CCD Technik
Quantenausbeute, QE, von einem CCD Sensor
Die Quantenausbeute QE ist definiert als das Maß, das den prozentualen Anteil der aus den einfallenden Photonen gebildeten elektronischen Ladungen angibt. Sie gibt also die Effizienz des CCD Bildsensors an und ist durch seine Materialeigenschaften, sein Herstellungs-Verfahren und seine Design-Struktur bestimmt. Je nach Anwendung und verfügbarer Lichtmenge ist dies ein Orientierungswert um Sich für die richtige CCD Kamera zu entscheiden.Licht Sensitivität von einem CCD Sensor
Die Sensitivität S ist ein Maß für die Empfindlichkeit eines CCD Sensors. Die Sensitivität ist das Verhältnis von Signal/Rauschverhältnis SNR und QuantenausbeuteQE: S = SNR/QE
Die Sensitivität gibt also an, wie viele Photonen zur Erzeugung eines Signals notwendig sind, das einem Signal/Rauschverhältnis von SNR=1 entspricht. Insbesondere bei geringen Lichtintensitäten sollten Sie darauf achten eine CCD Kamera mit hoher Sensitivität zu wählen.
Dunkelstrom von einem CCD Sensor
Der Dunkelstrom eines CCD Bildsensors ist ein wichtiger Faktor, welcher die Sensitivität stark mitbestimmt. Er resultiert aus der thermischen Genese von Elektronen mit seiner Temperaturabhängigkeit und folgt mit guter Nährung einem klar exponentiellen Verhalten. Als mittlerer Richtwert kann eine Verdoppelung des Dunkelstromes durch eine Temperaturerhöhung von etwa 6°C bis hin zu 9°C zur überschlagsmässigen Abschätzung angenommen werden. Es addiert sich zum Nutzsignal. Seine statistischen Eigenschaften tragen als Dunkelrauschen zum Gesamtrauschen bei. Abweichend vom Idealfall sind die Dunkelsignale aber nicht gleichmäßig über das Array der einzelnen Bildpunkte verteilt, sondern variieren infolge von Inhomogenitäten während der Chipherstellung örtlich über der Sensorfläche, so dass ein strukturiertes Dunkelbild entsteht, welches man als „fixed pattern noise“ bezeichnet. Teilweise treten sogar so genannte „Hot pixel“ als sehr starke Dunkelabweichungen einzelner Pixel auf. Diese feste Dunkelstruktur kann durch Subtraktion eines Dunkelbildes vom Nutzbild korrigiert werden. Zur Minimierung des Dunkelstroms wird jede unserer CCD Kamera standardmäßig Peltier gekühlt.Sättigungsladung von einem CCD Sensor
Die Sättigungsladung FW ist die maximale Anzahl Elektronen, die ein einzelnes Pixel unterhalb der Sättigungsbelichtung aufnehmen kann. Die FW ist im Wesentlichen abhängig von der Art des Bildsensors, seiner Betriebsweise und von der Größe der Pixel. Wird die Sättigungsladung überschritten, laufen bei konventionellen Bildsensoren die überschüssigen Elektronen in die Potentialtöpfe der benachbarten Pixel über und es entsteht das so genannte „Blooming“. Dieser Effekt beeinflusst damit die qualitativen und quantitativen Bildeigenschaften. Eine CCD Kamera die einen Bildsensoren mit so genannter „Antiblooming Struktur“ besitzt, leitet die überschüssigen Elektronen nicht zu den benachbarten Bildpunkten ab, sondern zu speziellen Drainagestrukturen. Da diese Strukturen jedoch Platz auf dem Chip benötigen, wird dadurch die Quantenausbeute oder der Füllfaktor negativ beeinflusst. Häufig ist diese Antiblooming Fähigkeit jedoch sehr wichtig, z.B. bei der Vermessung kleiner Intensitäten in der Nachbarschaft von Intensitäten, die mehrere Größenordnungen größer sind. Eine CCD Kamera, die Antiblooming Sensoren, besitzt kann Elektonenkapazitäten größer als die 200 bis 1000-fache Sättigungsladung verarbeiten.Gesamte Elektronenkapazität von einem CCD Sensor
Die gesamte Elektronenkapazität TEC eines CCD Bildsensors ist das Produkt aus Sättigungsladung und Gesamtzahl der Pixel. Sie ist ein gutes Maß beim Vergleich von verschiedenen Bildsensoren mit Berücksichtigung der Gesamtzahl der Rauschelektronen TNE. Die Gesamtdynamik einer CCD Kamera erhält man als das Verhältnis von TEC und TNE.Gesamtzahl der Rauschelektronen von einem CCD Sensor
Die Gesamtzahl der Rauschelektronen TNE eines CCD-Bildsensors ist das Produkt aus Rauschelektronen und Gesamtzahl der Elektronen. In Verbindung mit der gesamten Elektronenkapazität TEC erhält man die Gesamtdynamik einer CCD Kamera.Füllfaktor von einem CCD Sensor
Der Füllfaktor gibt den für die Konversion der einfallenden Photonen wirksamen Flächenanteil eines Pixels an und ist damit ein wesentliches Merkmal eines CCD Bildsensors. Bei Bildsensoren mit einem Füllfaktor kleiner als 100% entstehen entsprechend der räumlichen Abtasteigenschaften Moíre-Strukturen, welche die Modulationsübertragungsfunktion beeinflussen und teilweise eine quantitative Auswertung der Bildsignale verhindern. Weiterhin wird die effektive Quantenausbeute in demselben Maße verringert. Diese Verringerung der effektiven sensitiven Fläche wird durch Linsenstrukturen über den einzelnen Pixeln direkt auf der CCD Sensoroberfläche wesentlich vermindert. Jedoch entsteht hierdurch eine Richtungsabhängigkeit bezüglich der einfallenden Strahlung, die effektive Quantenausbeute der CCD Kamera nimmt um so stärker ab, je größer der Einfallswinkel ist, was bei optischen Systemen (wie z.B. Objektiven) mit größer werdenden Öffnungszahl, zur Erhöhung der Sensitivität, sehr starke Einflüsse hat.Linearität von einem CCD Sensor
Ein wichtiges Kriterium für die photometrische Applikation eines optischen Mess-Systems ist seine Linearität. Das digitalisierte Messsignal soll möglichst proportional zur Intensität des einfallenden Lichtes sein. Als Linearität kann die prozentuale Abweichung vom linearen Fit eines Linearitätsplots bezogen auf die Sättigungsbelichtung definiert werden, also:Lin (%) = (Abweichung x 100 / Sättigungsbelichtung)
Die Linearität hängt ab vom Bildsensor selbst, von der Signalverarbeitungselektronik und natürlich auch von den Eigenschaften des Analog/Digitalwandlers (A/D). Im Allgemeinen sind die Linearitätsabweichungen kleiner als einige zehntel Prozent. Da die Nichtlinearität für ein System weitgehend konstant ist, kann diese mittels einer Eichmessung bis in den Promillebereich verbessert werden. Als Eichfunktion eignet sich der User-Operator der WinSIS Bildverarbeitungssoftware, der die Intensitätsabweichungen in einfacher Weise als Lookup Tabelle abspeichert und somit eine äußerst schnelle Korrektur gestattet und damit die Qualität der CCD Kamera hinsichtlich der Linearität zu erhöhen.
Dynamischer Bereich von einem CCD Sensor
Der dynamische Bereich einer CCD Kamera ist definiert als das Verhältnis von Sättigungsbelichtung zu Kamerarauschen. Sie ist eine wichtige Größe zur Kennzeichnung der CCD Kamera Performance, da sie ein Maß zur Quantifizierung von kleinen Intensitäten relativ zu großen Intensitäten ist, also quasi den Intensitätsmessbereich innerhalb einer Bildaufnahme angibt. Verwendet werden für CCD Kamera System Digitalisierungen von 14-Bit (Ausleseraten: 3MHz und 10MHz) sowie 18(16)-Bit (1MHz Ausleserate), die ohne die Notwendigkeit der Einführung verschiedener Detektionsbetriebsarten mit verschiedenen analogen Signalverstärkungsfaktoren die optimalen Anpassungen an die verschiedenen CCD Bildsensorspezifikationen erlauben. Hierbei ist auch eine höhere Digitalisierungsdynamik relativ zur erreichbaren CCD Bildsensordynamik sinnvoll. Mit einer Signalmittelung durch Bildakkumulation kann die Gesamtdynamik des A/D-Wandlers voll ausgenutzt werden und man ist nicht auf etwa 13-Bit bei Einsatz eines 12-Bit A/D-Wandlers beschränkt. Mit unserem 18-Bit A/D-Wandler erreicht man bei einer Ausleserate von 1 MHz durch Akkumulation eine Dynamik bis zu 19-Bit.Signal / Rausch Abstand, SNR, von einem CCD Sensor
Die Lichtempfindlichkeit ist ein wesentliches Merkmal einer CCD Kamera. Sie kann die minimale Lichtmenge angegeben werden, welche ein nutzbares Bildsignal ergibt, definiert bei einem Signal/Rausch-Abstand SNR=1, wenn also das Nutzsignal gleich dem Rauschsignal ist. Der Signal/Rauschabstand SNR (Signal to Noise Ratio) ist abhängig von:- dem naturbedingten Photonenrauschen:
= der Quadratwurzel der Signalintensität Is - dem thermischen Rauschen des Dunkelstromes ID - dem Ausleserauschen A, das vom CCD Sensor und der Verarbeitungs-Elektronik herrührt. Der formelmäßige Zusammenhang ist:
SNR = Is / Sqr(Is + ID + A²)
Bei hohen Intensitäten – wie sie typischerweise bei Absorptionsmessungen, bei Lichtverteilungsmessungen in Strahlprofilen oder in der Hellfeldmikroskopie etc. auftreten – ist nur das Photonenrauschen relevant und man selektiert für diese Applikationen einen Sensor mit einer hohen Sättigungsbelichtung. Bei kleinen Intensitäten überwiegen das Ausleserauschen und das Dunkelrauschen, so dass zur Auswahl die Quantenausbeute des Bildsensors und das Rauschen der CCD Kamera maßgebend sind.