgegangen, daß ein Sensor, der keine Lichtinformation erhält, von einer benachbarten Farbe getroffen wird und es obendrein in der Bildvorlage zwischen zwei benachbarten Pixeln gleicher Farbe nur zu geringen Unterschieden kommt, deren helligkeitsäquivalente Graustufen (siehe Kapitel 3. 3. 1. "Grautöne") also auch ähnlich sind. Unter dieser Annahme wird diese Bildlücke also mit einer aus Nachbarinformationen errechneten Farbe gefüllt.
Speziell auf die Digitalfotografie bezogen, wird die Interpolation auch Demosaicing oder Demosaicking genannt und bezeichnet die Rekonstruktion der unvollständigen Abbildung einer gerasterten Vorlage.
Weil die einfache Interpolation senkrecht zu gleichfarbigen benachbarten Pixeln verstärkte Kantenbildung hervorrufen kann, gibt es zur Umgehung dieser Problematik komplexere Algorithmen, fehlenden Farbwerte zu berechnen.

Ein-Chip-CCD-Sensoren nutzen das eintreffende Licht (siehe Kapitel 3.) zwar nicht hocheffektiv aus, sind aber kostengünstig sehr kompakt aufzubauen und technologisch sowie in der Signalverarbeitung gut beherrschbar.

Der Super-CCD-Sensor (SCCD) ist eine Weiterentwicklung des CCD-Sensors, bei dem durch eine um 45 ° gedrehte wabenförmige Anordnung achteckiger Zellen zwischen den Einzelsensoren geringere Abstände und damit sowohl höhere Lichtempfindlichkeit (siehe Kapitel 9. 2. 1. 4. "Empfindlichkeitssysteme") als auch eine verbesserte Abbildungsleistung erzielt werden.

Foveon-X3-Sensoren basieren auf der Ausnutzung verschiedener Eindringtiefen farbigen Lichtes (siehe Kapitel 3.) in Silizium, die für Rot bei etwa 10 µm und Blau 1 µm liegen. Für die spezielle Farbselektion sind die Sensoren in entsprechender Tiefe eingebaut.
Vorrangig werden zwar CMOS-Sensoren verwendet, prinzipiell ist aber auch der Einsatz von CCD-Sensoren denkbar.

Signalkorrektur

Durch Aufbau von Mikrolinsen über Sensoren, auch mit "lens-on-chip" umschrieben, können die Lichtausbeute sowie der Kontrastumfang (siehe Kapitel 9. 2. 4. "Belichtungsumfang") bei gleichzeitiger Minimierung des Rauschens (siehe Kapitel 9. 2. 5. 2.) erhöht werden.

Um nun tatsächlich vorwiegend das sichtbare Licht (siehe Kapitel 3.) zu verarbeiten, werden in den Strahlengang (siehe Kapitel 6. 1.) meist direkt vor den Sensor beispielsweise Infrarot- und UV-Sperrfilter (siehe Kapitel 7. 5. 4.) eingebaut, sonst würden Motivteile, die zwar außerhalb aber nahe der blauen und roten spektralen Randbereichen liegen, wie teilweise auch heiße Gegenstände, zu hell oder falschfarbig dargestellt.

In der Signalverarbeitung können beim Digitalisieren analoger Signale Aliasing- oder Alias-Effekte auftreten. Das sind Störungen, die aufgrund einer zu geringe Abtastfrequenz entstehen und zu Mustern führen, die im Originalbild nicht vorhanden sind. Frequenzanteile des Ursprungssignals, die höher als die halbe Abtastfrequenz sind, also Detailfeinheiten zu hoher Informationsdichte im Bildmotiv unterhalb einer bestimmten Grenze, werden als niedrigere Frequenzen interpretiert und können sich beispielsweise als Moiré, einen Spezialfall des Alias-Effektes durch Unterabtastung, sowie Kantenartefakte abbilden.
Zur Kompensation derart begründeter Bildfehler wird vor dem Sensor ein Tiefpaßfilter eingesetzt, das durch Erzeugen einer Unschärfe (siehe Kapitel 9. 2. 5. 4. "Auflösung") in winzigen Strukturen zu hohe Frequenzen vor dem Eingangssignal sperrt, also ein sogenanntes Prefiltering vornimmt. Im Anschluß daran erfolgt oft wieder eine gezielte Nachschärfung.
Antialiasing-Filter, für die auch die Begriffe Höhensperre, Höhenfilter, High Cut und Treble Cut benutzt werden, ob optisch oder elektronisch, sind nur vor der Digitalisierung wirkungsvoll, weil eine nachträgliche Korrektur ausgeschlossen ist. Die Filterwirkung ist jedenfalls ein Kompromiß zwischen Aliasing-Kompensation und Schärfereduktion.

Bildstabilisator

Wird ohne statische Hilfsmittel fotografiert, kann es zu Verwacklungsunschärfen (siehe Kapitel 4. 2. 2. "Belichtungszeit - Bewegung") kommen, wenn die sogenannte Freihandgrenze (siehe Kapitel 4. 2. 2. "Belichtungszeit - Bewegung") überschritten wird.
Um diese Grenze dennoch überschreiten zu können, gibt es mechanische Verfahren, die hier beschrieben werden, sowie optische Verfahren (siehe Kapitel 6. 1. 3. "Bildstabilisator").

Die mechanische Bildstabilisierung wird durch eine Bewegung der Bildebene (siehe Kapitel 2. 2. 1. "Bildebene und Filmtransport") unter dem Bildkreis (siehe Kapitel 6. 2. "Eigenschaften") realisiert und auch als "Sensor-Shift" bezeichnet.
Praktisch wird dabei der Bildsensor durch ein elektrisches Stellglied bewegt, das auf unterschiedlichen Prinzipien beruhen kann.
In Grenzen werden also die horizontale sowie die vertikale Positionierung, unter Umständen sogar die Torsion, der jeweiligen Abweichung des Strahlenganges vom Normalen angeglichen.

Vorteil dieser Konstruktion ist die Verwendungsmöglichkeit vieler Objektive unter Beibehaltung einer Bildstabilisierung, auch wenn diese selbst über keinen internen Stabilisator verfügen. Zwei miteinander korrespondierende Stabilisierungssysteme können sich allerdings gegenseitig negativ beeinflussen.
Darüber hinaus muß die Lagekorrektur des Sensors nicht zwingend zu jeder Brennweite (siehe Kapitel 6. 2.) passen.

Die Bezeichnung der Stabilisatoren ist herstellerspezifisch.

Firma	Umschreibung	Abkürzung
Konica Minolta:	Anti-Shake-System	AS
Olympus:	Image Stabilization	IS
Pentax:	Shake Reduction	SR
Ricoh:	Vibration Correction	VC
Sony:	SteadyShot Insid	SSI
Sony:	Super SteadyShot	SSS

Neben den mechanischen sowie optischen Stabilisationsmethoden (siehe Kapitel 6. 1. 3. "Bildstabilisator") wird noch unter dem Begriff "Digitaler Bildstabilisator" eine rein mathematische Methode angeboten, durch die quasi die Bildinformationen anhand der Orientierungsergebnisse von Bewegungssensoren rein elektronisch neu gebildet werden. Zugrunde liegt bei seriösen System die Methode der Deconvolution, die eine sogenannte "Entfaltung" beschreibt, bei der es sich um eine mathematische Transformation der Signal- und Bildverarbeitung handelt.
Dennoch gehen dadurch Bildinformationen verloren.

Abstand zu nehmen ist von Systemen, die unter "Digitaler Bildstabilisator" lediglich die Erhöhung der Empfindlichkeit (siehe Kapitel 9. 2. 1. 4. "Empfindlichkeitssysteme") zum Zwecke kürzerer Verschlußzeiten (siehe Kapitel 4. 2. 2. "Belichtungszeit-Bewegung") verstehen oder gar das Bild lediglich nachschärfen.
Im ersten Fall wird das Rauschen (siehe Kapitel 9. 2. 5. 1.) zunehmen, im zweiten Fall durch erneute Interpolation die Bildqualität auf eine andere Art leiden.
leer

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