WP's Foto

Fehlfarben

High-speed Matrixsensor Schaltkreis

Dargestellt ist eine Echtzeit-Aufnahme vom Kamera Befiltern, dem Anbringen eines Glas-Streifenfilters auf einem laufenden(!) CCD Sensor. Nötig war die Aktion, weil der Chiphersteller keine Farbvariante anbot. Und es hat reproduzierbar geklappt. Dank des Fraunhofer Instituts (FhG) IOF in Jena konnte man 150 Nanometer Verschiebungen des Filters während des Bewegens nachvollziehen.

Rechts ein Foto des Schwarz/Weiß CCD Flächensensor EG&G Reticon HS0512JAQ, Auflösung 512 Pixel x 512 Pixel bei 1000 Bilder/sek. Die aktive Fläche, das dunkle Quadrat in der Mitte, weist eine Kantenlänge von 8,19 mm auf.

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Objekt

Die Fotos wurden aufgenommen mit einem geöffneten Schwarz/Weiß CCD Flächensensor, also mit abgenommenem Deckglas und blankem Silizium Chip. Blickrichtung: Vom aktiven Sensor durch einen Klebstofftropfen auf der Sensoroberfläche auf (und durch) einen Rot-Grün-Blau (RGB) Streifenfilter auf Glassubstrat in die Lichtquelle. Der Algorithmus zur Farbrückgewinnung ist teilweise noch abgeschaltet.

Links das Foto des Klebertropfens zwischen Sensoroberfläche und Streifenfilter. Der Farbalgorithmus ist abgeschaltet.

Kamera

Der offene Schwarz/Weiß Flächensensor ist selbst die Kamera. Die Belichtungszeit beträgt 1/1000 sek. Die Fotos sind etwas nachbearbeitet (Kontrastspreizung, Kantenverstärkung), da zu viel Licht den Kleber noch vor der Justage hätte aushärten lassen.
Die Justage erfolgt unter optischer Kontrolle des Sensors selbst, mit einer Genauigkeit von ±1/4 Mikrometer, nötig wegen des Füllfaktors von nahezu 100%.

Einblick

Die Erklärung: Das obere linke Bild wurde im Reinraum während der Befilterung des Schwarz/Weiß Sensors aufgenommen. Die hellen Linien sind die grünen eines Rot - Grün - Blau - Grün Streifenmusters auf dem Glassubstrat. Jede Linie ist 16 Mikrometer breit, inklusive einer Überlappung von ca. 1 Mikrometer mit jeder Nachbarlinie.
Den Stapel von der Seite aus betrachtet, würde man den Sensor zuunterst sehen. Dann den Kleber in einer Form ähnlich einem Eierbecher, ca. 0,5 mm hoch. Zuoberst das Glassubstrat (Dicke: 2,0 mm) mit der Filterstruktur.
Was man ihm Bild erkennt (nur ein Vorschlag): Die eiförmige Kontur zeigt die ursprüngliche Größe des Klebertropfens (auf dem Sensor) bevor er mit dem Glassubstrat in Kontakt gekommen ist. Der dunkle Ring wird durch die Flanken des Kleber-Eierbechers verursacht, da die Blickrichtung auf die Lichtquelle weist. Sein Umfang ist die Berührungsfläche zwischen Kleber und Glassubstrat. Der innere Kreis ist der optische Pfad durch den Kleber, bestimmt durch den schmalsten Querschnitt des Eierbechers. Der helle Punkt in der Mitte entsteht durch die Linsenwirkung des Klebstofftropfens (Brennpunkt).

Zur Farbrückgewinnung ist es notwendig, dass der entsprechende Algorithmus die zum Pixel gehörige Farbe kennt, der Farbfilter also fest und eindeutig zu den Pixel ausgerichtet ist. Ist dies nicht der Fall kommt es zu Fehlinterpretationen und somit zu Falschfarben. Im unteren Bild links ist der Streifenfilter noch nicht nahe genug auf die Sensoroberfläche abgesenkt. Natürlich hat auch der noch nicht vollständig verlaufene Klebertropfen einen Einfluss.

Links im Foto ist der Moment dargestellt, wenn der Streifenfilter die Position auf der Oberseite des Klebertopfens erreicht hat, aber noch nicht abgesenkt worden ist. Der Farbalgorithmus ist eingeschaltet.

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Endzustand

Handoptimierter Farbsensor

Der Kleber füllt nach der Fertigstellung den gesamten Raum zwischen Sensoroberfläche und Glassubstrat aus. Der Abstand zwischen ihnen beträgt dann ca. 20 bis 30 Mikrometer. Der Kleber wird durch UV-Bestrahlung ausgehärtet und der Rest des Sensorhohlraums (offen liegende Bonddrähte!) mit Keramik/Epoxy Füllmaterial versiegelt und in einem Ofen ausgehärtet.

Im Bild rechts der farbbefilterte wide ceramic DIP CCD Sensor, vergossen, ausgehärtet und fertig für den Einbau in den Stecksockel des Kamerakopfs.

Der so modifizierte Chip fand zwischen 1998 bis 2001 ausschließlich in der Color Version der Hochgeschwindigkeits­kamerafamilie Weinberger Speedcam Pro Verwendung. Für nicht wissenschaftliche Kameras wären die ungefähr drei Stunden Aufwand auch einfach zu hoch gewesen.