Photovoltaische Pixel

Der in Modellen UI-112x/UI-512x verwendete HDR-Sensor vom Typ NSC0806 arbeitet mit einem komplett anderen Prinzip als herkömmliche CMOS- oder CCD-Sensoren. In diesem Sensor bestehen die Pixel aus miniaturisierten Solarzellen. Dies sind prinzipiell ebenfalls Fotodioden, die allerdings anders betrieben werden als in herkömmlichen Sensoren. Während Fotodioden einen linearen Strom proportional zur Lichtmenge erzeugen, geben Solarzellen eine logarithmische Spannung in Abhängigkeit von der Lichtmenge aus. Das bedeutet, dass keine nachträgliche Logarithmierung des Signals erforderlich ist – die Kennlinie ist bereits echt logarithmisch. Der NSC0806-Sensor erreicht dadurch einen Dynamikumfang von 120 dB.

Das Signal wird im Pixel verstärkt und analog ausgegeben. In den uEye Kameras übernimmt ein externer A/D-Wandler mit 14 Bit Auflösung die Digitalisierung. Der Spannungsbereich des A/D-Wandlers ist höher als die maximale Ausgangsspannung des Sensors, um Übersteuerung der digitalen Stufe zu verhindern und Temperaturdrift des Sensors zu kompensieren.

Die HDR-Technologie ist nicht gleichzusetzen mit einer erhöhten Empfindlichkeit des Sensors.

Abb. 48: 40-W-Glühbirne mit CCD-Sensor (l.) und mit HDR-Sensor (r.) aufgenommen.

Belichtung

Der NSC0806-Sensor besitzt kein integratives Prinzip, d. h., es gibt keine Belichtungszeit. Die HDR-Pixel geben zu jedem Zeitpunkt eine Spannung aus, die dem momentanen Lichteinfall entspricht. Dieser Spannungswert wird in der gewünschten Bildfrequenz abgefragt. Bei z. B. 30 Bilder/s wird also 30 Mal in der Sekunde der aktuell von jedem Pixel gemessene Lichtwert ausgegeben. Die analogen Spannungswerte werden von einem nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler digitalisiert.

Auslesemethode

Das Auslesen der Pixelwerte erfolgt beim NSC0806 zeilenweise (rolling readout). Durch den leichten zeitlichen Versatz zwischen dem Auslesen einer Zeile n und der nächsten Zeile n+1 kann der sogenannte Rolling-Shutter-Effekt auftreten (siehe auch Shutterverfahren). Dabei werden Objekte, die sich mit hoher Geschwindigkeit durch das Bildfeld bewegen, geometrisch verzerrt dargestellt. Wird beispielsweise ein quadratisches Objekt horizontal zum Bild bewegt, erscheint es im Bild als Parallelogramm, da die oberen Bereiche des Objekts zeitlich gesehen vor den unteren Bereichen abgebildet werden.

Die Auslesedauer für ein komplettes Bild beträgt tBild = 1/Bildrate, der zeitliche Versatz zwischen zwei Zeilen ist demnach tZeile = tBild/Bildhöhe.

Der Sensor arbeitet im Progressive Scan Modus, bei dem Vollbilder ausgelesen werden (im Gegensatz zum Interlaced Scan, bei dem im Zeilensprung-Verfahren Halbbilder ausgelesen werden).